核一级闸阀硬密封面的接触行为研究

2026年全国能源工作会议中明确提出了要“积极安全有序发展核电”，沿海核电基地的建设标志着自主三代核电技术的加速落地，核电的快速发展势必会对核级设备提出更为严苛的要求。在核电站中，核级阀门的数量众多，阀门的稳定运行是确保核电机组安全的重要基础。在核级阀门中，按照结构特征，通常将关闭件沿着通路中心线的垂直方向移动的阀门称为闸阀。闸阀主要应用在核一级系统的管道中，对其进行全开或者全关操作，具有流阻低、密封性能好、操作灵活、耐用性强等优点。然而，在长期使用过程中，闸阀会出现各种故障，其中闸板的密封失效是最常见的一种故障形式。

相关学者对闸阀的密封性能进行了大量研究。周留洋等针对传统闸阀中存在的法兰泄漏问题，设计了一种无阀盖闸阀，并通过实验验证了所设计的新型闸阀符合标准要求。邹光贵等提出高压工况下平板闸阀的主要失效形式为力矩异常，并且通过建立力矩计算模型明确了主要影响因素与失效机理。Yan等使用双向欧拉-拉格朗日法计算气动闸阀的气固两相流以及侵蚀速率。Teles等通过使用带有线性往复滑动的球面平面摩擦仪对样品进行测试来模拟阀门摩擦系统的运行情况，分析高压喷涂涂层对闸阀密封面摩擦特性的影响。Enekci等设计了一种标准闸阀，使用CFD方法对所设计的阀门进行了不同介质流速、不同楔形开口位置的模拟，最终确定了最佳楔形开口位置并对其进行了密封测试。Zagretdinov等利用声学信号来对闸阀的泄漏进行检测，研究表明，随着泄漏的减少，湍流涡流频率更高的区域在增加。王兰群等分析了密封面角度、对称轴尺寸等对楔式闸阀互换性的影响，并提出针对性的优化方案。陈建成等分析了高温高压工况下闸阀阀杆的断裂原因，并提出了包含密封区结构优化的改进措施。Li等基于改进的卷积神经网络来智能识别阀门的内部泄漏问题。俞飞等对楔式闸阀闸板的环形槽及密封面进行优化，优化后的结构受温度的影响较小。赵安东等对火电厂主蒸汽系统中使用的平行双闸板闸阀进行了密封结构的优化设计，提出了一种楔形补偿方案，提高了该闸阀在使用过程中的可靠性。黄鋆等则是对阀门的内漏展开综述，分析了电厂闸阀的内漏机理，得出电厂闸阀的密封失效主要形式为密封面冲刷。

在研究密封失效时，离不开对密封面上接触状态的研究。秦豪等对液压换向阀中使用的O形圈密封结构进行研究，分析了不同工况下密封面上的摩擦力并搭建试验台进行验证。偶国富等建立了考虑表面粗糙度的金属硬密封平面等效接触方程，揭示了粗糙度与纹理方向对接触压力和泄漏量的定量影响规律。杨国来等通过热固耦合有限元仿真，探讨了大口径球阀的密封面接触间隙变化，并进行了泄漏影响因素的灵敏度分析。杨步超等结合接触力学理论与疲劳分析方法，研究了高压工况下密封面的接触应力分布特征及其对接触疲劳寿命的影响机制。刘帅帅等构建了考虑温度场效应的密封面接触有限元模型，分析了高温环境下密封面宽度与压力角对接触比压的影响。Jaszak等提出了一种计算平行平面与金属垫片锐利棱角界面处渗透率的方法。Persson等基于逾渗理论和多尺度接触力学，从微观接触状态的角度解释了粗糙界面泄漏通道的形成机理及漏率的理论边界，此后又深入探讨了金属密封界面在高压下发生塑性屈服后，接触状态（临界孔径）的改变如何导致泄漏率的非线性变化。Peng等对比了GW多微凸体模型与Persson放大倍率理论在描述球阀金属密封接触状态时的差异，并量化了塑性变形对泄漏计算的影响。Haruyama等通过有限元模拟与氦气泄漏实验，验证了表面粗糙度对金属垫片密封面接触宽度及接触应力分布的显著影响。

