一种螺栓密封结构及一种高通量工程试验堆的压力容器的制作方法

1.本发明涉及反应堆结构设计技术领域，具体涉及一种螺栓密封结构及一种高通量工程试验堆的压力容器。


背景技术：

2.核级反应堆压力容器通常由顶盖和容器两大部分组成，两者通过螺栓紧固件连接，同时由螺栓密封结构实现密封功能。反应堆正常的运行工况下，反应堆压力容器产生一定的内压。为保证反应堆压力容器在内压的作用下不产生顶盖和容器的轴向分离及堆内水的泄露，因此顶盖与容器之间设置有螺栓密封结构以保证运行时的密封性。
3.目前的螺栓密封结构采用单球面垫圈和主螺母的连接结构，不能更好地抑制密封结构在内压下的弯曲变形、顶盖与筒体法兰在内压下的轴向分离；无法满足高通量试验堆压力容器筒体法兰、顶盖间密封结构在整个反应堆寿期内不得泄露和无需维修的高可靠性要求。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是目前螺栓密封性能不佳，目的在于提供一种螺栓密封结构及一种高通量工程试验堆的压力容器，解决了无法适应高通量工程试验堆的问题。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.一种螺栓密封结构，包括：
7.主螺栓；
8.与所述主螺栓适配的紧固件；
9.下法兰，所述主螺栓的第一端与所述下法兰固定连接；
10.上法兰，所述上法兰与所述下法兰对应设置，且所述上法兰上设置有与所述主螺栓对应的通孔，所述主螺栓的第二端穿过所述通孔与所述紧固件固定连接；
11.其中，所述紧固件包括上垫圈、下垫圈和主螺母，所述主螺母与所述主螺栓的第二端螺纹连接，所述上垫圈和所述下垫圈均套装在所述主螺栓上，且所述上垫圈和所述下垫圈位于所述主螺母与所述上法兰之间；
12.所述主螺母对所述所述上垫圈、所述下垫圈和所述上法兰提供朝向所述下法兰的预紧力。
13.优选地，设定所述上法兰相对于所述下法兰所在的一侧为所述螺栓密封结构的上方；
14.所述下法兰和所述上法兰同轴设置，且所述下法兰的上侧面与所述上法兰的下侧面密封贴合；
15.所述主螺栓的下端设置有外螺纹，所述下法兰的上侧面设置与所述主螺栓适配的螺纹孔，所述主螺栓与所述下法兰通过所述外螺纹和所述螺纹孔固定连接；
16.所述主螺栓的上端穿过所述通孔与设置在所述上法兰上方的所述紧固件固定连
接；
17.其中，所述下垫圈设置在所述上垫圈的下方，所述主螺母设置在所述上垫圈的上方。
18.具体地，所述下垫圈的下侧面与所述上法兰的上侧面密封贴合，所述下垫圈的上侧面设置为倾斜面；
19.所述上垫圈的上侧面与所述主螺母的下端贴合，所述上垫圈的下侧面设置有与所述下垫圈的上侧面适配的倾斜面。
20.作为一个实施例，所述下垫圈的外环厚度大于所述下垫圈的内环厚度，所述上垫圈的外环厚度小于所述下垫圈的内环厚度。
21.进一步，所述螺栓密封结构还包括伸长测量杆，所述主螺栓的内设置有贯穿上下端面的长通孔，所述长通孔与所述主螺栓同轴设置，所述伸长测量杆设置在所述长通孔内，且所述伸长测量杆的下端与所述长通孔的下端固定连接；
22.所述伸长测量杆的直径不大于所述长通孔的内径，所述伸长测量杆长度不小于所述伸长测量杆的原长。
23.更进一步，所述螺栓密封结构还包括小螺帽，所述小螺帽与所述主螺栓的上端螺纹连接，所述小螺帽的顶端与所述主螺栓的上端面之间设置有间隙；
24.处于密封状态时，所述主螺母的上端面与所述主螺栓的上端面之间的距离小于所述小螺帽的长度。
25.作为一种优选，所述上法兰和所述下法兰之间设置有密封环组件，所述密封环组件包括：
26.金属密封圈；
27.弹性固定组件，所述上法兰的下侧面设置与所述上法兰同轴的环形槽，所述金属密封圈通过所述弹性固定组件卡合在所述环形槽内；
