反应堆压力容器金属C形密封环数值模拟与实验研究

摘要

核电站反应堆压力容器（RPV）是主回路冷却剂压力边界屏障中至关重要的基础部件，属于核安全I级设备，具有高温、高压、放射性的特点，其密封性能将直接影响到反应堆的正常运行。反应堆压力容器的顶盖与容器法兰间的密封是其关键技术之一，该密封结构主要采用双道金属O型密封环和金属C型密封环，而金属C形环在使用性能和可靠性能方面都优于 O形环，故百万千瓦级的压力容器都采用金属 C形环作为密封件。金属C形密封环的密封性能直接关系到整个反应堆压力容器的密封可靠性，因此开展金属 C形密封环变形特性和力学行为的研究对提高和保证反应堆压力容器的密封性能具有重要意义，也可为核反应堆用金属C形密封环的国产化提供一定的参考依据。
　　赋能型金属C形环由外包层、内包层和螺旋弹簧组成，其材料分别采用纯银、Inconel600合金和Inconel X750合金。本文针对反应堆压力容器用赋能型金属C形环，建立了三维非线性弹塑性有限元模型，并利用 C形环的应力-应变实验和压缩后的密封面变形特性进一步验证了模型的正确性。
　　采用Abaqus有限元软件进行了金属C形密封环的力学特性和密封性能的数值模拟和结构优化。并通过密封实验台架和三维形貌仪进行了压缩回弹实验、密封面三维形貌实验和密封环外形轮廓实验来验证了有限元分析的正确性。
　　完成了金属C形密封环的力学特性和密封性能分析和结构优化。分析了C环外径、银层厚度、包覆层厚度、开口角度、螺旋弹簧圈节距、弹簧丝线径、弹簧圈中径等结构参数对金属C形密封环力学特性和密封性能的影响，并给出了RPV用C形密封环的结构尺寸参考值。
　　研究了压缩率、压力容器内介质压力、法兰变形等安装操作参数对C形环密封性能的影响，研究表明C形环的最佳压缩率控制在10％左右为宜；由于介质压力对C形密封环密封面最小接触应力的影响较小，因此在分析其密封性能时的影响可忽略；法兰的翘曲变形会引起双道金属C形环的受力不均，致使外环受力变形大于内环。
　　在对 C形密封环结构参数和操作参数优化的基础上，完成了结构优化后 C形密封环的压缩回弹实验、气密性实验、冷热循环水压实验（常温、高温），进一步验证了结构优化后的C形密封环适用于百万千瓦级核反应堆压力容器（RPV）服役工况。

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符号说明

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容

第2章 赋能型金属C形密封环的有限元模型

2.1 金属C形环的几何模型和材料特性

2.2 金属C形环的载荷边界条件和网格划分

2.3 金属C形环有限元模型的验证

2.4 本章小结

第3章 结构参数对金属C形环密封性能的影响

3.1 C形环外径及密封银层厚度对其性能的影响

3.2 弹簧结构尺寸对密封环性能的影响

3.3 包覆层结构尺寸对密封环性能的影响

3.4 本章小结

第4章 操作参数对金属C形环密封性能的影响

4.1 压缩量对密封性能的影响

4.2 介质压力对金属C形环密封性能的影响

4.3 法兰变形对金属C形环密封性能的影响

4.4 本章小结

第5章 赋能型金属C形密封环的实验研究

5.1 金属C形环的实验装置及设备

5.2 金属C形环的实验要求及条件

5.3 金属C形环的实验结果分析

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 不足与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果