核電閥門(mén)密封材料研究與填料的結構設計
通過(guò)對一種高強度、高純度，能耐化學(xué)腐蝕以及適應高溫深冷，并符合核電累積輻照劑量要求的非金屬密封材料柔性石墨的研究。探討柔性石墨填料的各項化學(xué)元素和物理機械性能，用以滿(mǎn)足核電閥門(mén)密封的適用規范；采用新穎的結構設計，以提高柔性石墨填料在核電閥門(mén)上的密封性能；開(kāi)發(fā)出一種適用于A(yíng)P1000 或壓水堆核電廠(chǎng)的閥門(mén)密封填料，并加以科學(xué)驗證其在應用中的優(yōu)異表現。
引言
核電廠(chǎng)配套設備閥門(mén)是在核電廠(chǎng)設計、建造和運營(yíng)中，使用數量較多的介質(zhì)輸送控制設備。是保證核電站安全運行的重要組成部分。它承載著(zhù)核電廠(chǎng)所有的能量轉換和系統管控，如堆芯溫度的調節、循環(huán)系統的流量控制、熱能輸出輸入、管路里介質(zhì)的切斷或接通等多種功能。與普通閥門(mén)相比，核電站閥門(mén)的性能要求及其特點(diǎn)，是要保證其使用的安全性、高溫高壓環(huán)境下的工作穩定性、全天候運行的可靠性。由于使用環(huán)境的特殊性，必然要求核電閥門(mén)密封有很高的科技含量。核電運行的前提是安全第一，只有閥門(mén)的性能可靠，動(dòng)作靈敏，并有完好的密封效果與使用壽命，才能確保我們利用核能的安全。
據統計，一座具有兩臺100 萬(wàn)kW 機組的二代加壓水堆核電站，有各類(lèi)閥門(mén)3 萬(wàn)多臺。就AP1000 的三代技術(shù)而言，雖然采用模塊化設計也不少于1 萬(wàn)多臺。根據核電廠(chǎng)運營(yíng)資料分析， 核電站運行閥門(mén)故障率約34%是由閥桿處填料泄漏造成的，所以迫切需要一種高性能、長(cháng)壽命的填料來(lái)保障閥桿的密封。就自然界所有材料的物性，石墨無(wú)疑是最理想的密封材料。經(jīng)深加工的柔性石墨是繼石棉被禁用之后， 更適合閥桿密封的最佳材料。
1、石墨材料的性能
石墨是六角平面網(wǎng)狀結構的晶體， 六角平面三個(gè)SP2 雜化軌道互成120°排列， 網(wǎng)面上下方的π 電子相互重合形成范德華鍵，有良好的化學(xué)穩定性，不受任何強酸、強堿和有機溶劑的腐蝕。由于石墨很好的耐γ 射線(xiàn)、α 射線(xiàn)、β 射線(xiàn)等輻照性能， 同時(shí)熱中子截面也很小，是核反應堆中唯一可供選擇的慢化材料�？勺鳛楹朔磻训臏p速劑、防核輻射外殼，是國防和核能工業(yè)領(lǐng)域的重要材料。
目前密封行業(yè)使用最廣泛的材料柔性石墨，可在-200℃～600℃內安全使用。其具有低溫不脆化、時(shí)效不老化、高溫不軟化、不變形、不分解的特性，且具有優(yōu)異的便于加工成形的可塑性和良好的潤滑性能， 如作為固體潤滑劑， 在任何溫度條件下摩擦系數比脂類(lèi)潤滑都要低，很適合閥桿的頻繁動(dòng)作。對于氣體和液體的密封也具有良好的抗滲透性。
2、石墨的加工工藝
核級閥門(mén)填料所用的石墨，是天然礦物經(jīng)選礦、提純、化學(xué)插層、膨化、壓延、收卷等多道工藝后精制成柔性石墨板材，再分切模壓加工成閥用填料。所選原材料石墨粒子，必須是天然的高品像大鱗片石墨，這種原料雜質(zhì)少、純度高、膨化后蠕蟲(chóng)粒子直徑大，所制石墨板品質(zhì)的強度高，有害化學(xué)元素成份含量低，生產(chǎn)工藝穩定，制品可塑性?xún)?yōu)良。不同目數石墨的比較，見(jiàn)表1，天然晶質(zhì)(鱗片)石墨見(jiàn)圖1，膨化后的石墨與板材制品見(jiàn)圖2。
表1 不同目數石墨的比較
3、結論
(1)對照相關(guān)標準和產(chǎn)品的技術(shù)條件進(jìn)行驗證石墨的物理化學(xué)性能，只有大鱗片、高品質(zhì)石墨，目前是自然界中少數幾種能慢化中子以及其他射線(xiàn)輻射的材料，也是核電閥用填料密封最理想的材料；
(2)選用大鱗片高品像的天然晶質(zhì)石墨，制備出來(lái)的柔性石墨板， 工藝技術(shù)上可以使其產(chǎn)品的有害微量元素殘留量非常低， 柔性石墨填料的物理機械性能大幅提高， 各項性能均可以達到核電站的安全運行要求；
(3)核級閥門(mén)填料兩端的刮垢環(huán)，用鎳絲套編高純柔性石墨所編織模壓出來(lái)的端環(huán)， 相比其他材料的端環(huán)，無(wú)論在磨耗時(shí)效、承壓能力、高溫燒失、安全系數等方面都有很大提高；
