核电站不同型式高温法兰及密封计算分析研究.pdf

FANG Xiao-lu法2-3 。本研究以 FF 型法兰和 RF 型法兰两种不同结构的法兰为例,分别运用ASME III-2017,核设施部件建Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.03.016核电站不同型式高温法兰及密封计算分析研究方晓璐（中国核电工程有限公司，北京10 0 8 40)摘要：针对某基于ASME标准设计的核电站反应堆压力容器双道金属密封高温法兰的设计需求，给出两种不同结构型式的高温法兰（FF和RF型法兰)的密封预紧载荷和法兰受力校核的计算方法,并对两种不同结构型式法兰的密封螺栓预紧力、螺栓截面、法兰受力等计算结果进行分析比较；另外考虑了高温和低温法兰设计的区别、有无外载荷以及不同密封形式的影响，分别进行了考虑高温、外载荷存在和双道金属线密封的法兰螺栓计算的优化,其设计理念、计算方法可供核电站用其他高温法兰借鉴。关键词：ASME；核电站；高温；法兰；密封中图分类号：TB42Abstract:In response to the design requirements of a dual channel metal sealed high-temperature flange for a nuclear power plant reactorpressure vessel based on ASME standards,a calculation method for sealing preload and flange force verification of two different structural typesof high-temperature flanges(FF and RF flanges)is provided.The calculation results of sealing bolt preload,bolt section,flange force,etc.oftwo different structural types of flanges are analyzed and compared;In addition,the differences in the design of high-temperature and low-temperature flanges,the presence or absence of external loads,and the influence of different sealing forms were considered.The optimization offlange bolt calculations considering the presence of high-temperature and external loads,as well as dual metal wire sealing,was carried out.The design concept and calculation method can be used as a reference for other high-temperature flanges used in nuclear power plants.Key words:ASME;nuclear power plants;high-temperature;flange;sealing0引言核电站反应堆压力容器作为承压边界，密封高温高压含放射性的一回路冷却剂并维持其压力，同时作为核电站的一道安全屏障，燃料元件破损后起着防止裂变产物外逸的功能，这也就决定了反应堆压力容器必须要保证其法兰连接密封的可靠性。反应堆压力容器法兰连接密封以及密封监测的实现，主要靠主螺栓组件和双道金属密封环 实现。反应堆压力容器法兰的连接失效会直接影响安全性、经济性和环境等。根据法兰结构的不同,ASME标准中分别有不同的螺栓预紧、密封压紧力及法兰计算方收稿日期：2 0 2 3-0 7-2 6作者简介：方晓璐(19 9 0-）,女，河南许昌人，工程师,硕士,现从事核电站堆本体与非标设备设计研究工作。文献标志码：BAnalysis and Calculation on Different Types of High TemperatureFlanges and Seals for Nuclear Power Plants(China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100840,China)文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 3-0 0 8 9-0 5造规则第1册,附录L和附录XI中的法兰螺栓计算方法从螺栓预紧、密封、法兰受力等方面对核电站某高温反应堆压力容器不同型式法兰的计算进行了解析。