法蘭連接密封有效性的預(yù)測(cè)研究

廖 路，毛藝喬，李 敏，于成波，韓 旭，吳書逸，張吉波

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川成都 610213）

0 引言

核反應(yīng)堆中，由于法蘭連接可靠及便于拆卸等優(yōu)點(diǎn)[1]，使得法蘭成為連接管道、閥門以及設(shè)備最廣泛的方式。核反應(yīng)堆一回路流動(dòng)的介質(zhì)具有放射性，如果發(fā)生泄漏則會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆修理，影響正常的生產(chǎn)工作，嚴(yán)重時(shí)還有可能引發(fā)人員傷害以及環(huán)境污染，這就要求保證法蘭連接密封的可靠性。但在法蘭兩次維修間隔期內(nèi)，法蘭連接密封是否失效或即將失效，在未發(fā)生泄漏事件時(shí)無法進(jìn)行確定。因此，通過測(cè)量配對(duì)法蘭的徑向偏差以及不平行度進(jìn)行間接預(yù)測(cè)，對(duì)法蘭密封性的管理具有重要意義。

1 密封原理及失效原因分析

1.1 密封原理

法蘭連接密封主要是通過墊片實(shí)現(xiàn)的，法蘭連接通過螺栓預(yù)緊力的作用，在法蘭密封面和墊片間產(chǎn)生一定的壓力，使得墊片填充滿法蘭面上凹凸不平的微觀間隙，從而達(dá)到密封的目的[2-3]。法蘭連接的密封結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 法蘭連接密封結(jié)構(gòu)示意

1.2 失效原因分析

密封失效表現(xiàn)為泄漏，主要有兩種形式：一是界面泄漏，二是滲透泄漏。滲透泄漏是由于墊片存在毛細(xì)管或微小縫隙，只能通過改變墊片的材料與結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行避免。由于法蘭與墊片接觸面間尺寸發(fā)生變化，使得墊片無法填滿微觀間隙引發(fā)的泄漏就是界面泄漏，也是法蘭連接泄漏的主要形式，實(shí)際上，保證法蘭連接密封有效，就是要避免界面泄漏。本文是就已安裝法蘭的密封有效性進(jìn)行預(yù)測(cè)研究，所以只分析法蘭安裝引發(fā)的密封失效的影響因素。

（1）螺栓預(yù)緊力太小，介質(zhì)流過時(shí)無法壓緊墊片，使得墊片無法填滿接觸面的微小間隙，從而引發(fā)泄漏[4-5]。

（2）預(yù)緊時(shí)，預(yù)緊力大小不一樣。理論上要求法蘭在壓緊時(shí)，密封面保證平行，由于預(yù)緊力不一致，導(dǎo)致密封面不平行和不同心。圖2 為法蘭密封面出現(xiàn)不平行及不同心是的結(jié)構(gòu)示意圖，其中不平行用不平行度Δ 進(jìn)行量化，即法蘭面間最大軸向間隙D和最小軸向間隙d 的差值（D-d），而不同心用法蘭外圓的徑向偏差δ 進(jìn)行量化。

圖2 法蘭安裝偏差結(jié)構(gòu)示意

2 密封有效性預(yù)測(cè)

2.1 預(yù)測(cè)依據(jù)

在核反應(yīng)堆的長期運(yùn)行過程中，由于管道振動(dòng)引發(fā)法蘭面間的相對(duì)位置發(fā)生變化，造成法蘭面間的徑向偏差和不平行度發(fā)生變化。而根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38343—2019《法蘭接頭安裝技術(shù)規(guī)定》，法蘭安裝后的不平行度Δ≤0.8 mm、徑向偏差δ≤1.5 mm。如果經(jīng)過測(cè)量發(fā)現(xiàn)法蘭的不平行度和徑向偏差不滿足國標(biāo)要求，就認(rèn)為該法蘭密封存在很大的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 實(shí)例驗(yàn)證

為了對(duì)上述的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證，選取了中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院某反應(yīng)堆一回路管道上的10 個(gè)法蘭，測(cè)量了這些法蘭的徑向偏差和軸向間隙。圖3 為測(cè)量徑向偏差和軸向間隙時(shí)的選取測(cè)點(diǎn)的分布情況，測(cè)量數(shù)據(jù)見表1 和表2。

圖3 測(cè)點(diǎn)分布示意

表1 法蘭徑向偏差測(cè)量記錄 mm

表2 法蘭軸向間隙測(cè)量記錄 mm

通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到了如圖4 和圖5 所示的徑向偏差和不平行度分布圖。

圖4 徑向偏差分布

圖5 不平行度分布

由圖4 和圖5 可知，法蘭位置變化可分為如下4 種情況：①法蘭的徑向偏差和不平行度都滿足國標(biāo)要求，如2 號(hào)、4 號(hào)、6號(hào)、7 號(hào)和8 號(hào)法蘭，這種情況占據(jù)多數(shù)；②法蘭的徑向偏差超出國標(biāo)限值，不平行度滿足國標(biāo)要求，如3 號(hào)法蘭；③法蘭的徑向偏差滿足國標(biāo)要求，但不平行度超出國標(biāo)限值，如1 號(hào)和5 號(hào)法蘭；④法蘭的徑向偏差和不平行度都超出國標(biāo)限值，如9 號(hào)和10 號(hào)法蘭。

通過查閱停堆運(yùn)行期間檢查記錄表，發(fā)現(xiàn)所選取的法蘭中，僅發(fā)現(xiàn)9 號(hào)法蘭出現(xiàn)少量泄漏情況，但符合泄漏量要求。

3 建議處理措施

為確保法蘭密封的有效性，對(duì)于未達(dá)到檢修時(shí)間，無法停堆修理的法蘭，可以通過測(cè)量法蘭的徑向偏差和不平行度來進(jìn)行檢修前的預(yù)處理。為保證法蘭密封不失效，可以采用以下措施進(jìn)行處理：

（1）利用力矩扳手按照對(duì)稱原則對(duì)法蘭的連接螺栓進(jìn)行再次預(yù)緊，必要時(shí)可用105%的力矩要求值施加力矩。

（2）建立法蘭徑向偏差及不平行度數(shù)據(jù)庫，尋找出受管道影響較大的法蘭，對(duì)該法蘭附近管道進(jìn)行加固處理，降低振動(dòng)對(duì)法蘭的影響。

4 結(jié)束語

反應(yīng)堆在長期運(yùn)行過程中，由于管道振動(dòng)可能使法蘭徑向偏差和不平行度發(fā)生增大，從而無法壓緊墊片，使得法蘭密封發(fā)生泄漏。為了防止法蘭密封失效引發(fā)泄漏，可在反應(yīng)堆停堆換料期間，定時(shí)對(duì)法蘭的徑向偏差和不平行度進(jìn)行測(cè)量，并依據(jù)測(cè)量結(jié)果，對(duì)法蘭重新施加力矩進(jìn)行預(yù)緊，這樣就能夠有效地預(yù)防法蘭密封泄漏。甚至在一個(gè)較長時(shí)間內(nèi)，通過分析對(duì)法蘭徑向偏差和不平行度數(shù)值，可以找出收振動(dòng)影響較大的法蘭，通過相應(yīng)的措施盡可能消除振動(dòng)的影響。