核電閥門密封材料研究與填料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2014-08-25 耿艷春浙江國(guó)泰密封材料股份有限公司

　　通過(guò)對(duì)一種高強(qiáng)度、高純度，能耐化學(xué)腐蝕以及適應(yīng)高溫深冷，并符合核電累積輻照劑量要求的非金屬密封材料柔性石墨的研究。探討柔性石墨填料的各項(xiàng)化學(xué)元素和物理機(jī)械性能，用以滿足核電閥門密封的適用規(guī)范；采用新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高柔性石墨填料在核電閥門上的密封性能；開(kāi)發(fā)出一種適用于AP1000 或壓水堆核電廠的閥門密封填料，并加以科學(xué)驗(yàn)證其在應(yīng)用中的優(yōu)異表現(xiàn)。

引言

　　核電廠配套設(shè)備閥門是在核電廠設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)中，使用數(shù)量較多的介質(zhì)輸送控制設(shè)備。是保證核電站安全運(yùn)行的重要組成部分。它承載著核電廠所有的能量轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)管控，如堆芯溫度的調(diào)節(jié)、循環(huán)系統(tǒng)的流量控制、熱能輸出輸入、管路里介質(zhì)的切斷或接通等多種功能。與普通閥門相比，核電站閥門的性能要求及其特點(diǎn)，是要保證其使用的安全性、高溫高壓環(huán)境下的工作穩(wěn)定性、全天候運(yùn)行的可靠性。由于使用環(huán)境的特殊性，必然要求核電閥門密封有很高的科技含量。核電運(yùn)行的前提是安全第一，只有閥門的性能可靠，動(dòng)作靈敏，并有完好的密封效果與使用壽命，才能確保我們利用核能的安全。

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，一座具有兩臺(tái)100 萬(wàn)kW 機(jī)組的二代加壓水堆核電站，有各類閥門3 萬(wàn)多臺(tái)。就AP1000 的三代技術(shù)而言，雖然采用模塊化設(shè)計(jì)也不少于1 萬(wàn)多臺(tái)。根據(jù)核電廠運(yùn)營(yíng)資料分析，核電站運(yùn)行閥門故障率約34%是由閥桿處填料泄漏造成的，所以迫切需要一種高性能、長(zhǎng)壽命的填料來(lái)保障閥桿的密封。就自然界所有材料的物性，石墨無(wú)疑是最理想的密封材料。經(jīng)深加工的柔性石墨是繼石棉被禁用之后，更適合閥桿密封的最佳材料。

1、石墨材料的性能

　　石墨是六角平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體，六角平面三個(gè)SP2 雜化軌道互成120°排列，網(wǎng)面上下方的π 電子相互重合形成范德華鍵，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不受任何強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和有機(jī)溶劑的腐蝕。由于石墨很好的耐γ 射線、α 射線、β 射線等輻照性能，同時(shí)熱中子截面也很小，是核反應(yīng)堆中唯一可供選擇的慢化材料�？勺鳛楹朔磻�(yīng)堆的減速劑、防核輻射外殼，是國(guó)防和核能工業(yè)領(lǐng)域的重要材料。

　　目前密封行業(yè)使用最廣泛的材料柔性石墨，可在-200℃～600℃內(nèi)安全使用。其具有低溫不脆化、時(shí)效不老化、高溫不軟化、不變形、不分解的特性，且具有優(yōu)異的便于加工成形的可塑性和良好的潤(rùn)滑性能，如作為固體潤(rùn)滑劑，在任何溫度條件下摩擦系數(shù)比脂類潤(rùn)滑都要低，很適合閥桿的頻繁動(dòng)作。對(duì)于氣體和液體的密封也具有良好的抗?jié)B透性。

2、石墨的加工工藝

　　核級(jí)閥門填料所用的石墨，是天然礦物經(jīng)選礦、提純、化學(xué)插層、膨化、壓延、收卷等多道工藝后精制成柔性石墨板材，再分切模壓加工成閥用填料。所選原材料石墨粒子，必須是天然的高品像大鱗片石墨，這種原料雜質(zhì)少、純度高、膨化后蠕蟲粒子直徑大，所制石墨板品質(zhì)的強(qiáng)度高，有害化學(xué)元素成份含量低，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，制品可塑性優(yōu)良。不同目數(shù)石墨的比較，見(jiàn)表1，天然晶質(zhì)(鱗片)石墨見(jiàn)圖1，膨化后的石墨與板材制品見(jiàn)圖2。

表1 不同目數(shù)石墨的比較

核電閥門密封材料研究與填料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)