引言

　　當今能源行業的發展趨勢及政策導向均緊密圍繞 “綠色低碳、安全高效” 的總體目標，核能、水電、風電、氫能等綠色能源所占比重逐年增加。核能作為高效、可持續性強的清潔能源，目前已被廣泛應用于軍工、民商用等領域。如何確保核電廠的安全穩定運行始終是科學研究及工程實踐過程中的關注焦點。其中，密封系統對于維持核反應堆長壽命穩定運行起到關鍵作用，也是制約核電快速發展的重要原因之一。

　　密封需求無處不在，密封的形式根據其應用場景及阻漏需求可分為動密封及靜密封，動密封按照接觸方式還可分為接觸式密封和非接觸式密封，以上多種密封在核電設備中均有大量應用。

　　核電領域經過了近一個世紀的發展，目前第四代反應堆技術已成功設計并得到應用，核反應堆正朝小型化、模塊化趨勢發展，對其運行可靠性的要求相比前代技術更為嚴格，相應地也對密封元件的結構提出了新的挑戰。并且與常規密封相比，核電設備中使用的密封元件不僅要面對高溫高壓的惡劣工況，還需承受較高的輻照劑量，這對密封材料性能提出了極高的要求。除密封元件結構與密封材料外，精準實現密封系統運行的狀態監測和故障分析是優化密封結構設計、指導密封材料升級、保障核電設備安全可靠運行的重要手段。

　　本文主要介紹了核電裝備中的密封技術研究進展。首先結合實例闡述了幾種典型的密封技術應用場景及發展現狀，對多種密封材料的性能及其優缺點進行對比分析，并綜述了現役核電廠密封故障監測技術。基于以上討論，歸納總結了當前核電密封技術的發展現狀及面臨的問題，并對未來該領域的發展方向進行了展望。

　　1 核電裝備密封技術應用

　　本節就核電裝備中的主要密封類型進行介紹。密封技術的發展源自嚴苛的工程需求及復雜多樣的應用場景，在核電設備中，密封元件要確保在高壓、高溫、高輻照的高參數工況下實現嚴格且穩定的密封。動密封的泄漏量遠高于靜密封的，因此，核電設備中需盡量減少動密封，從而使靜密封的應用遠多于動密封，比如墊圈密封、貫穿件密封等。在核島一回路中，核主泵是唯一的轉動設備，也是唯一需要使用動密封的設備，核主泵密封是我國目前重點攻關的 “卡脖子” 難題之一。核電設備不僅包括堆芯、一回路等涉核部分，還包括常規發電機組。發電廠將不同類型能源轉化為機械能并進行發電，核電廠則是將反應堆產生的熱能通過汽輪機設備轉化為機械能。這就意味著除核島外的發電機組同樣有大量的密封需求。

　　密封材料是密封系統設計過程中所需考慮的重要問題之一，可以說密封材料性能決定了密封能力的 “上限”。面對大量的中子沖擊，如何應對金屬材料腫脹變形;交變熱沖擊條件下密封材料間是否會發生失配;高溫高壓條件下密封材料出現松弛、蠕變等老化現象;動密封的密封環變形造成密封間隙變化;如何提升接觸式密封摩擦副材料在高速工況下的耐磨性等一系列密封材料性能優化問題均制約著核電密封技術的發展。

　　自 2020 年我國在聯合國大會上提出 “雙碳” 目標以來，核能作為重要清潔能源之一正迎來更為強勁的發展勢頭。但與其他清潔能源不同的是，核安全是核電發展道路上不可忽視的，牽扯到人與自然的大事。針對于核設施的安全性，我國生態環境部及國際原子能組織等國內外核監管部門和組織不斷出臺、優化相關規章制度及行業標準以構建核安全屏障。

　　保障核反應堆安全運行離不開密封元件穩定運行的物理屏障，對密封系統實行有效的監測，并將監測數據與其運行狀態關聯，進一步指導密封系統的優化，提升密封性能、穩定性及壽命是行業內所要關注的重要方向。