综上所述，目前对硬密封的密封性能优化以及密封面接触状态的研究较多，然而将其应用在核电系统闸阀上的研究较少。基于此，本文以核一级闸阀的硬密封面为研究对象，分析了在核一级系统中典型温度压力工况对密封面接触状态的影响。

核电站一回路闸阀采用C型闸阀，闸板两边的密封面与流体流动通道的垂直方向呈5°楔形角，常用单闸板结构，核电站一回路闸阀实物图及密封部件图如图1所示。

(a)闸阀实物图与三维模型图  (b)闸阀密封部件剖面图

图1  核一级闸阀模型示意图

与闸阀密封相关的部件，如闸板、阀座、阀体，采用法国RCC-M规范中的M3301奥氏体不锈钢，阀座与闸板的硬密封堆焊层采用STL6合金，密封面的表面粗糙度为0.2 μm。在核一回路反应堆中，由于堆内构件如闸阀等在高温高压、强辐照等极端工况环境下工作，当辐照超过一定限度时，会发生辐照肿胀、局部变形、辐照老化等，影响不锈钢材料的屈服强度。因此，考虑辐照对材料力学性能的影响，参照RCC-M标准，设置材料参数见表1。

表1  考虑辐照的材料参数设置

核一级闸阀的密封面宽度bM为9 mm，工况介质为液态水，正常工作状态下的介质温度为343 ℃，压力为17.2 MPa，介质内压仅作用于闸板前端的部分区域。为了分析工况参数对核一级闸阀闸板和阀座接触行为的影响，本文选取常温低压、常温中压等九个典型工况状态进行研究，具体工况参数如表2所示。去除不影响密封的部件，只留下主密封部分的闸板、阀座以及阀体进行后续接触行为的影响分析。由于阀体安装在管路中，在阀体底面及出口端外表面设置固定约束边界；由于闸板与阀座的接触面为后续的主要研究对象，将阀座与阀体之间的接触区域设置为固定连接；闸板与阀座的接触区域设置为粗糙接触方法（Rough），粗糙接触不允许密封接触面之间发生切向滑动，但可以发生接触面间的法向分离，设置闸板端面为接触面，阀座端面为目标面。

表2  工况参数设置

常温状态下，在与介质接触的区域设置压力载荷进行静力学分析；中温及高温状态下，采用热固耦合的计算方式，在与介质相接触的区域设置对流传热边界，设置介质温度，阀体外部及出口区域设置空气对流传热系数20 W/m2·K，由此计算闸板与阀座上的温度分布，将计算的闸板及阀座的温度场作为输入条件之一，同时在与介质的接触区域设置压力载荷，进行静力学分析。

为了进行后续密封面接触状态的分析，需要对主密封结构进行模型离散化处理。在进行离散化处理时，需对闸板和阀座的接触面网格进行细化处理，以主密封面上某一方向的径向密封比压作为参考值，进行网格无关性验证，如图2所示。从图中可以看出，当网格数量从124276变化到175972时，阀座接触面上的密封比压分布规律与数值均存在较大差异，而当网格数量大于175972时，主密封结构接触面上的密封比压分布规律与数值基本相同。因此，考虑到计算准确性与计算成本，选择网格数量为241327进行后续的计算，即阀座设置网格尺寸2 mm，闸板设置网格尺寸3 mm，阀体设置网格尺寸5 mm。

图2  闸阀主密封结构网格无关性验证

3.1  常温典型压力工况

常温状态（22 ℃）下选取核一回路系统典型的介质压力工况，不同介质压力工况下闸阀闸板硬密封面的密封比压分布如图3所示。

(a)1 MPa  (b)8 MPa  (c)17.2 MPa

图3  不同压力下闸阀密封面密封比压分布

从图中可以看出，在相同温度、不同介质压力工况下，闸阀密封面上的密封比压分布情况基本一致，均呈现上端压力大、下端压力小的特点。这主要是因为密封面方向与介质流动方向不垂直，而是存在一定的压力角。此外，闸阀环形密封面上的密封比压从内径到外径呈现逐渐减小的趋势，这可能是由于内径处的面积较小，压力分布较集中，单位面积上承受的压力更大；而外径处的面积较大，介质压力分布相对分散，因此外径处的密封比压更低。

