金属O形环已在核电行业广泛应用,在反应堆压力容器中起到阻止内部高温、高压及含放射性冷却剂泄漏的作用。在反应堆压力容器中常采用Inconel 718合金自紧式O形环进行密封,其具有预紧力小、压缩量大和回弹密封性能好的优点。以往通常采用各工况下金属O形环回弹量与上、下法兰错开量之间的关系来间接反应密封设备的密封性能。密封的目的是防止泄漏,而绝对不漏是不存在的,只是泄漏程度的大小不同而巳,本文采用泄漏率来直接反应金属O形环的密封性能。因此,本文针对金属O形环的泄漏模型进行研究,主要研究工作和结论如下:(1)对密封间隙中流体的流动状态、泄漏通道结构型式以及现有典型泄漏模型进行了分析;并结合金属O形环的适用压力范围、密封间隙大小及其金属材质等特性,提出基于金属平垫片密封模型来建立金属O形环密封结构的泄漏模型。(2)简单介绍了分形理论和分形维数的基本概念以及粗糙表面轮廓的分形表征;着重分析了密封粗糙表面微凸体的变形机制,以及法兰与金属O形环密封粗糙表面接触分形模型;并建立了更接近实际情况的密封面平均压紧应力与真实接触面积的关系。(3)对金属O形环密封结构的泄漏率进行了计算。首先应用有限元软件和数学软件对金属O形环密封面接触宽度和平均接触应力进行了有限元分析和回归分析,得到了接触宽度、平均接触应力与金属O形环压缩率的关系;再结合真实接触面积与压紧应力的关系及分形参数和修正参数:最后基于金属平垫片密封模型,计算出金属O形环密封泄漏率。并对泄漏率计算值与现有试验值进行对比分析,发现计算值与试验值相差几个数量级,计算结果远大于试验结果。分析可能是泄漏计算中采用的金属平垫片的分形参数和修正参数所致,因此,需要进一步探讨接触参数对泄漏率的影响。(4)采用数学软件分析了泄漏模型中分形参数和修正参数对泄漏率的影响,结果表明分形维数D、尺度系数C和修正参数C1对泄漏率的影响程度远小于修正参数C2。因此,保持其余参数不变,在金属O形环压缩率为1 0%时,对修正参数C2进行调整,使泄漏率计算值与现有试验值差距减小到一个量级以内;再采用调整后的参数计算不同压缩率下的泄漏率进行验证分析。验证结果表明,不同压缩率下泄漏率的计算值与试验值均在同一量级;说明调整参数后的泄漏模型可为金属O形环泄漏率的预测提供参考。(5)采用调整参数后的泄漏模型对某核电能量转换单元压力壳上部密封组件和下部密封组件进行了泄漏率计算。按压力壳设计参数,应用有限元软件对密封元件外环密封面接触宽度和平均接触应力进行了有限元分析和回归分析,并结合修正后参数计算出压力壳在设计压力下的泄漏率。计算结果:上部密封元件外环在设计压缩率为12%、环境温度为125℃及设计压力为7MPa的工况下,泄漏率为1.09×10-9MPa·cm3/s;下部密封元件外环在设计压缩率为12%、环境温度为350℃及设计压力为8MPa的工况下,泄漏率为1.11×10-7MPa·cm3/s。本文泄漏率按严格要求限制在1 0-7 MPa·cm3/s以下,因此,上部密封结构和下部密封结构在严苛工况下满足要求。由此可见,本文泄漏预测模型可为密封结构的设计、制造和运行提供率参考。