本研究所研究反应堆压力容器法兰其运行工况为高温高压，温度高达50 0，且有较大的轴向力和弯矩等外载荷存在。另外该研究法兰为线密封型式的双道金属密封环，这与工程中应用较多的面密封垫片的密封原理和密封压紧力计算4-6 也有所不同。针对所研究法兰的这些特殊性,考虑到高温对材料的影响7 、外载荷存在对密封预紧载荷和螺栓截面的影响8 以及双道线密封载荷与面密封9 的不同，对ASMEI-2017第1册,附录L和附录 XI中的法兰螺栓计算方法,通过引人高温修正系数、当量设计压力、双道密封环压紧力计算等进行相应优化及计算分析研究，从而提高了高温89液压气动与密封/2 0 2 4年第3 期反应堆压力容器法兰螺栓和密封设计的安全性和可靠性。1主要技术参数某四代融合型高温气冷微堆核电站反应堆压力容器法兰的主要技术参数如表1所示。表1法兰主要技术参数参数设计压力/MPa设计温度/法兰材料螺栓材料法兰内径/mm法兰外径/mm2不同型式法兰结构及对应计算方法2.1FF型法兰（接触面在螺栓圆外)ASMEIII-2017核设施部件建造规则第1册，附录L的法兰螺栓计算方法,适用于直接用螺栓连接,或用以技术垫层隔开,使法兰在初始压紧后,法兰与法兰之间为金属对金属的接触，该种法兰在螺栓圆外有接触，其接触位置如图1所示。1)结构型式Ms+MpHe=hc由Hp,Hr,Hc产生的力矩：Mp=H,hp+Hha+Hchc由法兰-颈部相互作用引起的法兰力矩（根据附录L-3242,1组1类法兰组件的分析）：M,=+J.F-JpFMp数值(hDhc+TBBa3.3(表压)1(2 hbJs500设计工况所需螺栓最小截面积：316HAr=W71823502920(5)(6)(7)(8)h+TBB(+a其中为垫片系数，为垫片最小设计压紧应力，6为垫片有效密封宽度，G,垫片载荷作用力处的直径；p,设计压力;hc,螺栓圆至法兰衬垫或法兰与法兰切向接触处与螺栓圆之间的径向距离;t,法兰厚度,Sb,为螺栓在设计温度下的许用应力。2.2RF型法兰（密封点在螺栓圆内）ASMEII-2017核设施部件建造规则第1册，附录XI的法兰螺栓计算方法，适用于垫片完全在螺栓孔包围圆内的圆形法兰，该种法兰的密封点在螺栓圆以内,其接触位置如图2 所示。1)结构型式(9)(10)图2 RF型法兰示意图Hc图1FF型法兰示意图2）计算方法W=H+Hc+Hc其中，总流体静压端部力：H=C.P4垫片密封所需要的压紧力Hc为：Hc=TGby或Hc=2Gbmp在法兰接触处法兰间的接触力：902）计算方法根据ASME附录XI,RF级法兰螺栓预紧力的计算方法，设计工况下螺栓预紧力公式为：(1)WR=Max/Wml,Wm2l其中,Wml,设计工况下的螺栓预紧力：WmI=H+Hp(2)H,设计压力作用于垫片反作用直径范围面积的流体静压端部力：(3)H=0.785G p(4)Hp，密封情况下垫片上所需的压紧载荷：Hp=TGby(11)(12)(13)(14)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024或Hp=2Gbmp其中,m为垫片系数，y为垫片最小设计压紧应力，b为垫片有效密封宽度，G为垫片载荷作用力处的直径;p为内部设计压力；S，为螺栓在设计温度下的许用应力。其中,Wm,垫片压紧工况下的螺栓预紧力：Wm2.=Hp设计工况所需螺栓最小截面积：WRAR=S.3计算优化3.1考虑外载荷后的计算优化ASME-BPVC-III第1册，附录L和附录XI中两种计算方法,均未考虑外部弯矩和轴向力对法兰的作用，在外部弯矩M,和轴向力F。的外载作用下，法兰有分开的趋势并且会影响法兰的密封,将弯矩和轴向力的作用等效转化为相应的内压，即设计压力p用当量设计压力Pq来代替。M,Peq=16TC3+4TG2因此,将当量设计压力Peg计入式(2)和式(12)中的p值,这样对于核电站反应堆压力容器法兰来说,螺栓预紧力和法兰的密封设计会更接近实际工况，安全性更高。3.2考虑高温影响后的计算优化ASME-BPVC-III第1册，附录L和附录XI中两种计算方法，适用范围均为低温下（奥氏体不锈钢用于425以下，碳钢用于3 7 0 以下），没有考虑温度对螺栓材料的影响，该文所设计法兰，设计温度为50 0，高温会对螺栓和法兰材料的性能产生较大的影响。