28.所述环形槽的深度小于所述金属密封圈的外径，所述环形槽宽度大于所述金属密封环的外径。
29.具体地，所述弹性固定组件的数量为多个，且沿所述上法兰的中轴线呈环形分布，所述弹性固定组件包括：
30.密封固定夹，所述密封固定夹包括固定圈和固定片，所述固定片的第一端与所述固定片的外沿固定连接；
31.固定螺钉，所述环形槽的内侧/外侧设置有螺钉孔，所述固定圈通过所述固定螺钉和所述螺钉孔与所述上法兰的下侧面固定连接；
32.处于密封状态时，所述固定片与所述金属密封圈的横截面的外环面外切。
33.优选地，所述环形槽的数量至少为两个，所述金属密封圈的数量至少为两个。
34.一种高通量工程试验堆的压力容器，包括上述的一种螺栓密封结构。
35.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
36.本发明通过将紧固件设置为上垫圈和下垫圈的组合结构，并通过主螺母施加预紧力，有效抑制了主螺栓、顶盖在内压作用下的弯曲变形和弯曲应力，进而有效控制了顶盖与筒体法兰在内压作用下的轴向分离量。
附图说明
37.附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
38.图1是根据本发明所述的一种螺栓密封结构的结构示意图。
39.图2是根据本发明所述的密封环组件的结构示意图。
40.附图标记：
[0041]1‑
小螺帽，2
‑
伸长测量杆，3
‑
主螺栓，4
‑
主螺母，5
‑
上垫圈，6
‑
下垫圈，7
‑
上法兰，8
‑
下法兰，9
‑
固定螺钉，10
‑
密封固定夹，11
‑
金属密封圈。
具体实施方式
[0042]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。
[0043]
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
[0044]
在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
[0045]
本实施例中提到的一种螺栓密封结构可以应用至多种需要将两个物体进行连接密封的环境，而为了描述清楚，本实施例提供一个具体应用的实施例，即将螺栓密封结构应用至一种高通量工程试验堆的压力容器中，本实施例中的螺栓密封结构用于连接压力容器的容器和顶盖，并使其保证密封。
[0046]
目前常用的反应堆压力容器顶盖与容器之间的螺栓密封结构，这种螺栓密封结构导向杆将顶盖法兰和容器法兰螺栓孔对应起来，再使用螺栓拉伸机等工具对对应的主螺栓3、主螺母4、垫圈等进行装配，实现容器法兰与顶盖之间的有效密封。
[0047]
由于高通量试验堆的特殊性，一般的螺栓密封结构在用于高通量试验堆时存在以下几种问题。
[0048]
1)不能更好地抑制密封结构在内压下的弯曲变形、顶盖与筒体法兰在内压下的轴向分离；
[0049]
2)仅能实现反应堆压力容器筒体法兰与顶盖的短期密封并存在较高的泄漏、维修等技术风险，无法满足高通量试验堆压力容器筒体法兰、顶盖间密封结构在整个反应堆寿期内不得泄露和无需维修的高可靠性要求；
[0050]
3)主螺栓3及主螺帽未采用不锈钢材料，不能满足在潮湿环境下长期安全运行的功能要求；
[0051]
因此为解决以上问题，以适应高通量试验堆，避免筒体法兰、顶盖间密封结构在整个反应堆寿期内出现腐蚀、泄漏、维修等技术风险。本发明提供了一种新的高通量试验堆用奥氏体不锈钢法兰的螺栓密封结构，包括下法兰8、上法兰7、主螺栓3和与主螺栓3适配的紧固件。
[0052]
实施例一
[0053]
上法兰7与下法兰8对应设置，一般情况下将下法兰8和上法兰7分开设置，下法兰8
与一个需要连接的装置固定连接，上法兰7与另一个需要连接的装置连接。
