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[摘 要]密封性能是评价压力容器产品安全性和经济性的重要技术指标。传统的压力容器设计规范通常要求根据公称压力、工作温度和介质选用密封结构，但并没有给出定量评价密封结构泄漏率的方法。对某压力容器低泄漏率要求开展了可拆密封连接结构的选型设计与试验研究，实现高温、强腐蚀、低泄漏率可拆密封连接，泄漏率不大于1×10-7 Pa·m3/s;分析了影响结构密封性能的主要因素并从结构设计和加工制造方面提出了建议。
[关键词]密封性能;泄漏率;压力容器
[中图分类号]TH49 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）08–0–02
[Abstract]Sealing performance is an important technical index to evaluate the safety and economy of pressure vessel products. Traditional design code of pressure vessel usually requires sealing structure according to nominal pressure， working temperature and medium， but no quantitative evaluation method is given. This paper has carried out the selection design and test research of the detachable sealing connection structure for the low leakage rate requirement of a pressure vessel. The high temperature， strong corrosion and low leakage rate detachable sealing connection are realized， and the leakage rate is no more than1×10-7Pa·m3/s; The main factors that affect the sealing performance of the structure are analyzed and suggestions are put forward from the aspects of structure design and manufacturing.
[Keywords]sealing performance; leakage rate; pressure vessel
密封性能是评价压力容器产品安全性和经济性的重要技术指标。随着现代工业特别是核能工业的兴起，压力容器密封向着高温、高压、强腐蚀和低泄漏率方向发展。传统的压力容器设计规范如《GB150.1～GB150.4—2011压力容器》[1]《HG/T20583—2011钢制化工容器结构设计规定》[2]通常要求的根据公称压力、工作温度和介质选用密封结构，但并没有给出定量评价密封结构泄漏率的方法;对于常规压力容器仅对压力试验做出了明确规定，泄漏试验要求则由设计单位自行确定。参考《法兰用密封垫片实用手册》[3]，常规密封元件如缠绕垫、金属齿形组合垫密封泄漏率通常在10-3 ～10-5 Pa·m3/s量级。某核能项目压力容器要求可拆密封连接泄漏率不大于1×10-7 Pa·m3/s，按常规设计方法显然难以满足此要求。为此本文开展了低泄漏率可拆密封连接结构的选型设计与试验研究，为同类产品密封结构设计提供参考。
1 密封结构选型与设计
1.1 密封设计要求与密封结构选型
该压力容器内直径200 mm，设计温度505 ℃、设计压力1.5 MPa，介质为放射性液钠、氩气和氢气混合物，要求泄漏率不大于1×10-7 Pa·m3/s;同时要求密封连接结构方便拆装和维护。
密封结构选型要满足使用性能要求，在高温、腐蚀性介质条件下能够可靠地工作，具有符合要求的泄漏率;从经济性角度还要结构简单、拆装方便、便于检查和更换、成本低。压力容器可拆密封连接通常采用垫片-螺栓法兰连接或者焊唇密封连接;鉴于焊唇密封结构更换涉及到切割、探伤、焊接等操作，在核能领域应用较少，本文选用压力容器常用的垫片-法兰螺栓密封结构，密封元件选用金属C形环。
