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核电阀门密封材料研究与填料的结构设计

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邓永刚+杨存丽

：TB42文献标识：A：1674-1145（2016）07-000-02

摘要本文采用一种适应高温探冷能耐化学腐蚀、高纯度、高强度、并且与核电累计辐射照剂量要求相符合的非金属密封材料柔性石墨作为核电阀门密封材料，对石墨填料的物理机械性能和化学元素进行分析和探讨，从而能够选出充分适用核电阀门密封的适用规范的核电阀门密封材料。通过新颖的结构设计使核电阀门中石墨填料的密封性能获得极大地提升；将一种在核电厂阀门中适用的密封材料开发出来，分析其优异的表现。

关键词核电阀门密封材料结构设计

在核电厂中配套设备阀门属于一种具有较多使用数量的设备，其是确保核电站能够实现安全稳定运行的关键部件之一。配套设备阀门承载着核电厂全部的系统管控和能量转换，比如管路的介质的接通或切断、热能的输出或输入、循环系统的流量控制、堆芯温度的调节等各项功能，核电站阀门与普通阀门相比在性能方面具有较高的要求，必须要具备全天候运行的可靠性、高压高温环境下的稳定性以及使用过程中的安全性等性能。

一、石墨材料的性能分析

作为一种六角平面网状结构的晶体，石墨的化学稳定性非常好，而且不会受到任何有机溶剂、强碱和强酸的腐蚀作用。因为石墨的耐β射线、α射线、γ射线性能非常好，再加上具有较小的热中子截面，所以属于目前唯一的可供选择的核反应堆慢化材料。石墨材料能够作为核反应堆的防核辐射外壳和减速剂，在核能工业领域和国防领域中属于重要的材料。目前在在密封行业中柔性石墨属于应用最为广泛的一种材料，其能够适用于-200℃～600℃的温度范围，具有高温不分解、不变形、不软化、时效不老化以及低温不脆化等一系列的性能，而且具有良好的润滑性能和便于加工成形的可塑性。如果选择石墨材料作为固体润滑剂，那么与脂类相比，其在任何温度条件下都具有要低的摩擦系数，所以能够充分地适应阀杆的频繁动作的摩擦系数要求。在进行液体和气体密封的时候石墨材料的抗渗透性也非常好。

二、石墨材料填料结构的设计分析

（一）组合填料两端的刮垢环：其主要作用就是避免密封主件在介质压强过高的情况下被冲刷破坏；具备传递轴向预紧力以及均匀找平的作用；要尽可能的在两端环的接触面上将一定的粗糙度制作出来，这样阀杆在进行运动的时候就可以保证表面的清洁性和光滑性。现在常用的制作刮垢环的材料主要包括石墨外包金属丝、金属丝内增强石墨以及碳纤维材料等各种材料，然而这些端环在实际的运用中都存在着一定的缺陷。高纯柔性石墨外织镍丝网编织盘根环属于一种新型的端环，其可以对石墨的高压缩率、柔软性等进行充分地利用，并且结合镍丝网的高弹性和绵韧性，使得产品的物理机械性能获得极大的提升。采用这种材料制成的刮垢环不需要添加任何复合用粘胶和增强纤维，因此能够使石墨环的低烧失、高碳量和高纯度得到保证。

（二）密封的主体就是填料组中间部分。可以以阀门填料函的设计深度为根据对石墨环可配放的个数进行计算。作为一种接触式嵌合密封，填料密封的最为主要的要求就是自身容易出现形变，从而在阀杆外表面或者填料函内壁嵌合进去。填料密封的主要原理就是将预紧力施加在轴向，从而迫使径向变形，对阀门填料函和阀杆的交接面起到充盈作用，并且对介质的流出起到阻断作用，从而对阀杆进行密封。

（三）应用在核电阀门上的一种填料组。其采用了仿弹性蝶形形式的设计方式，将其中的两刮垢环与刮垢环的接合处设计成为一种上凹下凸的形状，在将预紧力施加给填料组的时候，填料两端具有正好相反的承压力方向，整个填料组呈现出N字形的受力方式。填料形变区在预紧过程中可以对部分屈服势能进行积聚，如果阀门在运动时没有形成充足的磨耗或压盖预紧力，在这种情况下就会释放积聚存储的势能，从而对运行中填料出现的损耗进行补偿。填料组的形变在介质压力出现热振荡或者波动的时候就会出现相应的变换，从而充分地满足了阀门填料遇弱施弱、遇强则强的密封要求。

（四）一般只有在填料轴面的三分之一的部位产生N字形拧变所用预紧力，同时会出现成倍增加的压力传递效力，填料组间也会出现最高的压力传递效力。采用这种设计的方式使得填料密封传统设计中的利用径向延伸变形和轴向压紧的思维得以改变，变成了一种径向锲入式填充到填料函内侧、轴向压紧的方式，而且还可以收缩抱紧阀杆外壁，对填料密封的设计理念进行了创新。

（五）立足于界面形式设计进行分析，还需要在环与环之间将空腔设计出来。要在低扭矩螺栓预紧下，对填料的径向移位进行有选择性的控制，从而确保每个环在填料组中都可以受到传递均匀的预紧力的作用，而且每个单环都要具有一致的径向变形量。阀杆同填料交接面必须要实现嵌合的充分性，这样就能够避免介质向外穿透，并且进一步确必威体育官网网址封的可靠性。在具体的安装过程中通常是使石墨填料组的凸面正对着介质，这样一旦介质压力在阀内