核科学与工程杂志投稿格式参考范文：核电装备密封技术研究进展

　　引言

　　当今能源行业的发展趋势及政策导向均紧密围绕 “绿色低碳、安全高效” 的总体目标，核能、水电、风电、氢能等绿色能源所占比重逐年增加。核能作为高效、可持续性强的清洁能源，目前已被广泛应用于军工、民商用等领域。如何确保核电厂的安全稳定运行始终是科学研究及工程实践过程中的关注焦点。其中，密封系统对于维持核反应堆长寿命稳定运行起到关键作用，也是制约核电快速发展的重要原因之一。

　　密封需求无处不在，密封的形式根据其应用场景及阻漏需求可分为动密封及静密封，动密封按照接触方式还可分为接触式密封和非接触式密封，以上多种密封在核电设备中均有大量应用。

　　核电领域经过了近一个世纪的发展，目前第四代反应堆技术已成功设计并得到应用，核反应堆正朝小型化、模块化趋势发展，对其运行可靠性的要求相比前代技术更为严格，相应地也对密封元件的结构提出了新的挑战。并且与常规密封相比，核电设备中使用的密封元件不仅要面对高温高压的恶劣工况，还需承受较高的辐照剂量，这对密封材料性能提出了极高的要求。除密封元件结构与密封材料外，精准实现密封系统运行的状态监测和故障分析是优化密封结构设计、指导密封材料升级、保障核电设备安全可靠运行的重要手段。

　　本文主要介绍了核电装备中的密封技术研究进展。首先结合实例阐述了几种典型的密封技术应用场景及发展现状，对多种密封材料的性能及其优缺点进行对比分析，并综述了现役核电厂密封故障监测技术。基于以上讨论，归纳总结了当前核电密封技术的发展现状及面临的问题，并对未来该领域的发展方向进行了展望。

　　1 核电装备密封技术应用

　　本节就核电装备中的主要密封类型进行介绍。密封技术的发展源自严苛的工程需求及复杂多样的应用场景，在核电设备中，密封元件要确保在高压、高温、高辐照的高参数工况下实现严格且稳定的密封。动密封的泄漏量远高于静密封的，因此，核电设备中需尽量减少动密封，从而使静密封的应用远多于动密封，比如垫圈密封、贯穿件密封等。在核岛一回路中，核主泵是唯一的转动设备，也是唯一需要使用动密封的设备，核主泵密封是我国目前重点攻关的 “卡脖子” 难题之一。核电设备不仅包括堆芯、一回路等涉核部分，还包括常规发电机组。发电厂将不同类型能源转化为机械能并进行发电，核电厂则是将反应堆产生的热能通过汽轮机设备转化为机械能。这就意味着除核岛外的发电机组同样有大量的密封需求。

　　密封材料是密封系统设计过程中所需考虑的重要问题之一，可以说密封材料性能决定了密封能力的 “上限”。面对大量的中子冲击，如何应对金属材料肿胀变形;交变热冲击条件下密封材料间是否会发生失配;高温高压条件下密封材料出现松弛、蠕变等老化现象;动密封的密封环变形造成密封间隙变化;如何提升接触式密封摩擦副材料在高速工况下的耐磨性等一系列密封材料性能优化问题均制约着核电密封技术的发展。

　　自 2020 年我国在联合国大会上提出 “双碳” 目标以来，核能作为重要清洁能源之一正迎来更为强劲的发展势头。但与其他清洁能源不同的是，核安全是核电发展道路上不可忽视的，牵扯到人与自然的大事。针对于核设施的安全性，我国生态环境部及国际原子能组织等国内外核监管部门和组织不断出台、优化相关规章制度及行业标准以构建核安全屏障。

　　保障核反应堆安全运行离不开密封元件稳定运行的物理屏障，对密封系统实行有效的监测，并将监测数据与其运行状态关联，进一步指导密封系统的优化，提升密封性能、稳定性及寿命是行业内所要关注的重要方向。

　　1.1 核主泵密封

　　核主泵密封是目前我国尚未完全实现国产化的少数核电设备部件之一，其主要功能是严格控制一回路冷却剂的泄漏量。目前国内外应用较多的核主泵密封结构为三级密封串联结构。一级密封多采用非接触式机械密封，如收敛锥面静压密封、波形表面密封、动压型密封，其中波形表面密封结构同时利用了流体静压及流体动压效应，属于收敛锥面静压密封的改进型。二、三级密封则采用接触式机械密封。在核主泵的严苛工作环境中，三级密封各司其职，一级密封需要承受约 15MPa 压差，对泄漏量要求不严格;二级密封所承受压差较小，为一级密封泄漏的流体压力，需控制泄漏量，并在一级密封失效的情况下短时承担一级密封作用;三级密封与二级密封类似，采用接触式机械密封，其两端几乎没有压差，但需要严格控制泄漏量。三级密封的协同作用实现了在 15MPa 压差下几乎为零的泄漏需求。

