核电站蒸汽发生器排污扩容箱人孔泄漏原因分析

卜 俊，李江华，尹 哲

（江苏核电有限公司，江苏连云港 222000）

1 项目背景

2019 年4 月23 日，某核电站运行人员巡检过程中发现蒸汽发生器排污扩容箱所在房间顶层上存在大量凝结水。该房间被钢格栅分为三层，三层隔间存在明显的温度梯度，平均温差在10左右，最高温度在第三层，平均温度在60左右。排污扩容箱底座在第二层，人孔法兰在第三层。通过检查发现排污扩容箱人孔保温处有较强气流，拆除扩容箱人孔保温后，在人孔密封法兰90和180位置各发现一处泄漏点。下面将对排污扩容箱人孔泄漏原因进行分析。

2 结构功能及参数

排污扩容箱是一个直立的容器，总高4.3 m，体积3.5 m3。从蒸汽发生器的定期排污和连续排污管线来的汽水混合物，在其中进行蒸汽和水的分离。扩容箱内的正常液位是0.3～0.4 m，在液位高于0.62 m 时设置了保护逻辑。扩容箱内工作压力为0.9～1.0 MPa，设计压力1.2 MPa，为了防止扩容箱超压，设置了安全阀，整定全开压力为1.38依0.07 MPa。扩容箱运行温度为179～183，设计温度为190，设备总重2520 kg。

排污扩容箱壳体采用的是20K-3 碳钢，人孔法兰采用的是20 号钢，人孔顶盖材质是20K-3 碳钢，法兰螺栓采用的是35 号碳素结构钢，螺栓垫片采用的是35X 结构合金钢。人孔密封垫片采用芳纶碳纤维板材自制垫片，规格455 mm400 mm3 mm。

3 原因分析

法兰泄漏是核电、石油、化工等企业流程装置中长期存在的问题，各企业通过提高设备的可靠性，改善设备密封条件，改良紧固方法等各种方式，是减少泄漏、完善泄漏处理的手段。

影响法兰密封的主要因素包括设备的运行条件、密封面特性、法兰及螺栓的机械性能、垫片的质量和性能及螺栓预紧力大小及施加顺序等。据英国海上操作者协会（UKOOA）对失效的法兰统计失效的原因，81%的泄漏是由于不正确的螺栓载荷造成的，因此控制螺栓预紧力的精度和均匀性是防止法兰泄漏的关键。

下面将从法兰结构形式、螺栓强度、螺栓预紧方式、垫片质量方面对法兰泄漏原因进行分析。

3.1 法兰结构

蒸汽发生器排污扩容箱法兰密封结构为法兰盖式，密封结构形式凹凸法兰（图1）。

图1 蒸汽发生器排污扩容箱法兰密封结构示意

按照化工行业标准HG 20622—2009，公称直径在15～600 mm，均可以采用该类密封结构，最高适用的公称压力为26 MPa“class1500”。蒸汽发生器排污扩容箱法兰直径为536 mm，设计压力为1.2 MPa。

因此，法兰结构满足使用要求。

3.2 螺栓强度校核

首先考虑对法兰螺栓进行强度校核，排除因螺栓超屈服极限后产生塑性变形导致法兰泄漏。

按照规程/程序要求[1]，蒸汽发生器排污扩容箱人孔密封力矩为84 N·m。下述对螺栓预紧力大小进行校核：

预紧状态下垫片需要的最小的压紧力：Fa=3.14Dby=0.277106N。

工作情况下需要的最小垫片压紧力：FP=6.28DbmP=61 324 N。

最小螺栓载荷力：W=F+FP=0.233106N。

垫片最小压紧力值为max{Fa，W}，即等于Fa。

因此，单颗螺栓上受力Fn=Fa/n=0.013 85106N。

其中，b 为垫子有效密封宽度，单位为mm，当b0=0.5 N（垫片宽度）6.4 mm 时；y 为垫子的密封比压，经查询为=20 MPa；D 为垫片压紧力作业中心圆直径，单位为mm，当b06.4 mm 时D 等于垫片外径减去2b；P 为设备内压力（设计压力），取1.2 MPa；m 为垫片系数，经查询合成纤维垫和柔性石墨复合垫（规格：455mm400 mm3 mm）其值都为2。K 为紧固力矩系数，取值为0.1～0.3，根据螺栓润滑情况进行选择，油润滑选0.2；d 为螺栓的公称直径，20 mm；n 为螺栓数量，n=20。

