馬俊宏，沈火明，劉 娟，王宇星，傅孝龍

(1.西南交通大學(xué) 力學(xué)與航空航天學(xué)院， 成都 610031；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610041)

0 引言

劉祎彤等[5]對(duì)鋁墊片的高溫蠕變性能開(kāi)展研究后得出了墊片接觸應(yīng)力變化關(guān)系，并表明材料的蠕變特性是影響密封性能的重要原因之一。鄧文飛[6]對(duì)鎳鈦合金復(fù)合墊片開(kāi)展了各種服役溫度下的蠕變?cè)囼?yàn)，結(jié)果表明溫度是影響墊片蠕變性能的主要因素，并發(fā)現(xiàn)石墨密封墊片的墊片應(yīng)力決定了系統(tǒng)泄漏率的大小。Zhou等[7]基于ABAQUS軟件建立了三維螺栓法蘭墊片結(jié)構(gòu)，通過(guò)Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)蠕變用戶(hù)程序，模擬結(jié)果表明發(fā)生蠕變后墊片密封應(yīng)力顯著降低。屈春葉等[8]利用數(shù)值模擬方法計(jì)算了波齒復(fù)合墊片在高溫條件下不同載荷對(duì)應(yīng)的蠕變應(yīng)變分布情況，模擬結(jié)果表明了墊片金屬骨架具有很好的抗蠕變性能。通過(guò)已有研究可以看出墊片蠕變性能的優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)服役于超高真空、高溫和高壓等復(fù)雜工況下的密封效果起著至關(guān)重要的作用。因此，為了驗(yàn)證系統(tǒng)密封性能的可靠性，需要對(duì)墊片的蠕變性能有針對(duì)性的進(jìn)行深入細(xì)致的研究，以滿(mǎn)足不同領(lǐng)域中對(duì)處于復(fù)雜工況下墊片性能的需求。

核級(jí)石墨密封墊片目前被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代核電站運(yùn)行系統(tǒng)中，對(duì)核電站系統(tǒng)的安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。而已有文獻(xiàn)中對(duì)核級(jí)石墨密封墊片蠕變松弛性能的研究還尚未完善。因此本文結(jié)合當(dāng)前實(shí)際工程需求，以核電密封系統(tǒng)中常用的核級(jí)柔性石墨密封墊片[9]為研究對(duì)象，針對(duì)墊片的蠕變松弛性能開(kāi)展了試驗(yàn)研究，分析了試驗(yàn)預(yù)緊荷載、試驗(yàn)溫度及墊片徑向尺寸對(duì)墊片蠕變性能的影響。隨后結(jié)合ABAQUS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性。為該類(lèi)密封墊片的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及使用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供了重要的依據(jù)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)方案

核級(jí)柔性石墨密封墊片由金屬內(nèi)環(huán)、石墨環(huán)和金屬外環(huán)組成，如圖1所示。其金屬內(nèi)、外環(huán)材質(zhì)為Z2CND17-12，即316L鋼，石墨環(huán)為柔性石墨。石墨墊片嵌在金屬內(nèi)、外環(huán)間，金屬環(huán)與石墨表面保持平行，石墨表面平整、光滑[10]。內(nèi)、外金屬環(huán)可限制石墨環(huán)，防止石墨墊片受到過(guò)度擠壓。柔性石墨墊片剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中相關(guān)尺寸參數(shù)已在表1中給出。

圖1 核級(jí)石墨密封墊片

圖2 核級(jí)石墨密封墊片結(jié)構(gòu)示意圖

表1 核級(jí)石墨密封墊片試樣規(guī)格

研究所采用試驗(yàn)裝置為深圳萬(wàn)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司的微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)HUT106C，高溫試驗(yàn)中所用高溫環(huán)境箱為長(zhǎng)春恒升科技有限公司的GW-400A型高溫試驗(yàn)箱(如圖3所示)。利用H13模具鋼制作上下壓頭代替密封系統(tǒng)中的法蘭結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)外伸引伸計(jì)綁定位移傳感器，用以精確測(cè)定試樣變形。

圖3 試驗(yàn)裝置圖

該試驗(yàn)首先將試驗(yàn)墊片安裝在上下夾具間，并使壓頭與墊片表面平行接觸；利用電機(jī)施加1 MPa的初始預(yù)緊荷載，保持荷載恒定；利用高溫環(huán)境箱將溫度調(diào)至試驗(yàn)規(guī)定溫度值；隨后加載至實(shí)驗(yàn)規(guī)定的預(yù)緊荷載并保持。利用位移傳感器實(shí)時(shí)采集墊片的變形。

具體試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容包括：

1) 試驗(yàn)研究預(yù)緊荷載對(duì)墊片蠕變性能的影響：試樣采用DN40墊片，試驗(yàn)溫度為200 ℃，預(yù)緊應(yīng)力等級(jí)分別為35、40、70 MPa。

2) 試驗(yàn)研究溫度對(duì)墊片蠕變性能的影響：試樣采用DN40墊片，預(yù)緊荷載采用35 MPa和70 MPa對(duì)比研究，溫度等級(jí)分別為20、100、200 ℃。