C形环和O形环都是核能领域常用的密封元件。O形环断面形状是O形，使用时会被压扁，从而扩大密封宽度;但为了保持密封性，必须有较大的压紧载荷。C形环克服了这个缺点，其C形断面极富弹性，即使被压縮后，其密封部位几乎不被压环，故可以较小的压紧载荷获得必须的接触密封压力，具有较高的回弹特性和优良的密封性能，在使用性能和可靠性方面优于O形环[4]。
金属C形环是一种弹簧赋能型结构，由螺旋弹簧、中间覆层和密封层组成（图1）。
当密封环工作时，螺旋弹簧发生弹性变形并对中间覆层产生反弹力，使密封层发生塑性变形并弥补法兰面微缺陷，从而达到密封效果。通过表面密封层的塑性变形和弹簧弹性变形的协同作用（图2），有效提高C形环的密封性能和补偿因温度、压力波动引起法兰变形及密封环松弛的影响[5]。
1.2 法兰密封结构设计
法兰密封结构如图3所示，下法兰开矩形槽，通过槽宽对C形环进行周向限位，同时利用槽深控制C形环的压缩量，上、下法兰通过螺栓螺母连接并施加预紧力。
1.3 C形环密封性能试验
C形环密封层采用镀银层，允许使用温度不低于600 ℃。为确保产品最终密封性能能够满足要求，要求密封环本身的泄漏率不大于1×10-9 Pa·m3/s。对C形环本身在垫片密封性能检测系统上进行检测。检测采用与产品相同材料和规格的C形环和法兰，通过圆盘工装下压施加与产品相同的线载荷，测得泄漏率不大于2.12×10-11 Pa·m3/s。 2 密封结构性能试验验证
2.1 密封性能试验方案
压力容器先进行设计压力下的气压试验，气压试验合格后再进行密封性能试验。
密封性能试验采用外部喷氦法，压力容器壳体一端与氦检漏仪相连，对容器内部抽真空，在密封C形环外侧喷入浓度>10%的氦气（图4）并静置一定时间。当C型环密封效果不能达到设计要求的泄漏率时，氦气通过泄漏处进入壳体内部，被氦检漏仪检出产生报警，同时氦检漏仪测出泄漏率。
2.2 密封性能试验结果及分析
压力容器气压试验一次合格。之后在不同的螺栓拧紧力矩下进行试验，并在试验前测量和记录法兰槽深和C形环截面直径。试验情况如表1所示。
比较试验1和试验2可以发现，在法兰槽深和C形环截面直径相同的情况下，螺栓力矩大小对密封性能有决定性的影响。这是因为金属C形环依靠接触界面的配合实现密封，接触区域大小和压力分布决定了密封环的密封效果;螺栓拧紧力矩越大，施加在C形环上的线载荷越大，接触区域越大，接触宽度越宽，介质通过接触面产生泄漏的难度越大;同时接触密封压力也越大，开启界面泄漏通道所需的介质压力越大，密封性也更好。但螺栓拧紧力矩加大会导致法兰厚度增加，使设备变得更笨重，影响经济性;螺栓拧紧力应保证C形环内圈的弹簧处于弹性变形的受力范围内，压紧力过大可能导致C形环压溃失效。
试验2测量发现，法兰四象限位置压缩量存在差异，表明螺栓加载并不均匀，故在装配时应规定明确的拧紧步骤，采用对角交叉拧紧方式以使螺栓加载均匀，确保C形环受到均匀的压缩。
试验3相对于试验1的C形环压缩量略有差异，试验后检查发现密封面存在径向加工纹路;此密封面采用平面磨获得，在径向上会存在诸多细小的发纹，这些发纹细长且具有一定深度，部分发纹贯穿了密封有效区域。故在试验4中对密封面重新进行轻微加工，以形成環形纹路，更有利于密封。
试验4采用较大的力矩进行预紧，在建立初始密封后再减小力矩，继而加载至图样规定力矩值，最终密封性能达到设计要求。这是因为采用较大的螺栓拧紧力时，C形环充分压缩，表面密封层发生大变形弥补法兰面的缺陷，使接触界面的微观泄漏通道被截止，并产生较大的接触密封压力，避免介质压力开启泄漏通道。尽管后续拧紧载荷减小会导致C形环产生回弹，由于之前已经产生了显著的塑性变形，且不随着C形环的回弹而恢复，因此仍能维持与法兰面微观形貌的接触，从而避免了泄漏通道的产生，达到比较好的密封效果。
3 结论
（1）设计了C型环-法兰螺栓密封结构，可实现高温、强腐蚀、低泄漏率可拆密封连接，泄漏率不大于1×10-7 Pa·m3/s。
（2）影响C型环-法兰螺栓密封结构密封性能的主要因素包括：螺栓预紧力、C形环压缩量（法兰槽深）、螺栓加载方式、密封面加工方式与表面质量等。
（3）为获得低的泄漏率，建议采用适当的密封槽深和螺栓预紧力以保证C形环的压缩量，同时在密封面加工形成环向纹路，螺栓对角交叉拧紧，先用较大的力矩进行预紧，在建立初始密封后再减小至图样规定力矩值。
参考文献
[1] 压力容器：GB150.1～GB150.4—2011[S].
[2] 制化工容器结构设计规定：HG/T20583—201[S].
[3] 《法兰用密封垫片实用手册》编委会.法兰用密封垫片实用手册[M].北京：中国标准出版社，2004.
