核级石墨密封垫片压缩回弹性能研究

摘要

随着核电、化工、航天等行业的蓬勃发展，一旦螺栓-法兰-垫片密封结构、反应堆冷却剂管道燃料棒和压力容器等关键部件发生失效行为，将不可避免地引起泄漏、爆炸等事故。这对密封结构的可靠性提出了更高要求和更大挑战。垫片是一种用于机械设备、管道的密封元件。大多数以流体作为介质的系统均需要垫片参与其密封过程以保持内外部的封闭状态。而垫片的压缩回弹性能是用于评价其密封性能好坏的重要指标。本文以核电密封系统中广泛应用的石墨密封垫片为研究对象，开展了垫片的压缩回弹性能试验研究，揭示了影响垫片压缩回弹性能的相关因素和作用机理，为核电密封系统的正常运行提供坚实的数据支撑。　　本文针对试验需求，通过配置高温试验电炉、GW-1200B温度控制箱、外加压头等设备对MTS809试验机进行配套升级，通过合理的试验设计，实现了标准核级石墨密封垫片压缩回弹性能试验，研究了核级石墨密封垫片的压缩回弹性能，通过对比压缩回弹曲线和压缩率、回弹率，初步探明了加载方式、工作温度和垫片尺寸等参数对核级石墨密封垫片压缩回弹性能的影响规律。随后，基于Matlab软件采用回归分析的方法对垫片的压缩回弹性能进行表征。最后，通过Ansys软件建立螺栓-法兰-垫片结构有限元模型，研究密封结构的受力与变形情况。本论文的主要内容如下：　　1.采用试验方法绘制了核级石墨密封垫片的压缩回弹曲线，计算了垫片的压缩率和回弹率。结果表明：(1)核级石墨密封垫片具有较好的压缩回弹性能，其压缩回弹过程呈现显著的非线性。(2)由于门槛应力的存在，当密封结构发生金属与金属接触后，压缩回弹曲线急剧上升，垫片对工作应力的敏感度大大降低，从而保证了垫片在服役期间的稳定。(3)当垫片承受高于门槛应力对应的载荷值时，垫片的回弹性能主要取决于金属限制环。　　2.给出了垫片在不同加载方式、不同工作温度和不同垫片尺寸等因素下的压缩回弹曲线，依次对比了其压缩率和回弹率。结果表明:(1)采用分级加载的加载方式使得垫片的最大压缩量明显提升，而垫片的回弹率大幅下降。(2)垫片的尺寸越大，其压缩率、回弹率均越大，但门槛值越低。(3)高温工作环境下，作为垫片密封环填充材料的石墨发生软化，使得垫片的压缩率、回弹率均随温度升高而增大，仍显现出较好的压缩回弹性能。　　3.采用Matlab软件对垫片的压缩回弹相关试验数据进行数值分析，对比不同拟合方程给出了能够较好表征垫片压缩回弹性能的方法，并在此方法的基础上提出了考虑温度和尺寸影响的核级石墨密封垫片的压缩回弹特性方程，对比试验数据发现，以温度、垫片尺寸为参数的压缩回弹特性方程能够较好地表征垫片的压缩回弹性能。　　4.采用Ansys软件建立了可供工程实际应用的螺栓-法兰-垫片密封结构的三维有限元模型，分析了在预紧力作用下密封结构各部分的受力和变形情况，并进一步验证了压缩回弹特性方程的正确性。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1 概述

1.2 垫片密封机理

1.3 核级密封垫片分类

1.4基于试验方法和有限元分析法的垫片力学性能研究现状

1.4.1 金属-金属接触型垫片研究现状

1.4.2 其他类垫片研究现状

1.5基于数值分析方法的垫片性能特性方程研究现状

1.6 论文主要研究内容

第2 章 核级石墨密封垫片压缩回弹性能试验

2.1 试验装置

2.2 试验试样

2.3 试验条件

2.4 试验步骤及结果处理

2.5 核级石墨密封垫片压缩回弹性能分析

2.6 本章小结

第3 章核级石墨密封垫片压缩回弹性能影响因素分析

3.1 加载方式对垫片压缩回弹性能的影响

3.1.1 一次性加载

3.1.2 分级加载

3.1.3 一次性加载与分级加载对比

3.2 温度对垫片压缩回弹性能的影响

3.3 尺寸对垫片压缩回弹性能的影响

3.4 本章小结

第4 章 核级石墨密封垫片压缩回弹性能表征

4.1 拟合方法

4.2 常温下垫片压缩回弹曲线拟合

4.3 考虑温度影响下垫片的压缩回弹曲线的拟合与表征

4.4 考虑尺寸影响下垫片的压缩回弹曲线的拟合与表征

4.5 本章小结

第五章 预紧工况下螺栓-法兰-垫片密封结构有限元分析

5.1.1 螺栓及螺母结构与材料属性

5.1.2 法兰结构与材料属性

5.1.3 垫片的材料参数

5.2.1 单元选用

5.2.2 网格划分

5.3.1 预紧力计算

5.3.2 边界条件

5.4.1 垫片压缩回弹特性方程验证

5.4.2 法兰的应力与位移分析

5.4.3 螺栓与螺母的应力分析

5.4.4 垫片密封效果评价

5.5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目

一、攻读硕士学位期间发表的论文

二、攻读硕士学位期间参与的科研项目