另外，参照机械手册经验公式，每颗螺栓的紧固力矩T=KFad/n=55.4 N·m。

根据上述计算，实际人孔密封力矩值84 N·m，考虑了1.5倍的安全系数，满足人孔密封要求。

螺栓强度计算，一般考虑取屈服强度的0.6 倍，作为安全范围：

由于F>Fn，因此螺栓强度满足要求。

由于螺栓采用的M20 标准件，其螺纹强度无需进行计算。

蒸汽发生器排污扩容箱人孔密封采用的是力矩法，最终力矩84 N·m（设备图纸文件给出的建议力矩值），满足螺栓强度要求，且满足密封要求。

3.3 螺栓预紧方式

蒸汽发生器排污扩容箱人孔预紧力施加是按照力矩值进行密封，分3 次（25 N·m，50 N·m，84 N·m）按照“十字交叉”即“星形拧紧”方法进行紧固后，再以最终力矩值顺时钟紧固，直至螺栓无法拧动为止[2]。根据美国ASME PCC-1 推荐采用“十字交叉”方法进行法兰紧固（图2）。其中，圆圈内是螺栓编号，圆圈外虚线圆的部分为螺栓紧固的序号。

华东理工大学刘雁以8 颗螺栓的法兰为例，按照“十字交叉”紧固的方法，对每一颗螺栓施加预紧力进行有限元分析[3]。整个螺栓预紧力施加分为5 轮，最终力值为37 975 N（表1）。

从表1 可以看出，按照“十字交叉”的方法经过5 轮螺栓紧固后，所有螺栓的螺栓预紧力较为均匀，且都能达到目标值的93%以上。如果再经过1～2 轮，所有螺栓的预紧力将到达目标值。

图2 ASME PCC-1 螺栓紧固顺序

表1 预紧力施加数据

因此，按照“十字交叉”法对螺栓进行紧固能够满足密封的要求。

3.4 密封材料分析

蒸汽发生器排污扩容箱密封元件采用的是芳纶板材自制的密封垫片。芳纶板材成黑色，主要成份为芳纶纤维（5%～15%）、岩棉（5%～15%）、玻璃纤维（5%～15%）、矿物填料、丁晴弹性体、石墨，密度为1.85 g/cm3。在300条件下，垫片的应力松弛34 N/mm2；压缩率为6～12%，其回弹率大于55%；20时，弹性极限为150 N/mm2；200时，弹性极限为50 N/mm2，其氯含量小于10010-6。蒸汽发生器排污扩容箱人孔密封垫材料是芳纶板材，板材资料上描述，其适用温度可高达440，压力10 MPa。

3.4.1 外观分析

将蒸汽发生器排污扩容箱人孔保温拆除后，发现人孔3 点钟方向和9 点钟方向各有一处泄漏点，漏气成喷射状，且在人孔法兰间隙中发现有黄色附着物，判断应该为密封垫材料，出现密封垫材料损失的情况（图3）。这使得通过螺栓预紧力校核的方式无法实现重新密封。

图3 人孔法兰间隙黄色附着物

打开扩容箱人孔盖板后，发现人孔密封垫泄漏位置存在贯穿性裂纹，且垫片内侧存在有多处向外延伸的裂纹（图4）。

从垫子情况分析，泄漏位置的裂纹也应该是由内向外进行扩展的。

另外，在泄漏位置密封垫外边缘处出现了减薄，减薄位置厚度2.7 mm，减薄宽度约为8 mm。从垫片的特性上看，人孔法兰密封垫严重脆化，垫片的延展性降低；未出现裂纹的位置断开后，断面仍成淡灰色；泄漏位置断口颜色由原来的淡黄色变成灰色，出现明显碳化的情况，且垫片出现了明显分层（图5）。