[4] 易原源.金属弹性垫圈-C形环密封装置[J].机械研究与应用，1992（3）：45-46.
[5] 李文静.反应堆压力容器金属C形密封环数值模拟与实验研究[D].杭州：浙江工业大学，2016.
[关键词]密封性能;泄漏率;压力容器
[中图分类号]TH49 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）08–0–02
[Abstract]Sealing performance is an important technical index to evaluate the safety and economy of pressure vessel products. Traditional design code of pressure vessel usually requires sealing structure according to nominal pressure， working temperature and medium， but no quantitative evaluation method is given. This paper has carried out the selection design and test research of the detachable sealing connection structure for the low leakage rate requirement of a pressure vessel. The high temperature， strong corrosion and low leakage rate detachable sealing connection are realized， and the leakage rate is no more than1×10-7Pa·m3/s; The main factors that affect the sealing performance of the structure are analyzed and suggestions are put forward from the aspects of structure design and manufacturing.
[Keywords]sealing performance; leakage rate; pressure vessel
密封性能是评价压力容器产品安全性和经济性的重要技术指标。随着现代工业特别是核能工业的兴起，压力容器密封向着高温、高压、强腐蚀和低泄漏率方向发展。传统的压力容器设计规范如《GB150.1～GB150.4—2011压力容器》[1]《HG/T20583—2011钢制化工容器结构设计规定》[2]通常要求的根据公称压力、工作温度和介质选用密封结构，但并没有给出定量评价密封结构泄漏率的方法;对于常规压力容器仅对压力试验做出了明确规定，泄漏试验要求则由设计单位自行确定。参考《法兰用密封垫片实用手册》[3]，常规密封元件如缠绕垫、金属齿形组合垫密封泄漏率通常在10-3 ～10-5 Pa·m3/s量级。某核能项目压力容器要求可拆密封连接泄漏率不大于1×10-7 Pa·m3/s，按常规设计方法显然难以满足此要求。为此本文开展了低泄漏率可拆密封连接结构的选型设计与试验研究，为同类产品密封结构设计提供参考。
1 密封结构选型与设计
1.1 密封设计要求与密封结构选型
该压力容器内直径200 mm，设计温度505 ℃、设计压力1.5 MPa，介质为放射性液钠、氩气和氢气混合物，要求泄漏率不大于1×10-7 Pa·m3/s;同时要求密封连接结构方便拆装和维护。
密封结构选型要满足使用性能要求，在高温、腐蚀性介质条件下能够可靠地工作，具有符合要求的泄漏率;从经济性角度还要结构简单、拆装方便、便于检查和更换、成本低。压力容器可拆密封连接通常采用垫片-螺栓法兰连接或者焊唇密封连接;鉴于焊唇密封结构更换涉及到切割、探伤、焊接等操作，在核能领域应用较少，本文选用压力容器常用的垫片-法兰螺栓密封结构，密封元件选用金属C形环。
C形环和O形环都是核能领域常用的密封元件。O形环断面形状是O形，使用时会被压扁，从而扩大密封宽度;但为了保持密封性，必须有较大的压紧载荷。C形环克服了这个缺点，其C形断面极富弹性，即使被压縮后，其密封部位几乎不被压环，故可以较小的压紧载荷获得必须的接触密封压力，具有较高的回弹特性和优良的密封性能，在使用性能和可靠性方面优于O形环[4]。