[0054]
在本实施例中，将下法兰8与容器固定连接，将上法兰7与顶盖固定连接。
[0055]
主螺栓3的第一端与下法兰8固定连接；固定连接方式可以有多种连接，如果为了便于拆卸，可以在下法兰8上设置一个螺纹孔，并在主螺栓3的第一端设置外螺纹，通过外螺纹进行连接。
[0056]
如果不需要进行拆卸，就可以直接通过焊接的方式将主螺栓3的第一端焊接在下法兰8上。
[0057]
上法兰7上设置有与主螺栓3对应的通孔，主螺栓3的第二端穿过通孔与紧固件固定连接；
[0058]
主螺栓3与下法兰8固定后，通过设置通孔可以起到上法兰7与下法兰8定位的目的，避免出现偏移。
[0059]
紧固件包括上垫圈5、下垫圈6和主螺母4，主螺母4与主螺栓3的第二端螺纹连接，上垫圈5和下垫圈6均套装在主螺栓3上，且上垫圈5和下垫圈6位于主螺母4与上法兰7之间；
[0060]
通过设置上垫圈5和下垫圈6，并通过主螺母4对上垫圈5、下垫圈6和上法兰7提供朝向下法兰8的预紧力，双垫圈的设置可以有效抑制主螺栓3、上法兰7在内压作用下的弯曲变形和弯曲应力，进而有效控制了上法兰7与下法兰8在内压作用下的轴向分离量。
[0061]
为了便于描述，对螺栓密封结构的方位进行限定，设定上法兰7相对于下法兰8所在的一侧为螺栓密封结构的上方，其方位只是为了便于对整体的结构进行描述，不对螺栓密封结构的具体使用方位进行限制。
[0062]
下法兰8和上法兰7同轴设置，且下法兰8的上侧面与上法兰7的下侧面密封贴合；
[0063]
主螺栓3的下端(即上述的第一端)设置有外螺纹，下法兰8的上侧面设置与主螺栓3适配的螺纹孔，主螺栓3与下法兰8通过外螺纹和螺纹孔固定连接；
[0064]
主螺栓3的上端(即上述的第二端)穿过通孔与设置在上法兰7上方的紧固件固定连接；
[0065]
其中，下垫圈6设置在上垫圈5的下方，主螺母4设置在上垫圈5的上方。
[0066]
上述结构是针对设定方位后对各个元件之间的关系进行确定，便于进行下述的描述。
[0067]
下垫圈6的下侧面与上法兰7的上侧面密封贴合，下垫圈6的上侧面设置为倾斜面；
[0068]
上垫圈5的上侧面与主螺母4的下端贴合，上垫圈5的下侧面设置有与下垫圈6的上侧面适配的倾斜面。
[0069]
通过将上垫圈5的下侧面和下垫圈6的上侧面均设置成为倾斜结构，进一步的有效抑制了密封结构在内压下的弯曲变形、上法兰7与下法兰8在内压下的轴向分离。
[0070]
并提供一个较优的实施例，即下垫圈6的外环厚度大于下垫圈6的内环厚度，上垫圈5的外环厚度小于下垫圈6的内环厚度。
[0071]
通过设置成为锥形面的结构，可以增加稳定性，避免出现偏移的情况。
[0072]
且可以对该实施例进行更优的优化，即将下垫圈6的外环与下垫圈6内环之间的倾斜面设置成为弧形结构，从而使下垫圈6的上侧面变为球形凹面，上垫圈5的下侧面变为与之对应的球形凸面。
[0073]
实施例二
[0074]
螺栓密封结构还包括伸长测量杆2，主螺栓3的内设置有贯穿上下端面的长通孔，长通孔与主螺栓3同轴设置，伸长测量杆2设置在长通孔内，且伸长测量杆2的下端与长通孔的下端固定连接；
[0075]
通过设置伸长测量杆2从而有效地控制了螺栓伸长量和预紧力的周向均匀性。
[0076]
在进行安装时，将伸长测量杆2插入至长通孔内，并将长通孔的下端与伸长测量杆2的下端固定连接(一般采用螺纹连接)。
[0077]
同时将设置伸长测量杆2的直径不大于长通孔的内径，伸长测量杆2长度不小于伸长测量杆2的原长，则可以实现主螺栓3在被拉伸时，伸长测量杆2不会随之拉伸，从而可以通过对伸长测量杆2的观察来实现对主螺栓3伸长量的测定。
[0078]
螺栓密封结构还包括小螺帽1，小螺帽1与主螺栓3的上端螺纹连接，小螺帽1的顶端与主螺栓3的上端面之间设置有间隙；