　　目前，针对核主泵密封服役性能的研究主要从两方面入手：实验研究及数值模拟。考虑到核主泵密封的应用工况复杂，装机试验困难，国内外学者基于数值模拟方法进行了大量计算。应用在核主泵密封中的数值模拟方法包括计算流体力学(CFD)和有限元分析(FEA)等。通过多物理场耦合计算的方法，学者们研究了由于密封端面变形、安装误差造成的密封泄漏甚至出现端面碰磨问题造成密封损伤失效等情况。冷却介质在核主泵的高速高温工况下进行循环，伴随着由介质相变引发的物性变化，密封参数随即发生变化。Luan 等在进行热弹流计算时则采用非恒定流体黏度以消除因温度变化导致流体黏度差异造成的计算误差。核主泵一级密封无论是设计、加工还是工况均为最复杂的一环，研究人员花费了大量精力建立更为精准的诸如热弹流多物理场耦合模型以研究核主泵密封的动态性能，针对适用环境不同，各种动态计算模型可用来分析密封端面液膜动态刚度、抗振特性等运行特征参数，完善核主泵密封性能评价体系。

　　核主泵密封依托于密封端面间微米级流体膜实现端面润滑与密封功能。因此密封端面平面度、两端面变形协调是影响密封性能的关键，当变形量过大时甚至会导致密封端面碰磨失效。就核主泵密封环，目前普遍采用 “硬对软” 设计，使用石墨及硬质合金作为密封环材料。石墨热膨胀系数较小，且具有优异的耐磨性、自润滑性以及辐照稳定性但质地较脆，干摩擦过程中磨损量较大。金属材料强度高，韧性好，但在反应堆中高辐照环境下，会导致材料 “肿胀” 韧性降低。这对具有高平面度要求的密封环是极为不利的。高熵合金是解决金属在高温及高辐射工况下肿胀问题的新方案，其解决了常用不锈钢等金属材料的肿胀问题，还维持了优良的机械性能，在材料表面增加高熵合金涂层正作为一种提升密封抗辐照性能的手段开展应用研究。开发 “硬对硬” 的金属密封环配对形式，在密封环上添加涂层材料可在减小密封端面变形的同时，提升密封端面的耐摩擦性能，保证密封端面平面度，解决动静环密封端面变形不匹配以及磨损量大的问题，提升核主泵密封的寿命及安全性。

　　1.2 垫圈密封

　　静密封在核电设备中的应用远远多于动密封，而垫圈密封则是静密封中的 “主力军”。为了实现结合处可重复拆装，垫圈密封形式应运而生。高分子材料是垫圈密封等静密封及动密封中辅助密封件的首选材料已被应用了百余年，这是因为其弹性高，且有些材料具有较强的耐磨性以及与金属材料间更低的摩擦系数。应用于不同工况及场景的密封圈种类各不相同，例如在乏燃料后处理时，存在隔热、防辐射等特殊需求，此时采用膨胀黏土或直接焊接封存;石墨密封圈或金属密封圈等在法兰间被广泛应用。

　　因垫圈密封是依靠密封圈材料的弹性变形填充泄漏通道以达到抗压、阻漏的目的，因此在设计选型时，主要考虑的就是密封材料的机械性能。密封圈优选弹性材料，例如高分子橡胶、柔性石墨、弹性金属等。密封垫圈的截面形状也需随密封垫圈材料变化而优化，以平衡密封垫圈整体弹性，例如传统橡胶 O 形圈，金属 C 形圈，柔性石墨密封圈(截面矩形)等。

　　杨书益针对石墨垫圈的回弹率、压缩率、密封泄漏率等性能参数进行了实验研究，得到了不同加载速率、压力、温度等工况下石墨垫圈的密封性能变化规律，给出了具有参考价值的预应力数据。核用石墨垫圈相关的标准，于 2015 年出台并沿用至今。O 形圈及 C 形圈回弹率、压缩率及密封泄漏率同样是表征密封圈性能的主要参数，由于截面形状的特殊性，研究过程中还会关注充压状态下的密封圈变形规律。

