一種應(yīng)用于聚變堆的多層密封的設(shè)計與分析

1、一種應(yīng)用于聚變堆的多層密封的設(shè)計與分析 遙操作系統(tǒng)的設(shè)計是中國聚變工程實驗堆(CFETR)中的一個關(guān)鍵問題，其中遙操作車的密封構(gòu)造設(shè)計在整個停堆維護過程中起著重要作用，它是保證操作者可以安全、可靠和可重復性執(zhí)行針對不同維護對象的維護任務(wù)的前提。文中首先介紹了CFETR 遙操作轉(zhuǎn)運車以及雙密封門的設(shè)計，針對多層密封的特點開展了優(yōu)化改良；然后對密封圈的選材做了分析，并詳細計算了所需密封力的大小，根據(jù)結(jié)果選擇硬度50HS 的氟橡膠作為密封圈材料；最后設(shè)計了檢漏的方案，對泄露情形做了分析，計算了壓降和隨時間變化關(guān)系，結(jié)果滿足操作時間要求和系統(tǒng)安全要求。 中國聚變工程實驗堆(CFETR)的目的在于，解決

2、托卡馬克裝置中與氚自持及堆芯部件遠程維護相關(guān)的工程難題。聚變反應(yīng)堆的堆芯部件(裝置主機、內(nèi)部部件、窗口插件等)在運行過程中會受到放射性和有毒物質(zhì)的污染，為了限制操作人員與有毒物質(zhì)及電離輻射的接觸，在對其維護中需要借助于遙操作手段在裝置外部通過機器人完成相應(yīng)部件的檢查、裝配、拆卸、焊接、運輸、去污、儲存、修復等操作。遙操作轉(zhuǎn)運車(下簡稱CASK)作為遠程維護的子系統(tǒng)，為真空室內(nèi)部組件以及遙操作維護設(shè)備在熱室和真空室之間的遙控轉(zhuǎn)運，提供了一個可靠的、密閉的承載容器。其中，多層密封系統(tǒng)是CASK 車體與真空室窗口、熱室對接的關(guān)鍵，它為整個對接過程提供了可靠的密封環(huán)境。 CASK 在工作運行期間會受到

3、核污染物泄漏的影響，系統(tǒng)漏氣率必須很低，因此對CASK的真空室密封有很高的要求。而且為了保障CASK 內(nèi)部靈敏部件的壽命需要降低其所受輻射，CASK 與真空室窗口從對接到分離之間的時間限制在1 h 之內(nèi)，這1 h 內(nèi)要完成真空檢漏、拆裝螺釘、裝卸內(nèi)部部件等任務(wù)，所以需要緊湊完成。這些任務(wù)，真空技術(shù)網(wǎng)(http:/)認為都需要通過恰當?shù)拿芊鈽?gòu)造設(shè)計和檢漏方案設(shè)計來實現(xiàn)，為實現(xiàn)定量評估還需要計算出系統(tǒng)漏率和檢漏持續(xù)時間等相關(guān)參數(shù)。 1、設(shè)計 1.1、CASK 整體設(shè)計 CASK 應(yīng)具有以下功能：(1) 為內(nèi)部組件提供真空或者保持密封，此舉是為了防止真空室污染(活化的塵埃、鈹、氚氣)的擴散；(2)具

4、有一定的承載能力(約一百噸)保持對內(nèi)部組件的裝載；(3) 有足夠的構(gòu)造強度來承受外部的各種應(yīng)力；(4) 自動導航系統(tǒng)以及CASK 的驅(qū)動控制系統(tǒng)，可以準確定位及執(zhí)行；(5)內(nèi)部裝載各種機械臂，協(xié)助完成小車與真空室組件的交換；(6) 配置一套可靠的密封系統(tǒng)，完成與真空室及熱室的對接?；谏鲜龉δ?，將CASK 設(shè)計成上下兩部分，即上部的密封車體和下部的氣墊轉(zhuǎn)運裝置。這樣設(shè)計的好處是，既能滿足運載能力的要求，又能保證在與窗口對接后氣墊裝置與車體分離方便準確對接。而且在對接完成后，氣墊裝置可以與車體分離再裝配到另外的CASK 上，這樣就可以到達節(jié)省資源節(jié)省空間的目的。目前的標準CASK 設(shè)計構(gòu)造如圖1

5、 所示： 圖1 標準CASK 的構(gòu)造設(shè)計 密封的車體構(gòu)架材料采用316 L 不銹鋼，波紋鋼板的設(shè)計可以承受1.05 到0.90 bar 的內(nèi)部壓強，同時布置許多溝槽，用來加強內(nèi)部傳熱速率。底座托盤作為車體的直接支撐，在車體與真空室法蘭等對接時，內(nèi)部要設(shè)置有準確的調(diào)整機制(CASK 校準制動器)。密封車體水*調(diào)整用的電機和滑動軸承，最大調(diào)整位移是20 mm。用于底座托盤垂直位型調(diào)整用的四個液壓剪型千斤頂，最大調(diào)整位移是75 mm。密封盒向前入塢動采用齒輪齒條提供動力，前后的最大位移是3米。表1 列出了CASK 自重及載重的情況。 表1 CASK 設(shè)計載重 CASK 在真空室和熱室之間的移動，采取