提取常温状态下密封面竖直方向的密封比压，如图4所示。下图更好地说明了闸阀密封面上的密封比压呈现上端大、下端小的特点。随着介质压力的增加，密封比压的峰值也在增加，且增加的幅度在不断变大，不同介质压力下的密封比压峰值均出现在密封面的内径处。在较高的介质压力下，密封面之间的接触面积较大，这是因为高压可以迫使密封材料更好地贴合，从而减小密封间隙，这种增加的接触面积会导致密封比压快速上升。

图4  闸阀密封面竖直方向密封比压分布

3.2  高压典型温度工况

在高压（17.2 MPa）状态下，选取核一回路常见的典型温度工况，对闸阀闸板硬密封面的密封比压分布进行分析，如图5所示。由于介质所处的压力较高，在进行数值仿真计算时需要打开塑性变形选项，并设置材料的塑性参数。从图中可以看出，不同温度下闸阀密封面上的密封比压仍呈现上端压力大下端压力小、从密封面内径向外径逐渐减小的特点，温度并没有改变密封面上密封比压的分布情况。随着介质温度的升高，在热应力的作用下，阀座密封面上存在径向温度梯度，导致闸阀密封面在径向上存在向外膨胀的趋势，从而使得环形密封面内径方向的密封比压逐渐增大；此外，介质温度的升高会导致密封面密封比压最大值明显升高，从而降低闸阀的密封性能。分析密封面上密封比压的最大值变化趋势，高温工况对闸阀密封面密封比压的影响显著大于高压工况的影响。

(a)22 ℃  (b)150 ℃ (c)343 ℃

图5 不同温度下闸阀密封面密封比压分布

为了更好地分析核一级系统典型工况参数对密封面接触变形的影响，提取9组不同工况下闸阀密封面内径处及外径处的变形量，如图6所示。与密封面上的密封比压分布类似，密封面的变形量也呈上端大下端小的分布特点，且内径处的变形量大于外径处。由于结构的对称性，无论是内径还是外径处的密封面变形均呈现左右对称的特点，随着温度和压力的升高，密封接触面上的变形量也在不断增大。对于密封面内径处，常温工况下，压力升高导致密封面的变形量增大，此时压力是引起密封面变形的主要因素；而对于中温和高温工况，压力升高导致的密封面变形并不明显，此时温度是引起变形的主要因素。而对于密封面外径处，常温和中温工况时变形量的变化规律与内径处一致，但在高温工况下，低压和中压时的变形量近似，而高压时的变形量反而更小，判断该现象是因为密封面外径处的变形量在高温状态与高压状态下的作用效果是相反的，高温会使密封面发生向外的热膨胀，而在高压状态下，材料的体积变化受到一定程度的限制，从而减少了由于热膨胀引起的变形。

(a)密封面内径处变形量  (b)密封面外径处变形量

图6  闸阀密封面变形量分布

本文以核一级闸阀的硬密封面为研究对象，分析了典型工况下硬密封面上的接触状态，主要包括密封面上的密封比压分布以及内外径的变形量分布。本文工作可为后续闸阀密封模型的建立以及硬密封接触面状态的深入研究提供参考。主要结论如下：

（1）在核一回路系统中，典型的温度（T）、压力（P）等工况参数都会对密封面的接触行为造成一定的影响。由于压力角的存在，密封面上的压力分布呈现上端压力大、下端压力小的特点。

（2）在相同温度、不同介质压力的工况下，密封面上密封比压的分布情况一致；随着压力增大，密封比压的增加幅度不断变大；温度升高不会影响密封比压的分布情况，但会导致密封比压明显升高。因此，温度对密封比压的影响要显著大于压力的影响。

（3）在温度和压力的作用下，密封面上的变形量呈现出上端大下端小的特点，且内径处的变形量要大于外径处。

引用格式：

高志岗,王照彤,马哲辉,等.核一级闸阀硬密封面的接触行为研究[J].阀门,2026,(7):803-808.DOI:10.16630/j.cnki.1002-5855.2026.07.014.