　　目前，应用最为广泛的就是各类橡胶及聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene, PTFE)等聚合物材料，除材料本身压缩回弹性能外，核电设备中更关注其在高参数工况下的服役寿命。例如有学者对三元乙丙橡胶(Ethylene-Propylene-Diene Monomer, EPDM)进行了高温、高辐照的加速老化试验，模拟其运行 10 年的力学行为、泄漏特性变化规律，证明了三元乙丙橡胶作为弹性密封圈主体材料的可靠性;吴昆等针对核用聚四氟乙烯进行了热老化试验，并将热老化法及热失重法得到的老化模型进行拟合，发现重合度较好。杨全超等就福清核电厂主泵辅助密封圈利用微动平台进行了抗振、摩擦磨损试验，进一步验证了工况条件下往复微动对三元乙丙橡胶密封圈摩擦磨损状态的影响规律。明确橡胶材料老化规律是确保垫圈密封可靠的重要研究内容。高温下橡胶材料老化严重，不耐高温，这严重限制了垫圈密封在核电设备中的发展。因此发展出了诸如柔性石墨、金属 O 形圈等弹性密封圈，但替代品弹性相较于橡胶材质仍有欠缺。复合材料将有望解决材料弹性、强度与耐高温性能不兼容的问题。

　　1.3 贯穿件密封

　　贯穿件是实现核反应堆及其他壳结构表面电力与信号馈通功能的组件，它需要兼备在高温、高压、高辐照工况下的绝缘和密封的功能，属于静密封中比较特殊的一种密封形式。贯穿件密封使用密封材料对导针与壳体间空隙进行填充，密封材料包括聚醚醚酮(Polyetheretherketone, PEEK)、无机玻璃、陶瓷等。密封结构目前存在两种类型，分别是：旋压密封、玻璃 - 金属封接。

　　旋压密封通过压紧螺母等手段对密封绝缘子施加轴向力促使其发生径向变形以填满密封间隙，主要应用的绝缘子材料是聚醚醚酮。旋压密封的泄漏率可满足需求，其突出优势在于绝缘子可以进行拆卸更换，但其结构较复杂，且密封性能不如玻璃 - 金属封接形式优异。玻璃 - 金属封接形式贯穿件由金属壳体、封接玻璃、导针 3 部分构成。封接玻璃位于金属壳体与导针间，凭借其高强度、高电阻及高稳定性起到绝缘及密封的作用。由于玻璃 - 金属封接属于固定连接，只可进行整体更换，但凭借其 “一体化” 结构，泄漏率低于旋压密封，且结构简单，密封效果不受安装误差影响，且无机玻璃绝缘子相较于有机物绝缘子更抗辐照、耐高温且不易老化。

　　无机非金属材料在核电密封中同样有着大量的应用，主要代表材料有石墨、无机玻璃、陶瓷等。以电气贯穿件中所应用的玻璃绝缘子为例。玻璃绝缘子在应用工况下呈现硬脆性特征，玻璃内部应力的测量及预测是主要关注点。

　　有研究学者开发了不同的测量方法对玻璃内部应力变化规律进行了研究，并通过采用复合材料来增强玻璃机械强度，提高密封稳定性及可靠性。无机非金属材料，以玻璃、陶瓷为例，多为硬脆性材料，耐压不耐拉，因此，通常在材料制备过程中加入增强相以提升其力学性能，起到增强增韧的效果。同时，其具有较长的使用寿命，这导致了实验手段难以预测老化过程，现有老化预测研究方法均借鉴橡胶材料或聚合物材料。构建行之有效的老化实验及标准需要全行业共同的努力。

　　1.4 其他密封

　　除上述密封类型外还有许多其他密封形式应用在核电装备中。例如用于轴承腔中密封油气两相介质或汽轮机轴端密封的浮环密封、刷式密封、迷宫密封等。以上密封均为动密封，且各有利弊。浮环密封是将浮环套置于转轴之上，浮环内径与转轴外径偏心间隙在流体动压作用下产生上浮力，将浮环推起实现非接触，属于间隙密封，此类型密封非常适用于高速工况，且结构简单，但大轴径浮环加工精度较难保证;刷式密封将多层刷丝叠加在一起，刷丝尾端与转轴接触，起到密封作用，多用于油气两相介质的密封，但刷丝脱落会造成腔内污染;迷宫密封应用较早，结构简单，依靠流体在梳齿间的动能损失实现密封作用，但泄漏量较大。在发电机组中的压缩机、汽轮机、轴承腔中对于密封组件性能要求低于反应堆回路中应用的各种密封，且无耐辐照要求，因此采用常规密封技术及结构选型。

　　1.5 密封系统故障监测与诊断

　　工程人员在各核电厂的实际运行中收集了大量的实测数据、积累了大量经验，并基于故障数据进行了汇总统计，分析了故障原因。研究人员提出了若干故障分析方法，并用于指导实际设施运行及修复。中核集团通过对福清核电厂主泵压力及泄漏量数据进行收集分析，建立了用以监控运行状态的算法。为了收集更为复杂的异常工况下的运行数据，也会进行诸如核电厂全厂断电(Station Black-out Accident, SBO)等特殊事故下的探索实验，探究如何在事故中确保堆芯安全。