对法兰螺栓预紧力和法兰受力的计算进行高温工况下的优化。由于高温后螺栓的弹性模量会变小,刚度指数变大,对螺栓的抗拉性能产生不好的影响,因此对螺栓预紧力式(1)和式(11)进行修正,考虑温度影响修正系数,式(1)和式(11)需乘以修正因子会,其中E。为螺栓在常温下的弹性模量,E为螺栓在设计温度下的弹性模量。考虑了高温对反应堆压力容器法兰螺栓的影响后，高温法兰螺栓载荷及垫片的密封会更加可靠。3.3密封垫片的计算优化ASME-BPVC-II第1册,附录L和附录XI中法兰计算方法中，密封垫片的最小压紧力计算公式如式(15)(16)(17)(18)+PEE（3）、式（4)或式（14）、式（15)所示,其中m,y均为垫片本身的材料性能,已知垫片最小设计压紧力y,可采用式(3)或式(14)计算,已知垫片系数m,可采用式(4)或式(15)计算。但是该种计算垫片密封压紧力的方法只适用于密封形式为面密封的垫片，该文采用密封形式为线密封的双道金属密封环,因此其密封压紧力Hp计算应该采用如下公式：Hp=TGN.2(Gi+G2)G=2其中,G为双道密封环的平均作用力直径,G,为内密封环的作用力直径,G为外密封环的作用力直径,N为密封环的线压紧载荷。该种密封压紧力的计算方法与密封环实际密封原理一致,对密封载荷的评估更加可靠。4计算结果对比4.13种不同型式法兰的计算结果对比对FF和RF型法兰分别采用不同的计算方法进行计算,其中,两种法兰密封压紧力载荷均采用4.3 节所示的方法进行计算。通过对图1、图2 所示结构法兰分别按照ASME-I第1册附录L和附录XI进行计算，其计算结果见表2 表4。表2 螺栓最小截面积及螺栓规格所需最小螺栓截面积/mmFF法兰301800RF法兰107100表3 设计工况的螺栓载荷及单根螺栓预紧力设计工况所需单根螺栓的螺栓设计工况下螺栓载荷/kN预应力/MPaFF法兰49570RF法兰24200从表2 表4结果分析,用ASME附录L和附录XI计算,在某整体法兰结构尺寸相同的状况下,附录L计算所需螺栓截面比较大,其螺栓根数和规格也相应较大;用附录L计算的法兰螺栓载荷也较大；但是用附录L计算的法兰纵向、径向和切向应力较小。因此,用附91(19)(20)所需最小螺栓数量及规格48 M10040 M70许用应力/MPa194.61226178.59226表8 考虑高温后螺栓最小截面积及螺栓规格计算对比mm?液压气动与密封/2 0 2 4年第3 期录L计算的 FF型法兰,由于考虑了金属对金属的螺栓圆外接触应力，因此法兰密封工况下所需螺栓载荷更大,其对总的螺栓截面和螺栓自身的强度要求更高；但是由于其接触面积比 RF 型法兰更大,因此 FF 型法兰相对RF型法兰来说其颈部受力更好。表4法兰受力计算法兰纵向应法兰径向应法兰切向应力SH/MPa力SR/MPaFF法兰26.50RF法兰118.6法兰验收许132用力/MPa4.2考虑外载荷后的计算结果对比对FF和RF型法兰，用当量设计压力Peg代替设计压力p,其计算结果见表5 表7。表5考虑外载荷后的螺栓最小截面积对比所需最小螺栓截面积FF法兰301800RF法兰107100表6 考虑外载荷后的设计工况螺栓载荷及单根螺栓预紧力对比单根螺栓的考虑外载后单根螺螺栓设计工况下预应力栓的预应力FF法兰194.61RF法兰178.59表7 考虑外载荷后的法兰受力计算考虑外载后的考虑外载后的考虑外载后的SHSRFF法兰29.32RF法兰123.51法兰验收许132用力/MPa92从表5 表7 结果分析，考虑外载荷影响后，螺栓最小计算截面和螺栓载荷约增加了5%，螺栓受力和法兰密封均满足要求，使得螺栓预紧力计算更符合实际运行工况，提高了有外载荷作用下法兰螺栓设计的安全可靠性。4.3考虑高温影响后的计算结果对比考虑高温对材料的影响后，分别对各法兰的最小螺栓截面和单根螺栓预应力进行计算对比，其结果见力ST/MPa表8、表9。4.3117.248.9067.388888mm?考虑外载荷后的最小螺栓截面积315300112500许用应力206.17226186.28226MPaST4.9618.789.4671.528888所需最小螺栓截面积FF法兰301800RF法兰107100表9 考虑高温后单根螺栓预紧力计算对比单根螺栓的考虑高温影响后单根螺栓设计工况下预应力螺栓的预应力FF法兰194.61RF法兰178.59从表8 表9 结果分析,考虑高温影响后,螺栓最小计算截面和螺栓载荷约增加了15%，螺栓受力和法兰密封均满足要求，使得螺栓预紧力更接近高温工况MPa的真实值，提高了高温下法兰螺栓设计的安全可靠性。