图4 人孔法兰密封垫

图5 密封垫截面

清理蒸汽发生器排污扩容箱人孔处旧密封垫，在密封面上未发现异物。对密封面进行了清理后，检查密封面，未发现有明显的缺陷。

3.4.2 密封垫性能分析

后续对3 种厚度的芳纶板材进行了P（压力）—T（温度）实验，绘制曲线如图6 所示。可以看出，随着温度的增加板材耐压程度越来低；板材越薄，其耐压性能越好；温度达到一定温度后，该材料垫片无法承受压力。

图6 芳纶垫P—T 曲线

排污扩容箱人孔密封垫使用的是3 mm 芳纶板材，从上图中可以看出温度在180左右时，该密封垫无法保证密封。而排污扩容箱工作温度为179～183，正好在危险温度附近。

综上所述，通过对蒸汽发生器排污扩容箱人孔法兰结构、强度、螺栓预紧力施加方式及密封垫材料分析，得出导致泄漏的主要原因是人孔所使用的芳纶密封垫在180高温条件下发生了脆化，无法在180，0.9 MPa 的工作环境下保证人孔法兰密封。

4 采取措施

针对蒸汽发生器排污扩容箱人孔密封垫问题，已将人孔密封垫由3 mm 厚的芳纶板材自制垫替换为3 mm 厚的石墨金属加强垫，其P—T 试验曲线如图7 所示。在500时，3 mm的石墨金属加强垫能承受超过12 MPa 的压力，180环境下能承受14 MPa 以上的压力，因此能满足蒸汽发生器排污扩容箱人孔密封需求。人孔法兰密封力矩值由原来的84 N·m 变为150 N·m，按照3.2 步骤重新对螺栓进行核算，螺栓强度满足要求。对扩容箱人孔密封垫进行更换，设备投入运行后状态良好，未再发生人孔泄漏故障。

图7 石墨金属加强垫P—T 曲线

5 总结

据不完全统计，法兰泄漏的81%都是由法兰螺栓紧固问题导致，但也不能忽视其他原因，如：法兰结构形式选择，螺栓强度是否满足预紧力需要，螺栓预紧方式、垫片质量以及由于法兰所处工况条件变化带来的螺栓预紧力松弛等。

对排污扩容箱拆下的旧密封垫进行测量，其厚度2.9 mm，仅仅压缩了0.1 mm，压痕较为均匀。由此计算，压缩率仅为3.3%，相比该类垫片（芳纶碳纤维板材）参考值压缩率14%～24%相差很远，排污扩容箱泄漏人孔的密封垫压缩率远未达到垫片参考的压缩率。在螺栓紧固过程中，扭矩一部分用于克服螺栓端面的摩擦，另一部分用于克服螺纹的摩擦，剩余部分才能转化为法兰螺栓预紧力。因此，在扭矩预紧螺栓过程中，由于螺栓螺纹的润滑情况，螺母端面润滑情况，接触面粗糙程度以及人为力矩使用不当造成的虚假力矩等因素，导致最终螺栓预紧力比理论值小，影响法兰密封的有效性。为了减少由于上述因素造成法兰螺栓预紧力不足的情况，建议采用扭矩进行法兰密封时，测量法兰间隙、计算垫子压力率作为参考。

在无法给出法兰密封扭矩值采用密封垫参考压缩率作为法兰密封条件时，建议采用扭矩扳手进行操作，防止同一轮螺栓预紧力施加过程中存在差异，影响密封效果。

通过华东理工大学刘雁对“十字交叉”法紧固螺栓的有限元计算分析，在完成5 轮螺栓预紧力施加后，有一部分螺栓的螺栓预紧力不能达到目标值情况。因此，在实际操作过程中需要继续紧固螺栓，直至所有螺栓达到目标值。