　　对于核主泵密封，泄漏量是其最基本的性能参数及运行状态评定指标，因此目前大多监测手段是以主泵冷却剂流量及密封泄漏量辅助判断核主泵密封是否正常运行。为了增强对动密封的监测精度，各种传感器被应用于状态监测中，如电涡流传感器、振动传感器、声发射传感器等，收集振动信号、密封环位移信号，通过构建信号数据库，提取更为精准的故障特征信号用以表征故障类型。但进行原位监测对操作空间、密封结构有着较高要求，由于在高辐照环境下难以实现人为检测，核检测机器人的诞生可以有效解决这一问题。

　　数字孪生是目前较为热门的研究方向，其可实现对密封系统运行状态的实时监测并基于运行数据修正模型，依托于此技术能够得到更为准确的运行模型，进而辅助设备故障的自我诊断，甚至故障自愈。

　　2 核电密封发展现状及面临问题

　　为实现 “双碳” 目标，我国对于核能发展给予了足够的重视与支持，截至目前，我国已有诸如 “华龙一号”、高温气冷堆等自主知识产权的核反应堆技术，且已经实现并网发电。虽然我国核电厂国产率高达 80%~90%，但诸如核主泵这样的关键技术尚未完全自主掌握，玻璃 - 金属封接等关键密封技术仍依赖于进口，这导致在一定程度上，我国核电设施暂时无法实现全部国产化的目标。

　　密封技术的发展受结构设计、加工工艺及密封材料 3 方面制约。好的结构设计离不开大量设计经验的积累以及对海量密封结构的实验总结，在进行结构设计时需考虑拆装便捷性、结构简便性、加工可行性。高端密封技术对加工工艺要求十分严苛，例如表面喷涂技术，其对平面度、粗糙度以及加工精度等均有明确要求。实现这一系列加工工艺同样面临诸多挑战，以主泵密封为例，其静环波形端面的加工精度很难达到，这对我国的基础工业、车床、甚至是工业母机都提出了极高的要求，由此可知密封技术在结构优化方面面临着重重阻力。如前所述，密封材料在核电设备中参数要求严格、服役环境恶劣，极易导致材料物性变化、力学性能衰减、结构参数偏离预期等问题，这对于密封运行可靠性来说是致命且不可控的威胁，同时材料寿命还决定了密封元件寿命。发展核用高端材料是进一步提高我国核电技术水平的关键所在。

　　对于设备运行状态的准确判断依赖于对大量实测数据的收集、整合、分析、处理，及所建立分析模型的准确性。目前的监测技术采用了大量传感器，监测信号的准确程度高度依赖于传感器精度及实时监测可行性。目前，我国已在福清核电厂、台山核电厂、石岛湾核电厂等并网运行机组收集了大量数据，这为建立行之有效的监测方案打下了坚实基础，核电设备运行数据分析同样也将会是核电密封技术未来重点发展的方向。

　　3 结论与展望

　　综上，在国家政策的引导及科技发展的推动之下，我国核电行业已经有了长足的发展。在大量运行经验的基础上，核电密封技术正逐步跨入国产化时代。同时，核电密封运行状态监测手段不断扩展，监测分析模型不断完善。但尽管如此，该领域仍存在不少技术难点尚未攻克，尚未实现完全的自主化。

　　随着我国制造业的飞速发展与信息技术时代的到来，未来的核电密封技术将依托于更加精巧的密封结构、愈发成熟的密封材料、精度更高的加工工艺，有望不断取得性能突破。此外，得益于强大的计算能力与多元化监测手段，密封系统故障监测与诊断技术亦有望进入高速发展新时代。具体阐述如下。

　　(1) 密封结构一体化。趋向于 “一体化” 的结构会使得密封系统的拆卸更加便捷，有效减小安装误差，提升运行安全性和可靠性，便于密封检修，甚至可实现不停机检修甚至更换。

　　(2) 加工工艺精细化。工业机床精度优化会促进密封成品的精度提升，从而使密封系统具有更加优异的密封性能与运行稳定性。

　　(3) 密封材料创新化。复合材料已经成为消除单一材料弊端的有效手段，开发高参数工况下更加稳定的密封材料，优化材料性能，能够提升密封系统的使用寿命，应对更复杂、更严苛的运行工况。

　　(4) 密封监测自主化。随着信息技术的日益成熟，进行更为精准的信号实时监测、基于可靠的故障分析模型实现密封元件运行状态的即时收集分析，或可实现基于云端技术的远程监控多地协同应用。

李靖威;王娅琦;童光明;王 晨,生态环境部核与辐射安全中心;中核战略规划研究总院有限公司;施耐德电气 (中国) 有限公司深圳分公司;清华大学核能与新能源技术研究院,202501