反应堆一回路闸阀的中法兰密封性能研究

摘要

闸阀是反应堆一回路中的重要设备，在核电和船用核动力装置中的应用非常广泛。反应堆一回路处于高温、高压和有辐射的恶劣工作环境中，受各因素的影响，闸阀的中法兰密封副极易因材料属性改变造成应力松弛而导致泄漏事故。因此，对闸阀的中法兰密封副采取合理的优化措施避免泄漏事故的发生是当前核工业行业一个重要的研究方向。
　　本文从无垫片法兰密封结构的预紧方式和预紧力大小来开展核用阀门的密封性能研究，基于应变电测和弹性交互作用原理，提出了法兰螺栓的最佳预紧方案;进行厂测实验，以厂测实验数据为依据，验证了有限元分析结果的正确性;通过稳态热力学和瞬态热力学的分析，确定了保证中法兰密封性能所需预紧力的范围。论文的主要工作如下:
　　(1)概述了法兰密封研究的现状，介绍了影响法兰密封的几种因素，针对闸阀中法兰所处高温高压环境，结合近年来国内外法兰密封常采取的措施，确定以预紧力和预紧方案为主要影响因素来研究改善中法兰的密封性能。
　　(2)搭建螺栓预紧实验台，基于应变电测原理和弹性交互作用原理对无垫片中法兰样件进行了三种不同方案的预紧实验，对比三种方案的实验数据，确定了中法兰预紧的最佳方案。
　　(3)对中法兰实验样机进行了厂测实验，测量不同扭矩预紧下的螺栓应力和工作压力下的应力变化，为评定有限元结果的正确性提供实验基础。
　　(4)基于ANSYS有限元分析，根据理论计算的螺栓预紧力进行稳态热分析和稳态耦合场分析，验证在稳定工作状态下理论预紧力是否可以保证法兰的密封性能，确定温度对密封性能的影响。
　　(5)基于稳态热分析的基础上，使用理论预紧力进行中法兰密封副的瞬态热分析和瞬态耦合场分析，确定引起泄漏的原因并对预紧力大小进行优化，以许用密封比压和螺栓许用应力为优化条件，确定保证密封的最小和最大预紧力，并进行分析验证密封效果与强度要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 法兰密封的研究现状

1．3 高温法兰密封的研究现状

1．4 本文研究目的和主要内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

第2章 中法兰密封方案的确定

2．1 法兰的泄漏与密封原理

2．2 影响法兰密封性能的因素

2．3 高温高压下闸阀中法兰泄漏原因分析

2．4 闸阀中法兰密封方案论证

2．4．1 无垫片刚性密封结构方案

2．4．2 有垫片刚性密封结构方案

2．4．3 密封焊中法兰密封副结构方案

2．5 本章小结

第3章 中法兰螺栓预紧方案的实验研究

3．1 螺栓的弹性交互作用

3．2 实验原理及方案

3．2．1 电阻应变仪测量工作原理

3．2．2 实验对象

3．2．3 顺序加载与对角加载实验方案

3．2．4 ASME-PCC-1加载方案

3．3 实验步骤

3．4 实验结果分析

3．4．1 实验测量结果

3．4．2 三种预紧方案的载荷分布

3．4．3 三种预紧方案分析

3．5 本章小结

第4章 中法兰螺栓应力测量实验

4．1 系统布置

4．2 常温螺栓预紧应变应力测试

4．2．1 测试过程

4．2．2 有效数据取合处理

4．2．3 弯矩引起的应力分析

4．3 压力测试与数据处理

4．4 预紧扭矩与预紧力的关系

4．5 本章小结

第5章 中法兰的稳态温度场和耦合场分析

5．1 热分析的基本原理

5．1．1 热分析与热传递

5．1．2 稳态传热

5．2 中法兰密封性分析的前处理

5．2．1 中法兰的理论预紧力计算

5．2．2 材料选择添加

5．2．3 中法兰有限元计算的简化

5．2．4 接触设置与网格划分

5．2．5 中法兰稳态热力学分析的约束

5．3 中法兰系统的稳态温度分析

5．4 中法兰稳态温度场耦合场的数值计算

5．4．1 中法兰预紧力下的静应力分析

5．4．2 中法兰预紧力下和工作压力下的应力分析

5．4．3 中法兰的热应力耦合场分析

5．5 有限元分析结果有效性分析

5．6 稳态高温下的中法兰密封性能评估

5．7 本章小结

第6章 中法兰瞬态温度场和耦合场分析

6．1 中法兰瞬态温度场分析

6．1．2 热约束设置

6．1．3 瞬态温度场分布

6．2 瞬态温度场下耦合场应力分析

6．3 预紧力的优化

6．3．1 最小预紧力

6．3．2 最大预紧力

6．4 推荐方案确定

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