核工况金属-金属接触式GEM密封垫

        由于机械强度高、热稳定性良好、可压缩、化学兼容性强，以及低泄漏率等优点，石墨被广泛地用作密封材料。通常它会和金属结构件结合使用，由石墨承担密封功能（可制成凹槽式、皱纹式、螺旋缠绕式等不同外形的密封垫）。在林林总总的密封垫中，GEM（冲压膨胀石墨）密封垫是专为法国核电行业研制的专用产品。

        GEM密封垫由两个部分组成：一个模压成型的膨胀石墨环和一个金属环。石墨环的制造方法如下（图1）。将一个芯轴固定在模具中，再将石墨带切割后缠绕在芯轴上。然后向石墨圆环施加压力。芯轴和模具的尺寸、压力以及石墨的数量，需由供应商根据GEM凹槽尺寸进行计算。

        石墨环是密封垫结构中的弹性构件，负责实现密封功能。金属环可以采用不同的金属材质，以不锈钢居多。它直接和法兰表面接触，承担着压缩挡圈的功能。

        根据供应商的不同，GEM密封垫有两种不同的设计：

        1. 第一种是在金属环的凹槽中嵌入两个石墨环。（图2）

        2. 第二种是在两个金属环之间（内环和外环），安装一个石墨环。（图3）

        两种设计的原理相同：一旦实现了金属-金属接触，就能实现紧密的密封。按照设计师的计算结果，模压成型石墨环被压制成最合理的密度，从而达到需要的紧密度。

        即使是用于最极端的应用工况，这种密封垫的设计也能防止石墨密封垫在热循环和压力循环过程中，承受过大载荷。

        GEM密封垫（图4）可用于多种应用场合，但多数情况下，它们会应用在最苛刻的工况，包括高压和/或高温。涉及的行业主要包括能源、核电、石油化工、国防、化学、冶金等。以法国电力集团（EDF）的热电和核电厂为例，在以前，一级和二级回路中的大部分密封垫，都是螺旋缠绕结构的石棉环。它被安装在凹槽内，以便确保密封紧密度达到要求时，立即实现金属-金属贴合。这样就能防止在操作失误或工况剧烈变化的情况下，密封元件承受严重超额的压缩载荷而发生溃散。

        然而，采用螺旋缠绕密封垫的法兰接口发生泄漏的几率非常高。尽管石墨是螺旋缠绕密封垫的极佳原材料，但由于整体设计的原因，仍有诸多不小的问题。

        大量试验表明（主要是压缩试验），螺旋缠绕密封垫的特点之一是复现性差（图6）。此外，许多变量都能造成性能 的变化，例如缠绕密度等。物料验收和储存过程中，密封垫的密封面可能受损。甚至不同的加工设备制造出的密封垫，性能也会有所不同。

        鉴于上述种种原因，法国电力集团专门研发了没有金属带的膨胀石墨GEM密封垫。这种设计的密封紧密性和压缩特性具有较高的复现性，而且压紧应力低，弹性复原性良好。

        不仅如此，这种密封垫能承受极高的压紧载荷。密封垫的性能是依靠凹槽中石墨被压缩而实现的，而石墨受到两个金属环的保护，一旦实现了金属-金属接触，石墨受到的压缩应力就不会再增加。对于现场实施紧固作业的技术人员而言，这是个非常重要的特性。

       然而，GEM密封垫并不能完全取代石墨螺旋缠绕密封垫，这是因为前者价格昂贵且尺寸受限。石墨环采用模压成型，大尺寸的石墨环需要极高的压缩载荷。针对GEM密封垫的功能特性，法国电力集团后续进行了更深入的研究，并由集团的技术运营部编制了非常重要的制造规范，随后还推出了更新版本。这些技术文件在之后的20年里没有发生重大修改。

        我们可将相关规范分为两类：

     （1）CSCT : Cahier des Spécifications et Conditions Techniques de pièces de rechange（关于GEM密封垫的机械和密封特性，以及制造用的原材料）

     （2）CSCP：Cahier des Spécifications et Conditions Particulières de pièces de rechange（关于唛头、包装、运输、采购盒系统管理）

        两种实验

        针对这种密封垫的试验可以分为两类：鉴定试验（首先进行的试验，以便验证和鉴定供应商及产品的质量），以及后续针对每次订单进行的试验（质量控制试验）。

        1） 鉴定试验：针对一级和二级回路，有两种不同的试验方案，试验条件模拟真实的工况。分别根据不同试验规程和试验条件，测试外环的机械应力性能和密封垫的密封性能（包括有载荷和无载荷两种情况）。

        2） 质量控制试验：将密封垫压缩（按照规定的比率和时长）直至实现金属- 金属接触。随后停止对密封垫施加任何载荷并维持一定时间（图7）。

        需要验证的参数有：

        · Fjmin < Fj < Fjmax

        · Fre ≧0.9 Fj

        · X：弹性复原性

        Fjmax：不可以超过计算说明中规定的最大允许压紧应力。该应力是初次压紧时，Fj 的上限。

        Fj：初次压紧密封垫，并实现金属-金属接触所需的压紧应力。

        Fre：停止施加压紧载荷后（即模拟实现金属-金属接触并持续一小时之后）， 密封垫的残余反作用力。当密封垫被压缩直至实现金属-金属接触，在持续一小时内维持密封垫的厚度不变，随后测量因密封垫松弛导致密封面承受的载荷下降幅度， 并做记录（图8）。

        法国机械行业技术中心（Cetim）升级后的方法

        如图7所示，实现金属-金属接触所对应的坐标点直观可见。当曲线的走势陡然上升且密封垫的厚度保持不变，操作人员即可确认Fj对应的坐标，或者说金属-金属接触对应的坐标。但其实这样得到的结果不一定全都准确，因为是由不同的人实施试验和分析数据，各人的判断因人而异。

        因此在业内人士（法国电力集团的终端用户和供应商）的支持下，Cetim（法国机械行业技术中心）提交了一种新方案。它对压缩曲线的相关参数进行数学分析，然后升级了计算方法。升级后的试验数据分析法采用了改良的算法。即将出台的新版本RCC-M®（压水反应堆机械材料的设计与施工准则）—— 法国核电锅炉设备设计、施工和监测准则协会（AFCEN）编撰的一种行业准则——将会采纳上述升级后的分析法和算法，以便更好、更安全地监测核反应堆的运行。

        更适配的工具

        有了上述升级后的方法，压水堆设备的用户们便拥有了更适配的工具来确定密封垫需要的紧固扭矩，甚至能超越EN-25030标准（紧固件 - ISO公制螺纹接口第一部分：拉伸载荷螺栓接头的设计准则），因为定制加升级后的工具，非常适合核电设备的密封技术。值得注意的是，在EN-1591（法兰及接头。带密封垫的圆 形法兰接口设计准则）中，关于金属-金属接触相关计算（XP CEN/TS 1591-3）的部分并未被定为行业标准，它仅是一种技术规范。历年来，GEM密封垫经历了不断改进，以便符合法国核电行业的技术要求。这种密封垫不仅可以用于核电，也适用于其它多种领域。而且相关人员一直在不懈努力，不断改进法兰总成的计算方法，实现更高的安全等级。

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