[0079]
处于密封状态时，主螺母4的上端面与主螺栓3的上端面之间的距离小于小螺帽1的长度。
[0080]
通过在主螺栓3的上端设置一个小螺帽1，可以避免杂物落入到处长通孔内，对伸长测量杆2的功能性能造成影响。
[0081]
同时，需要避免伸长测量杆2抵靠在小螺帽1上，避免对伸长测量杆2造成干涉。
[0082]
实施例三
[0083]
本实施例中，上法兰7和下法兰8之间增设置一个密封环组件，密封环组件包括：
[0084]
金属密封圈11，且上法兰7的下侧面设置与上法兰7同轴的环形槽，环形槽的深度小于金属密封圈11的外径，环形槽宽度大于金属密封环的外径。
[0085]
金属密封环高度与密封沟槽深度的合理比例设置有效控制了金属密封环压缩量，有效防止了金属密封环过度压缩、回弹失效和破坏，同时为预紧力抗内压分量(即下法兰8
‑
上法兰7接触面上的预紧力分量)和内压的合理调节预留了足够空间。
[0086]
金属密封环，具有优异的回弹性能(通过金属密封环结构、材料和工艺的合理设置实现)使得该螺栓密封结构具有良好的密封性能和内压适应能力，从而实现下法兰8与上法兰7之间的有效密封。
[0087]
弹性固定组件，金属密封圈11通过弹性固定组件卡合在环形槽内；弹性固定组件可以为多种结构，其主要做作用是固定。下面提供一个实施例。
[0088]
弹性固定组件包括密封固定夹10和固定螺钉9。
[0089]
密封固定夹10包括固定圈和固定片，固定片的第一端与固定片的外沿固定连接，固定片所在的平面与固定圈所在的平面呈钝角夹角。
[0090]
环形槽的内侧/外侧设置有螺钉孔，固定圈通过固定螺钉9和螺钉孔与上法兰7的下侧面固定连接；
[0091]
且为了避免在进行固定圈的固定时，固定螺钉9会突出上法兰7的下侧面，将螺钉孔设置为梯形螺孔，从而避免固定螺钉9突出。
[0092]
弹性固定组件的数量为多个(至少为3个，才能实现较佳的固定)，且沿上法兰7的中轴线呈环形分布，
[0093]
如图2所示，处于密封状态时，固定片与金属密封圈11的横截面的外环面外切，固定片为金属密封圈11提供朝向环形槽底部(图中上侧面)的作用力，使得金属密封圈11不会
从环形槽内脱落。
[0094]
如图2所示，环形槽的数量至少为两个，金属密封圈11的数量至少为两个，通过多金属密封环的冗余设计进一步的使得该螺栓密封结构具有良好的密封性能和内压适应能力，从而进一步的实现筒体法兰与顶盖之间的有效密封。
[0095]
另外的，因为高通量工程试验堆在内外均有水的潮湿环境下长期运行，螺栓密封结构的紧固件应具有良好的耐腐蚀性能。
[0096]
作为紧固件应具有良好的综合力学性能，且主螺栓3与主螺母4应具有一定的硬度差，以防止主螺栓3和主螺目出现咬死现象，因此主螺栓3采用成熟的05cr17ni4cu4nb不锈钢材料，主螺帽、上垫圈5、下垫圈6、小螺帽1等采用成熟的12cr13不锈钢材料。
[0097]
在进行组装时，首先将两个金属密封环装入密封槽安装好后，将下法兰8螺孔和上法兰7通孔方位一一对应。依次将对应的主螺栓3、上垫圈5、下垫圈6、主螺母4、伸长测量杆2装入对应的下法兰8与上法兰7中。
[0098]
使用螺栓拉伸机依据伸长测量杆2的长度，对主螺栓3进行拉伸，控制螺栓伸长量和预紧力的轴向分布，最后拧上小螺帽1。
[0099]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
[0100]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0101]
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。