5结论在其他结构尺寸和设计工况相同的条件下，采用ASME-II第一册附录L和附录XI中所述的两种方法对FF型法兰和RF型法兰分别进行计算对比分析,可得出如下结论：（1）采用ASME附录L进行计算的法兰螺栓载荷和所需螺栓截面较大，但是对法兰颈部受力较小,所需法兰厚度更薄采用ASME附录XI进行计算的法兰螺栓载荷和所需螺栓截面较小，但是法兰颈部受力较大，所需法兰厚度更厚。(2）考虑外载荷和高温的影响因素后，分别引人当量设计压力和高温修正系数优化计算后，可使螺栓载荷和法兰受力更接近实际运行工况的真实考虑高温影响后的螺栓截面347070123165许用应力223.8226205.4226MPaHydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024值，保证了有外载荷和高温下法兰的密封，提高了反参考文献应堆压力容器高温法兰螺栓设计的安全性和密封可1陈宝.压水堆反应堆压力容器密封主螺栓预紧过程研究靠性。J.液压气动与密封,2 0 15（5）:13-15.2ASMEBPVC-II-2017,核设施部件建造规则S.本研究所研究的四代融合型高温气冷微堆反应堆3ASMEBPVC-III-D5-2017,ASME锅炉及压力容器规范高压力容器法兰，由于其整体结构尺寸相对其它大型反温反应堆S.应堆压力容器来说相对较小，其所用法兰材料3 16 H，4严旭明.密封垫片的选型与安装J.液压气动与密封，螺栓材料7 18,相对来说7 18 螺栓的材料价格和加工成2008(4):4-6.本要比3 16 H法兰高很多；而且从反应堆压力容器开关5 励行根，励勇，励洁，等.核电站石墨密封垫片的试验研究盖对主螺栓的旋转拉伸操作来说，螺栓组件的规格和J.液压气动与密封,2 0 10(11）:2 9-3 1.数量越少,越便于操作，对反应堆压力容器螺栓拉伸机6易飞.压力容器法兰螺栓预紧力计算方法研究J.新型等专用工具的设计要求也越低；因此从经济性、安全性工业化,2 0 2 0,10(7):59-6 1.7ASMEBPVCII-2017,ASME锅炉及压力容器规范第I卷和操作便利性综合考虑，本研究所研究的高温气冷微D篇材料性能S.堆反应堆压力容器采用了对螺栓截面和螺栓载荷要求8陆征，崔秀君.内压及外载荷作用下的法兰计算方法介绍较低、法兰厚度较厚的RF型法兰设计，本结论也可推J.化工管理,2 0 2 0,7(14):151-152.广应用到相应其它核电站堆型的高温法兰的设计应9李建刚,顾春辉.法兰螺栓预紧力计算优化J.阀门,用中。2022(1):12-14.引用本文：方晓璐.核电站不同型式高温法兰及密封计算分析研究J.液压气动与密封，2 0 2 4,44（3）：8 9-9 3.FANG Xiaolu.Analysis and Calculation on Different Types of High Temperature Flanges and Seals for Nuclear Power Plants J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(3):89-93.+2023年液气密行业十大重要新闻由中国液压气动密封件工业协会评选的2 0 2 3 年液气密行业十大重要新闻”揭晓，该评选将行业企业本年度通过科技创新、技术进步、成果转化、转型升级、品牌建设、重要事件等促进行业高质量发展所取得的成就回顾梳理，已成为中国液气密行业最为重要的极具社会影响力的年度工作之一。液气密行业十大新闻：1.PTCASIA2023展会圆满成功3.开拓思路完善功能，做好协会平台5.行业人才担当大任，带领行业发展7.多项新品通过鉴定，紧跟市场需求9.专精特新企业辈出，争创质量品牌2.协会工作创新发展，面貌焕然一新4.协会学会协同发展，学术成果丰硕6.科技创新再谱新篇，赋能企业发展8.承担工程装备配套，勇于责任担当10.两化融合绿色发展，做好转型升级摘自中国液压气动密封件工业协会公众号关于组团参观2 0 2 4年“德国汉诺威工业博览会”和“法国巴黎国际机械与建材机械博览会”的通知为更好推动我国流体动力传动企业与欧洲企业间的经贸合作与交流，进一步巩固、开拓欧洲和国际市场。中国液压气动密封件工业协会将组织行业企业参观考察团，参观“德国汉诺威工博会”（Hannover Messe2024）和“法国巴黎国际工程机械展”（INTERMAT2024）”，并拟走访欧洲相关企业、工厂参观等，境外公务暂定10天。诚邀各有关单位报名参团，希望满足未能参展企业观展和开拓市场的需求，名额有限，欲报从速。摘自中国液压气动密封件工业协会公众号93