金属C形环是一种弹簧赋能型结构，由螺旋弹簧、中间覆层和密封层组成（图1）。
当密封环工作时，螺旋弹簧发生弹性变形并对中间覆层产生反弹力，使密封层发生塑性变形并弥补法兰面微缺陷，从而达到密封效果。通过表面密封层的塑性变形和弹簧弹性变形的协同作用（图2），有效提高C形环的密封性能和补偿因温度、压力波动引起法兰变形及密封环松弛的影响[5]。
1.2 法兰密封结构设计
法兰密封结构如图3所示，下法兰开矩形槽，通过槽宽对C形环进行周向限位，同时利用槽深控制C形环的压缩量，上、下法兰通过螺栓螺母连接并施加预紧力。
1.3 C形环密封性能试验
C形环密封层采用镀银层，允许使用温度不低于600 ℃。为确保产品最终密封性能能够满足要求，要求密封环本身的泄漏率不大于1×10-9 Pa·m3/s。对C形环本身在垫片密封性能检测系统上进行检测。检测采用与产品相同材料和规格的C形环和法兰，通过圆盘工装下压施加与产品相同的线载荷，测得泄漏率不大于2.12×10-11 Pa·m3/s。 2 密封结构性能试验验证
2.1 密封性能试验方案
压力容器先进行设计压力下的气压试验，气压试验合格后再进行密封性能试验。
密封性能试验采用外部喷氦法，压力容器壳体一端与氦检漏仪相连，对容器内部抽真空，在密封C形环外侧喷入浓度>10%的氦气（图4）并静置一定时间。当C型环密封效果不能达到设计要求的泄漏率时，氦气通过泄漏处进入壳体内部，被氦检漏仪检出产生报警，同时氦检漏仪测出泄漏率。
2.2 密封性能试验结果及分析
压力容器气压试验一次合格。之后在不同的螺栓拧紧力矩下进行试验，并在试验前测量和记录法兰槽深和C形环截面直径。试验情况如表1所示。
比较试验1和试验2可以发现，在法兰槽深和C形环截面直径相同的情况下，螺栓力矩大小对密封性能有决定性的影响。这是因为金属C形环依靠接触界面的配合实现密封，接触区域大小和压力分布决定了密封环的密封效果;螺栓拧紧力矩越大，施加在C形环上的线载荷越大，接触区域越大，接触宽度越宽，介质通过接触面产生泄漏的难度越大;同时接触密封压力也越大，开启界面泄漏通道所需的介质压力越大，密封性也更好。但螺栓拧紧力矩加大会导致法兰厚度增加，使设备变得更笨重，影响经济性;螺栓拧紧力应保证C形环内圈的弹簧处于弹性变形的受力范围内，压紧力过大可能导致C形环压溃失效。
试验2测量发现，法兰四象限位置压缩量存在差异，表明螺栓加载并不均匀，故在装配时应规定明确的拧紧步骤，采用对角交叉拧紧方式以使螺栓加载均匀，确保C形环受到均匀的压缩。
试验3相对于试验1的C形环压缩量略有差异，试验后检查发现密封面存在径向加工纹路;此密封面采用平面磨获得，在径向上会存在诸多细小的发纹，这些发纹细长且具有一定深度，部分发纹贯穿了密封有效区域。故在试验4中对密封面重新进行轻微加工，以形成環形纹路，更有利于密封。
试验4采用较大的力矩进行预紧，在建立初始密封后再减小力矩，继而加载至图样规定力矩值，最终密封性能达到设计要求。这是因为采用较大的螺栓拧紧力时，C形环充分压缩，表面密封层发生大变形弥补法兰面的缺陷，使接触界面的微观泄漏通道被截止，并产生较大的接触密封压力，避免介质压力开启泄漏通道。尽管后续拧紧载荷减小会导致C形环产生回弹，由于之前已经产生了显著的塑性变形，且不随着C形环的回弹而恢复，因此仍能维持与法兰面微观形貌的接触，从而避免了泄漏通道的产生，达到比较好的密封效果。
3 结论
（1）设计了C型环-法兰螺栓密封结构，可实现高温、强腐蚀、低泄漏率可拆密封连接，泄漏率不大于1×10-7 Pa·m3/s。
（2）影响C型环-法兰螺栓密封结构密封性能的主要因素包括：螺栓预紧力、C形环压缩量（法兰槽深）、螺栓加载方式、密封面加工方式与表面质量等。
（3）为获得低的泄漏率，建议采用适当的密封槽深和螺栓预紧力以保证C形环的压缩量，同时在密封面加工形成环向纹路，螺栓对角交叉拧紧，先用较大的力矩进行预紧，在建立初始密封后再减小至图样规定力矩值。
参考文献
[1] 压力容器：GB150.1～GB150.4—2011[S].
[2] 制化工容器结构设计规定：HG/T20583—201[S].
[3] 《法兰用密封垫片实用手册》编委会.法兰用密封垫片实用手册[M].北京：中国标准出版社，2004.
[4] 易原源.金属弹性垫圈-C形环密封装置[J].机械研究与应用，1992（3）：45-46.
[5] 李文静.反应堆压力容器金属C形密封环数值模拟与实验研究[D].杭州：浙江工业大学，2016.