摘要：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。
关键词：核电密封；阀门填料；柔性石墨；阀杆泄漏
1核电站阀门简介
1.1核电阀门特征
1.1.1数量繁多
在核电站的运行过程中核电阀门是使用最多的介质输送设备，并且是核电站正常运行必不可少的组成部分。根据有关部门进行统计说明，若是一组核电站具有100万kW的机组，那么其具有的核电阀门达到3万台。从最基本的阀门配置的情况上看，球阀占了12.6%；截止阀占有量最高，达到33.6%；其次就是隔膜阀，占到26.2%。
1.1.2要求标准高
国际上规定，在核电站使用的阀门必须符合RCC-M、ASME等要求标准，特别是对于核电站中那些安全级的阀门，就更应该按照国家有关部门的规定进行安装。在核电站所有使用的阀门当中，包括一种冷却系统中的阀门，这种阀门内部具有放射性的辐射物质，所以对于其要求是非常严格的，决不能出现一丝的泄露。在ASME中规定，应该把核电站阀门当作是一种耐压的容器，从而提高其技术标准，保证核电站阀门的正常使用。另外，在进行核电站阀门的安装过程中，还需要设置足够的操作空间和安装控件，并且技术人员应该按照严格的操作规程进行操作，照明设备的安装也是不能忽视的。在核电站的阀门控制上，其质量的管理比其他管理要求高得多，所以，核电站阀门的供应商应该严格按照规定进行生产。
1.2阀门基本结构型式
阀门有七种基本形式，分别是球形阀、闸阀、针阀、旋塞阀、蝶阀、提升阀和滑阀。某些阀是自动工作的，例如止回阀或者单向阀就是自动的，只允许流体向一个方向流动。安全阀在预定的压力下打开，启闭件靠重力杠杆或者弹力足够强的弹簧压在阀座上而使阀关闭，直至压力达到特定的压力时才开启。核电站设备闸门的工作环境较为险恶，而且在传送介质时对温度的安全标准要求也非常高，这里所谓的“介质”特指各种各样的流体介质，这样方能提升核电站设备闸门对环境的适应能力。图一某一核电阀门的内部基本结构。
图1 某一核电阀门的内部基本结构
2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。
3填料在阀门中的应用
3.1组合填料两端的刮垢环
是为了防止介质压强过高时对密封主件的冲刷破坏；其次还具备均匀找平和传递轴向预紧力的功能；在两端环的接触面上，尽量制造出一定的粗糙度，能在阀杆运动时往复摩擦，始终保持阀杆表面的光滑清洁。目前常用的材料有碳纤维、金属丝内增强石墨或石墨外包金属丝等编织的盘根环，实际应用中这些端环都存在有某些缺陷，对于普通阀门密封使用并没有大碍。但对于高端的核电阀门密封就难以胜任了。这里讨论一种高纯柔性石墨外织镍丝网编织盘根环。其设计意义在于利用石墨的柔软性和高压缩率，结合镍丝网的绵韧性和高弹性来提高产品的物理机械性能，制出的刮垢环，内部不添加任何增强纤维和复合用粘胶，以保证石墨环的高纯度、高碳量和低烧失。几种刮垢端环见图 2。
图 2 利垢端环
3.2研究了在核电阀门上应用的一种填料组（如图 3）。这种仿弹性蝶形形式的设计，其中石墨环与两刮垢环接合处，也就是图中标 L、3 的地方设计成上凹下凸形状。当对填料组施加预紧力时，填料的两端承压力方向刚好相反，整个填料组的受力方式成 N 字形。预紧过程中，填料形变区能够积聚部分屈服势能，当阀杆运动时产生的磨耗或压盖预紧力不足时，先前集聚储存的势能此时得以释放，补偿填料在运行中的损耗。当介质压力有波动或热振荡时，填料组的形变也相应变换。这样就实现了阀门填料遇强则强，遇弱施弱的自密封功能。
图 3核电阀门上应用的填料组
4填料的机械性能测定
借助现代仿生学完成一种填料结构设计并进行相关工艺参数、机械参数的求取，对比化工生产常用填料，证明了这种填料的结构合理性。在填料参与的实际化工生产中，良好的填料结构可以显著改善传质效率，但填料的性能高低不仅取决于填料的结构形式，与填料的尺寸、材料，参与单元操作的实际工况等都有密切的关系。一种填料在完成设计与初步性能测试后，仍需要经过小试、中试、大试等过程不断论证、完善与改进，确定一种填料的相关规范与标准。同时，针对填料的结构提出各种制造方案并进行优化，确定快速、经济、可靠的制造方法也十分重要。因此，在一种填料的可行性初步得到论证后，仍需要大量的相关实验进行进一步支持。
4.1填料的抗摔性能测试
测试使用的填料在6m平台实验时具有较好抗摔能力，在15m平台抗摔强度大大下降。同时，填料在抗摔实验中出现的破坏部位集中在外层填料六边形相邻孔之间的实体区域；打印过程中，一些填料出现的微小断层区域在抗摔实验中也易延伸成为裂纹，影响填料的抗摔强度。因此，当尺寸参数基本确定后，如果对机械强度有更高要求时，材料优选与工艺优化显得更加重要。
4.2填料的抗压性能测试
抗压实验测得的PLA材料的抗压强度为60MPa，实际强度根据材料生产厂家配方不同略有差别，经过抗压性能测试，填料压溃时所受压力与材料抗压强度基本一致。
结合以上所说的，（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。
参考文献
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[2]刘双.核阀密封面无钴镍基合金涂层材料及熔覆工艺研究[D].苏州大学，2010.
[3]魏宏璞.核阀密封面无钴铁基合金及激光涂层性能研究[D].苏州大学，2010.
论文作者:董国成,李娇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/25
标签：填料论文; 阀门论文; 石墨论文; 核电站论文; 核电论文; 材料论文; 柔性论文; 《建筑学研究前沿》2018年第18期论文;