核电阀门密封材料研究与填料的结构设计

真空阀门 耿艳春 浙江国泰密封材料股份有限公司

  通过对一种高强度、高纯度,能耐化学腐蚀以及适应高温深冷,并符合核电累积辐照剂量要求的非金属密封材料柔性石墨的研究。探讨柔性石墨填料的各项化学元素和物理机械性能,用以满足核电阀门密封的适用规范;采用新颖的结构设计,以提高柔性石墨填料在核电阀门上的密封性能;开发出一种适用于AP1000 或压水堆核电厂的阀门密封填料,并加以科学验证其在应用中的优异表现。

引言

  核电厂配套设备阀门是在核电厂设计、建造和运营中,使用数量较多的介质输送控制设备。是保证核电站安全运行的重要组成部分。它承载着核电厂所有的能量转换和系统管控,如堆芯温度的调节、循环系统的流量控制、热能输出输入、管路里介质的切断或接通等多种功能。与普通阀门相比,核电站阀门的性能要求及其特点,是要保证其使用的安全性、高温高压环境下的工作稳定性、全天候运行的可靠性。由于使用环境的特殊性,必然要求核电阀门密封有很高的科技含量。核电运行的前提是安全第一,只有阀门的性能可靠,动作灵敏,并有完好的密封效果与使用寿命,才能确保我们利用核能的安全。

  据统计,一座具有两台100 万kW 机组的二代加压水堆核电站,有各类阀门3 万多台。就AP1000 的三代技术而言,虽然采用模块化设计也不少于1 万多台。根据核电厂运营资料分析, 核电站运行阀门故障率约34%是由阀杆处填料泄漏造成的,所以迫切需要一种高性能、长寿命的填料来保障阀杆的密封。就自然界所有材料的物性,石墨无疑是最理想的密封材料。经深加工的柔性石墨是继石棉被禁用之后, 更适合阀杆密封的最佳材料。

1、石墨材料的性能

  石墨是六角平面网状结构的晶体, 六角平面三个SP2 杂化轨道互成120°排列, 网面上下方的π 电子相互重合形成范德华键,有良好的化学稳定性,不受任何强酸、强碱和有机溶剂的腐蚀。由于石墨很好的耐γ 射线、α 射线、β 射线等辐照性能, 同时热中子截面也很小,是核反应堆中唯一可供选择的慢化材料。可作为核反应堆的减速剂、防核辐射外壳,是国防和核能工业领域的重要材料。

  目前密封行业使用最广泛的材料柔性石墨,可在-200℃~600℃内安全使用。其具有低温不脆化、时效不老化、高温不软化、不变形、不分解的特性,且具有优异的便于加工成形的可塑性和良好的润滑性能, 如作为固体润滑剂, 在任何温度条件下摩擦系数比脂类润滑都要低,很适合阀杆的频繁动作。对于气体和液体的密封也具有良好的抗渗透性。

2、石墨的加工工艺

  核级阀门填料所用的石墨,是天然矿物经选矿、提纯、化学插层、膨化、压延、收卷等多道工艺后精制成柔性石墨板材,再分切模压加工成阀用填料。所选原材料石墨粒子,必须是天然的高品像大鳞片石墨,这种原料杂质少、纯度高、膨化后蠕虫粒子直径大,所制石墨板品质的强度高,有害化学元素成份含量低,生产工艺稳定,制品可塑性优良。不同目数石墨的比较,见表1,天然晶质(鳞片)石墨见图1,膨化后的石墨与板材制品见图2。

表1 不同目数石墨的比较

核电阀门密封材料研究与填料的结构设计

3、结论

  (1)对照相关标准和产品的技术条件进行验证石墨的物理化学性能,只有大鳞片、高品质石墨,目前是自然界中少数几种能慢化中子以及其他射线辐射的材料,也是核电阀用填料密封最理想的材料;

  (2)选用大鳞片高品像的天然晶质石墨,制备出来的柔性石墨板, 工艺技术上可以使其产品的有害微量元素残留量非常低, 柔性石墨填料的物理机械性能大幅提高, 各项性能均可以达到核电站的安全运行要求;

  (3)核级阀门填料两端的刮垢环,用镍丝套编高纯柔性石墨所编织模压出来的端环, 相比其他材料的端环,无论在磨耗时效、承压能力、高温烧失、安全系数等方面都有很大提高;