6、遙控方式開展操作，包括與窗口對接的時候，對準系統(tǒng)的控制、熱室平臺內(nèi)部的操作以及與真空室對接時維修部件的轉(zhuǎn)移，也都需要遙控完成。控制方式還需要考慮到在事故工況下，如何開展遙操作營救。與真空室和熱室對接時，要求有足夠的精度來滿足對接校準和密封，防止與路徑上的物體邊界發(fā)生碰撞。在所有的工況條件下，CASK的移動速度要在一個安全、可控的范圍內(nèi)(0 到1 km/h)。在低速的范圍內(nèi)，速度控制也要準確可靠。 1.2、雙密封門的設(shè)計 雙密封門讓CASK 與窗口之間的連接和分離，以一種可控的方式開展，它最大限度減少了活化塵埃和氚的泄漏。雙密封門包括連接在一起的維護門和小車門。具體構(gòu)造如圖2 所示。 圖2 雙密

7、封門構(gòu)造圖 雙密封門的打開動作，由伸縮桿和導軌輔助完成，在車體內(nèi)部向上傾斜，然后暫時儲存在車體內(nèi)部的頂部。小車門用于密封CASK 前端面，維護門用于密封真空室窗口法蘭。維護門和小車門的連接和分離，由一套卡口和插銷完成。為了防止真空室的污染物向大廳蔓延，在CASK 與真空室窗口法蘭分離前，為維護門必須與法蘭密封，直到下次CASK 完成與真空室對接。 1.3、多層密封的設(shè)計 真空室窗口和CASK 門之間的對接屬于兩個對接端面之間的密封連接，這是真空設(shè)備中常見的密封連接構(gòu)造。如果只依賴對接兩端面的直接密封，這種方式無法滿足氣密性要求。實驗說明1即使對接兩端面的做工非常平整且粗糙度很低，一條0.20

8、nm 的刻痕就能使其漏率到達110-8 Pam3/s。因此需要在兩個對接面之間設(shè)計可靠的密封方式，讓彈性體受壓時可以堵塞漏氣路徑，通過彈性體與密封面的嚴密貼合實現(xiàn)真空密封。 CASK 與真空室對接的接口構(gòu)造主要由四部分組成：對接法蘭機構(gòu)、真空室窗口法蘭、CASK前端表面、雙密封門。圖3 是小車密封門構(gòu)造沿對稱線剖開看到的雙密封門的密封構(gòu)造圖的縱向剖視圖。 圖3 雙密封門的密封構(gòu)造 圖中點狀標記的位置需要開展密封。在CASK與真空室對接之前，首先要清理通道中的冷卻管道及相關(guān)儀器設(shè)備，然后安裝對接法蘭機構(gòu)。對接法蘭機構(gòu)主要提供了與車體前端的密封、與真空室窗口法蘭的密封、與維護門的密封，僅在維護階段

9、使用。作用是盡量減少設(shè)備受到的放射性污染，以及在突發(fā)的地震工況下吸收建筑和真空室的位移差。 真空室窗口與對接法蘭之間的固定由螺栓提供，同時螺栓將提供O 圈所需要的密封力確保密封性。CASK 前端與對接法蘭的密封力由CASK自身提供，水平密封力大約20 t。其他部位的密封所需密封力，由螺栓及鎖緊機構(gòu)實現(xiàn)。該多層密封的特點是，首先它是由對接法蘭機構(gòu)連在一起的兩層門構(gòu)成，一個是用于密封CASK 的車前門，另一個是用于密封真空室窗口的維護門；其次，兩層門上都有用于實現(xiàn)密封的密封圈，這兩條密封圈不只是用來密封，還可利用它們之間的狹小封閉間隙來檢查密封是否存在泄漏(漏率應(yīng)小于110-2 Pam3s-1)。

10、其他位置也需要密封圈，例如車前門和車體間、鎖緊機構(gòu)的插針與維護門間、維護門和真空室窗口間、車前門和整個雙密封門系統(tǒng)間。 2、分析 2.1、密封方式的選擇 從密封類型上來看，該密封屬于靜密封(即在連接件的中間不存在相對移動)。對于靜密封，能夠選擇方式有膨脹密封、金屬密封和彈性體密封。膨脹密封優(yōu)點是對密封力要求低，缺點是一旦發(fā)生失壓情形就徹底失去密封性從而導致泄漏，不滿足可靠性要求。 金屬密封的優(yōu)點是有很好的高溫穩(wěn)定性和化學兼容性，而且對輻射敏感度低。缺點卻比較多，第一是由于金屬密封是通過使金屬彈性變形乃至局部的塑性變形來到達密封面的嚴密貼合，所以金屬密封比彈性體密封需要更大的封壓力；第二是金屬密

