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核级石墨密封垫片压缩回弹性能研究

核级石墨密封垫片压缩回弹性能研究

作者：王琪瑶西南交通大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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MTS 809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。

关键词：核级石墨密封垫片压缩回弹试验研究数值分析有限元分析

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核级石墨密封垫片应力补偿机理研究

核级石墨密封垫片应力补偿机理研究

作者：程增康中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

近年来随着我国工业的迅猛发展,核电、化工等行业泄漏、爆炸事故时有发生,对常见的连接形式——法兰连接也有了跟高的要求。为此,本文对核级石墨密封垫片应力补偿机理展开研究,通过试验研究垫片压缩回弹性能以及密封性能,采用有限元数... 详细信息

近年来随着我国工业的迅猛发展,核电、化工等行业泄漏、爆炸事故时有发生,对常见的连接形式——法兰连接也有了跟高的要求。为此,本文对核级石墨密封垫片应力补偿机理展开研究,通过试验研究垫片压缩回弹性能以及密封性能,采用有限元数值模拟研究垫片在常温及高温不同工况下的应力补偿机理,基于正交优化采用有限元法对垫片的结构参数进行优化。本文主要研究内容如下:首先,通过试验研究垫片的压缩回弹性能以及密封性能,研究结果表明:随温度升高,曲线右移,压缩量相同的条件下垫片应力随温度升高而减小。施加至预定试验载荷后,施加稳定内压,垫片应力有所减小,随后应力恒定,随时间推移,泄漏率开始慢慢增加,但最终得到的泄漏率在10Pa?m/s数量级上,说明垫片密封性能较好。。其次,通过分析现行三种典型计算方法,对适用于MMC型法兰连接设计的prCEN/TS1591-3计算方法进行重点解读,进而根据prCEN/TS1591-3计算方法,利用垫片相关参数,计算了核级石墨密封垫片的螺栓预紧力。然后,利用ANSYS建立有限元模型,研究常温及高温不同工况下垫片的应力补偿机理,并确定了保证垫片密封性能的压力及温度波动区间。研究结果表明:预紧时石墨环和金属外环同时承受螺栓预紧力作用,金属外环承受多余载荷并在内压升高过程中将载荷释放以起到应力补偿作用,维持垫片在一定承载范围内基本稳定不变。高温工况下温度和内压只要在适当范围(温度30K,压力1MPa)内波动,垫片即维持一稳定的应力状态,确认了垫片应力补偿机理的有效性。最后,基于正交优化法,结合有限元数值模拟,对垫片结构进行参数优化设计,通过直观分析法和方差分析法对结果进行分析,分析可知,最优组合为A3B1C1。优化后垫片应力分布更为稳定,受力情况得到明显改善。

关键词：核级石墨密封垫片试验研究有限元应力补偿机理正交优化

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核级石墨密封垫片应力补偿机理研究

压力容器 2017年第11期34卷 41-46,54页

作者：吴延泽周先军吉日木图刁晓勇程增康黄志强中国石油大学(华东)机电工程学院山东青岛266580 滨州双峰石墨密封材料有限公司山东东营256615

以核级石墨密封垫片为研究对象,对垫片的压缩回弹性能以及密封性能进行试验研究,并采用ANSYS有限元软件对法兰连接进行仿真模拟,分析垫片在常温及高温工况下的应力分布规律,研究垫片的应力补偿机理。研究结果表明,预紧时石墨环和金属外... 详细信息

以核级石墨密封垫片为研究对象,对垫片的压缩回弹性能以及密封性能进行试验研究,并采用ANSYS有限元软件对法兰连接进行仿真模拟,分析垫片在常温及高温工况下的应力分布规律,研究垫片的应力补偿机理。研究结果表明,预紧时石墨环和金属外环同时承受螺栓预紧力作用,金属外环承受多余载荷并在内压升高过程中将载荷释放以起到应力补偿作用,维持垫片应力在一定承载范围内基本不变;高温工况下,压力在一定范围波动,垫片即可维持一稳定的应力状态,从而确认了垫片应力补偿机理的有效性。

关键词：核级石墨密封垫片压缩回弹性能密封性能有限元分析应力补偿机理

分级加载下核级石墨密封垫片的压缩回弹性能研究

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四川轻化工大学学报（自然科学版） 2020年第3期33卷 34-39页

作者：王琪瑶沈火明刘娟张媛媛傅孝龙西南交通大学力学与工程学院成都610031 中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室成都610041

为加强核级石墨密封垫片的密封效果,提高核电密封系统的可靠性,通过试验的方法分别研究了核级石墨密封垫片在4级加载、8级加载和1次加载三种不同加载方式下的压缩回弹曲线以及压缩率、回弹率,通过对比分析,探索加载方式对垫片压缩回弹... 详细信息

为加强核级石墨密封垫片的密封效果,提高核电密封系统的可靠性,通过试验的方法分别研究了核级石墨密封垫片在4级加载、8级加载和1次加载三种不同加载方式下的压缩回弹曲线以及压缩率、回弹率,通过对比分析,探索加载方式对垫片压缩回弹性能的影响和加载方式对垫片压缩回弹性能作用的内在机理。研究结果表明,分级加载对垫片的压缩回弹性能有较大影响,垫片的石墨密封环随着分级加载次数的增加,塑性变形逐渐积累发生硬化,使得垫片的压缩模量逐渐增大;相较于1次加载,采用4级加载、8级加载使得垫片的压缩率逐渐增大,回弹率不断下降,分级加载次数越多使得垫片压缩回弹性能下降越明显。因此,采用1次加载或较少分级次数加载更有助于保证垫片的密封性能。

关键词：分级加载核级石墨密封垫片压缩回弹试验研究

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石墨密封垫片的循环压缩回弹性能

四川轻化工大学学报（自然科学版） 2020年第1期33卷 27-31页

作者：周期律刘娟沈火明西南交通大学力学与工程学院成都610031

通过试验研究了核级石墨密封垫片的循环压缩回弹性能。在常温下对垫片开展了加载速率分别为0.25 MPa/s、0.5 MPa/s及1 MPa/s的循环加载试验。在加载速率固定为0.5 MPa/s时,对比研究了垫片在100℃及300℃下的循环加载性能,得到了不同工... 详细信息

通过试验研究了核级石墨密封垫片的循环压缩回弹性能。在常温下对垫片开展了加载速率分别为0.25 MPa/s、0.5 MPa/s及1 MPa/s的循环加载试验。在加载速率固定为0.5 MPa/s时,对比研究了垫片在100℃及300℃下的循环加载性能,得到了不同工况下的应力-变形曲线,并计算出垫片在各工况下不同循环内的最大压缩量、压缩率及压缩模量。研究结果表明,在常温下,垫片的压缩模量随加卸载速率的增大而增大;在0.5 MPa/s的加卸载速率下,垫片的压缩模量随温度升高而增大;而在每一种工况下,垫片的压缩模量均随试验循环次数的增加而减小,最大压缩量均随循环次数增加而增加,出现明显的塑性应变累积现象。

关键词：核级石墨密封垫片加卸载速率压缩模量压缩量