3) 試驗(yàn)研究墊片徑向尺寸對(duì)墊片蠕變性能的影響：針對(duì)DN15、DN40及DN653種型號(hào)墊片，施加35 MPa的恒定預(yù)緊應(yīng)力和100 ℃的恒定溫度。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

分別以預(yù)緊荷載、服役溫度及墊片徑向尺寸為變量對(duì)核級(jí)石墨密封墊片進(jìn)行壓縮蠕變?cè)囼?yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到各變量下墊片的蠕變特性曲線，如圖4、圖5所示。表2為各組試驗(yàn)的最大壓縮位移、蠕變量以及對(duì)應(yīng)蠕變率。

表2 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

圖4 DN40石墨墊片的蠕變特性曲線

圖5 不同尺寸的蠕變特性曲線

由圖4可知，當(dāng)墊片預(yù)緊應(yīng)力從35 MPa增加至40 MP時(shí)，墊片蠕變量隨著預(yù)緊載荷的增大而增加，但預(yù)緊荷載增大至70 MPa時(shí)，墊片蠕變量卻小于前兩組工況。其原因?yàn)閴|片結(jié)構(gòu)存在一個(gè)使得法蘭和墊片金屬環(huán)發(fā)生接觸的門(mén)檻預(yù)緊應(yīng)力[11]，當(dāng)荷載大于門(mén)檻應(yīng)力時(shí)，墊片蠕變量整體小于法蘭和金屬環(huán)發(fā)生接觸之前的蠕變量。總體上講，在門(mén)檻應(yīng)力左右，墊片蠕變量和預(yù)緊應(yīng)力成正相關(guān)；在35 MPa的預(yù)緊應(yīng)力作用下，墊片蠕變量隨著溫度的升高有增大趨勢(shì)，最大蠕變值約為0.029 4 mm。當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力超過(guò)門(mén)檻應(yīng)力值時(shí)，溫度對(duì)墊片最大壓縮位移影響微弱，但隨著溫度升高，墊片蠕變量仍有小幅增加。

由圖5以及表2可知，DN40墊片蠕變值較大，DN15次之，DN65墊片蠕變值最小，結(jié)果表明墊片蠕變量與墊片徑向尺寸無(wú)明顯關(guān)系，即墊片尺寸效應(yīng)不明顯。總體而言，核級(jí)石墨密封墊片展現(xiàn)出了良好的抗蠕變性能。

2 數(shù)值分析

利用ABAQUS有限元分析軟件模擬上述試驗(yàn)工況下核級(jí)石墨密封墊片的壓縮蠕變行為，并將有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，以驗(yàn)證有限元模型的可靠性。

2.1 有限元建模

圖6 有限元模型

表3 材料性能參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

將試驗(yàn)所得各工況下墊片蠕變特性曲線和有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖7。對(duì)比有限元模擬計(jì)算與試驗(yàn)所得的墊片最大壓縮位移及蠕變量，結(jié)果見(jiàn)表4。

圖7 試驗(yàn)曲線與模擬結(jié)果曲線

表4 有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)果

從以上對(duì)比結(jié)果中可以看出，數(shù)值模擬所得的墊片壓縮位移時(shí)呈曲線與試驗(yàn)結(jié)果曲線吻合良好。表4對(duì)比了數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)得到的最大壓縮位移以及蠕變量，各組試驗(yàn)與模擬對(duì)比結(jié)果誤差均在15%內(nèi)。其中墊片處于高溫條件下的對(duì)比結(jié)果誤差相比較大。這是因?yàn)楦邷卦囼?yàn)條件下石墨墊片的材料特征發(fā)生變化，導(dǎo)致墊片軟化后提高了蠕變量，而數(shù)值模擬并未考慮墊片材料特征的改變。

經(jīng)分析可知，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了有限元模擬中模型及參數(shù)的合理性，能準(zhǔn)確地模擬試驗(yàn)過(guò)程，具有一定的參考價(jià)值。

3 結(jié)論

1) 核級(jí)柔性石墨墊片的最大壓縮位移與試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)預(yù)緊應(yīng)力及墊片通徑尺寸成正相關(guān)。

2) 由于墊片結(jié)構(gòu)存在內(nèi)外金屬限制環(huán)，因此存在一個(gè)使法蘭與墊片金屬環(huán)發(fā)生接觸的門(mén)檻預(yù)緊應(yīng)力。分別在門(mén)檻應(yīng)力左右，墊片蠕變量均與溫度和預(yù)緊荷載成正相關(guān)，但與墊片通徑尺寸并無(wú)明顯關(guān)系。

3) 數(shù)值仿真結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，最大誤差控制在15%以?xún)?nèi)。表明有限元模型所選取的蠕變本構(gòu)模型、邊界條件、接觸關(guān)系及材料特性等均是合理的。

4) 在所述工況下，核級(jí)柔性石墨密封墊片的蠕變壓縮量均很小，表明此墊片具有良好的抗蠕變松弛性能。