11、封對表面粗糙度要求比較高，如果密封面不平整或者接觸面變形比較嚴重，金屬套筒很難與密封面貼合嚴密；第三是連接件材料的熱膨脹系數(shù)之間相差懸殊就回容易因局部受熱形變而造成泄漏。 彈性體密封原理是，讓彈性體在密封腔內(nèi)產(chǎn)生壓縮形變，從而產(chǎn)生對密封腔初始壓縮應(yīng)力，到達密封的效果。該方式優(yōu)點是可反復拆卸安裝、在常溫下密封可靠、易于制作安裝，而且工業(yè)中有很多應(yīng)用經(jīng)驗；缺點是橡膠材料(彈性體)透氣率大，而且對于輻射也是比較敏感的。氟橡膠密封圈易于拆卸和安裝，成本較低，可以通過定期更換的方法來保障密封可靠性4。綜合考慮，最終選擇了彈性體密封。真空工程上常采用圓形或矩形截面的“O”形密封圈作為彈性體密封件(下簡稱O

12、 圈)。O 圈的密封性能好壞主要依賴于表面粗糙度及所用彈性體的氣壓、透氣性等因素決定。為了減小這些因素對密封的影響，應(yīng)該減小接觸表面的粗糙度，減小彈性體設(shè)計中暴露在真空側(cè)的表面積。雙密封門有兩個對接端面且動態(tài)連接的地方都采用雙層O 圈密封。 2.2、密封力的計算及密封材料選擇 圖4 是雙密封門的雙層密封構(gòu)造的局部尺寸，其中密封圈截面直徑為10 mm，密封槽高度H=8 mm，壓縮尺寸大小g=2 mm。密封橡膠在70肖氏硬度(HS)、形變量在0.15 到0.30 內(nèi)單位長度密封圈所需密封力見表2。由此表對應(yīng)的編號2、3可以得出單位長度所需密封力w 在15.4 kg/cm至20.2 kg/cm 范圍

13、內(nèi)，因為密封圈長度和密封力大小正相關(guān)，只要計算出密封圈的長度就能知道所需的密封力大小。 圖3 雙密封門的密封構(gòu)造 圖4 密封圈局部尺寸 表2 密封圈的形變與密封力對應(yīng)表 測量長方形法蘭邊緣的溝槽長度，得到長方形的密封圈長250 cm 寬205 cm，因此密封圈總長度是2502+2052=910 cm結(jié)合表中數(shù)據(jù)，密封力下限是，15.4910=140 14 kg密封力上限是，20.0910=18 382 kg因此，單圈密封圈需要14 t 到18 t 的壓力，即約為140 000 N 到180 000 N 的密封力。該密封力太大，會對裝置的穩(wěn)定性成很大的影響，要求很高的構(gòu)造強度。所以需要降低密封力

14、。因為在同樣條件下，所需密封力越小對裝置構(gòu)造承載的需求就越小。雙密封門是基于CFETR 主機真空室窗口和CASK 車體尺寸而設(shè)計，密封圈的長度是一定的，所以只可以通過減小密封圈直徑或使用硬度更低的材料來降低密封力，由于密封圈直徑太小會導致密封面的對準要更精準，對接面的機械加工要求也相應(yīng)提高，所以綜合考慮改為選用較軟的密封圈材料。選擇肖氏硬度為50HS 的氟橡膠，其單位長度密封力下降至3.5kg/cm，這樣密封力就降低到約30 000 N 而且在其他的性能上與70HS 的并沒有太大區(qū)別。 2.3、檢漏分析 根據(jù)多層密封構(gòu)造的特點以及CFETR 對真空漏率的要求，采用氦罩法開展檢漏，即將被檢件用罩

15、子罩起來，然后抽凈罩內(nèi)空氣并沖入氦氣，根據(jù)檢漏儀可檢測出是否存在漏孔的結(jié)論。檢漏方案如圖5 所示，對中間的密閉空間利用抽氣系統(tǒng)抽到負壓狀態(tài)，窗口和CASK 內(nèi)部布置兩個充氣通道。窗口充氣通道充氣，如果檢測到氦氣說明窗口外圈漏氣，需要更換外圈，檢測不到不需更換；小車充氣通道充氣，如果檢測到氦氣說明內(nèi)圈漏氣，需要更換內(nèi)圈，檢測不到不需要更換。 圖5 雙密封門檢漏示意圖 密閉空間壓力隨著時間變化的關(guān)系如圖6所示： 圖6 檢測時壓力下降和時間關(guān)系圖 由圖6 可以看出CASK 和窗口之間密封性漏率測試持續(xù)時間大約為14 min，檢漏時真空抽速大約為400 mm3/s，測試時允許漏率為33.4 Pamm3/s，這符合CFETR 對CASK 與真空窗口法蘭對接時間的要求，在檢測時密封系統(tǒng)的壓力下降也滿足系統(tǒng)的整體安全要求。 3、總結(jié)與展望 本文針對CFETR 遙操作轉(zhuǎn)運車的密封構(gòu)造，完成了一種新型多層密封設(shè)計，根據(jù)密封力的計算完成了密封材料的選擇，并對其檢漏方