石墨化工 柔性石墨密封垫片的研究现状及发展趋势

柔性石墨密封垫片的研究现状及发展趋势

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摘要: 本文主要介绍了柔性石墨的性能和制备工艺，制备工艺主要分为化学氧化法、电化学法、微波法、爆炸法和气相挥发法; 总结了石墨与金属组成的复合垫片的主要结构形式，包括金属石墨缠绕垫片、石墨波齿复合垫片和金属与金属接触型垫片; 还分析了石墨密封机理的研究现状，总结了现有的垫片泄露模型，并对石墨密封在核电等领域的应用前景和展趋势进行了展望，指出未来石墨垫片发展的方向主要集中于石墨提纯、新密封结构开发，而有限元分析作为辅助的研究方法将成为热点课题之一。

关键词:柔性石墨; 密封; 垫片; 综述; 核电

Present Research and Development Trend of Flexible Graphite Sealing Gasket

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Abstracts: The present research of flexible graphite sealing gasket were summarized．The preparation and performance of flexible graphite，the main structure of metal-graphite composite gasket were introduced．The preparation technology mainly includes chemical oxidation method 、electrochemical method、microwave、detonation and gaseous volatilization method．The structures include metal-graphite spiral wound gasket，flexible graphite corrugated metal gasket and metal to metal contact type gasket．The research status of graphite sealing mechanism were also analyzed and the main leaking models were summarized．The application of graphite seal in areas such as nuclear power and development trend were also prospected．The future development direction of graphite gasket concentrates on highly purified graphite and design of new structure ．The finite element analysis as auxiliary methods will become one of research hot spot．

Key Words: flexible graphite; seal; gasket; summarize; nuclear power

1 前言

我国2007 年10 月通过的《中国核电中长期发展规划( 2005—2020 年) 》中明确了“积极推进核电建设”的基本方针，计划到2020 年，我国核电装机总量将提高到4000 万千瓦，同时保持在建核电容量1800 万千瓦左右，而后国家

能源局又对这一目标进行了调整，计划到2020 年投运和在建总装机容量将达到

1 亿万千瓦，即今后10 余年内平均每年都要开工建设4 ～ 5 座百万千瓦级的核电机组。在核电站的建设过程中，则需要大量的核级密封垫片，核电站生产系统的安全性、可靠性和经济性很大程度上取决于密封的有效性。由于涉及到核泄漏这种严重的具有重大影响的事故，因此核电站系统设备对密封元件的安全性和可靠性具有更加严格的要求。相对于石油炼化等工业的密封垫片而言，核级密封垫片除了高温、高压、热疲劳的苛刻工况条件外，必须具备耐辐照、高可靠性、高寿命及核级清洁的要求，需经过压缩率、回弹率、应力松弛率及最大泄漏率等多项技术性能测试和热交变试验，才能在核电站得到应用许可。而目前，对于核安全相关系统的垫片，主要以柔性石墨复合密封垫片为主，柔性石墨凭借其优良的化学稳定性、柔软回弹性、耐辐照性和耐高低温性，以及经过特殊设计的复合式密封结构，成功满足了核级密封的要求。

2 柔性石墨密封垫片基础研究现状

柔性石墨，亦称膨胀石墨，是20 世纪60 年代发展起来的一种新型碳石墨材料，最早来自于1968 年美国联合碳化物公司申请的专利[1]。随着石油化工，以及核电工业的快速发展，对密封的要求也越来越苛刻。尽管石墨材料价格高昂，但凭借其一系列优异的性能，依然迎来了高速发展，成为了广受欢迎的新型非石棉密封材料[2，3]。

2.1不锈钢柔性石墨缠绕垫片的高温性能研究

石油化工装置在高温工况下容易因密封部位泄漏而导致失效。在高温环境中, 密封元件材料的物理性能和力学性能都将发生变化, 如高温会降低垫片的回弹能力; 高温下垫片发生蠕变松弛导致垫片应力下降; 高温下垫片材质发生热氧老化等。因而, 与常温密封相比高温密封要困难得多。高温下螺栓法兰连接的紧密性是目前工程实际亟待解决的课题。要保证高温下所用垫片的长期密封性能, 仅靠常温试验数据是不够的, 建立能模拟实际工况的高温试验装置, 进而对垫片热态力学性能和高温工况条件下的密封性能进行长期、系统试验研究, 并寻求表征方法十分必要。以不锈钢柔性石墨缠绕垫片这一化工、炼油等高温装置中常用的密封元件为研究对象, 对其常温和高温下的压缩回弹性能、蠕变性能和密封性能进行了试验研究, 探讨了由垫片常温性能预测高温性能的方法, 以期为密封件的选用和高温密封设计提供依据。试验装置和试验条件:所有试验均在垫片高温性能试验装置上进行[ 4]。试验装置由机架、试验法兰、垫片加载系统、试验介质给定系统、泄漏率测量系统、加热和温控系统等组成。试验温度分别为15、150、300、400、500 ℃,试验介质压力分别为0.5、2.0、3.5、5.0MPa, 试验介质为99.9% 工业纯氮, 试验法兰为模拟刚性不锈钢法兰。