　　1.1 核主泵密封

　　核主泵密封是目前我國尚未完全實現國產化的少數核電設備部件之一，其主要功能是嚴格控制一回路冷卻劑的泄漏量。目前國內外應用較多的核主泵密封結構為三級密封串聯結構。一級密封多采用非接觸式機械密封，如收斂錐面靜壓密封、波形表面密封、動壓型密封，其中波形表面密封結構同時利用了流體靜壓及流體動壓效應，屬于收斂錐面靜壓密封的改進型。二、三級密封則采用接觸式機械密封。在核主泵的嚴苛工作環境中，三級密封各司其職，一級密封需要承受約 15MPa 壓差，對泄漏量要求不嚴格;二級密封所承受壓差較小，為一級密封泄漏的流體壓力，需控制泄漏量，并在一級密封失效的情況下短時承擔一級密封作用;三級密封與二級密封類似，采用接觸式機械密封，其兩端幾乎沒有壓差，但需要嚴格控制泄漏量。三級密封的協同作用實現了在 15MPa 壓差下幾乎為零的泄漏需求。

　　目前，針對核主泵密封服役性能的研究主要從兩方面入手：實驗研究及數值模擬。考慮到核主泵密封的應用工況復雜，裝機試驗困難，國內外學者基于數值模擬方法進行了大量計算。應用在核主泵密封中的數值模擬方法包括計算流體力學(CFD)和有限元分析(FEA)等。通過多物理場耦合計算的方法，學者們研究了由于密封端面變形、安裝誤差造成的密封泄漏甚至出現端面碰磨問題造成密封損傷失效等情況。冷卻介質在核主泵的高速高溫工況下進行循環，伴隨著由介質相變引發的物性變化，密封參數隨即發生變化。Luan 等在進行熱彈流計算時則采用非恒定流體黏度以消除因溫度變化導致流體黏度差異造成的計算誤差。核主泵一級密封無論是設計、加工還是工況均為最復雜的一環，研究人員花費了大量精力建立更為精準的諸如熱彈流多物理場耦合模型以研究核主泵密封的動態性能，針對適用環境不同，各種動態計算模型可用來分析密封端面液膜動態剛度、抗振特性等運行特征參數，完善核主泵密封性能評價體系。

　　核主泵密封依托于密封端面間微米級流體膜實現端面潤滑與密封功能。因此密封端面平面度、兩端面變形協調是影響密封性能的關鍵，當變形量過大時甚至會導致密封端面碰磨失效。就核主泵密封環，目前普遍采用 “硬對軟” 設計，使用石墨及硬質合金作為密封環材料。石墨熱膨脹系數較小，且具有優異的耐磨性、自潤滑性以及輻照穩定性但質地較脆，干摩擦過程中磨損量較大。金屬材料強度高，韌性好，但在反應堆中高輻照環境下，會導致材料 “腫脹” 韌性降低。這對具有高平面度要求的密封環是極為不利的。高熵合金是解決金屬在高溫及高輻射工況下腫脹問題的新方案，其解決了常用不銹鋼等金屬材料的腫脹問題，還維持了優良的機械性能，在材料表面增加高熵合金涂層正作為一種提升密封抗輻照性能的手段開展應用研究。開發 “硬對硬” 的金屬密封環配對形式，在密封環上添加涂層材料可在減小密封端面變形的同時，提升密封端面的耐摩擦性能，保證密封端面平面度，解決動靜環密封端面變形不匹配以及磨損量大的問題，提升核主泵密封的壽命及安全性。

　　1.2 墊圈密封

　　靜密封在核電設備中的應用遠遠多于動密封，而墊圈密封則是靜密封中的 “主力軍”。為了實現結合處可重復拆裝，墊圈密封形式應運而生。高分子材料是墊圈密封等靜密封及動密封中輔助密封件的首選材料已被應用了百余年，這是因為其彈性高，且有些材料具有較強的耐磨性以及與金屬材料間更低的摩擦系數。應用于不同工況及場景的密封圈種類各不相同，例如在乏燃料后處理時，存在隔熱、防輻射等特殊需求，此時采用膨脹黏土或直接焊接封存;石墨密封圈或金屬密封圈等在法蘭間被廣泛應用。

　　因墊圈密封是依靠密封圈材料的彈性變形填充泄漏通道以達到抗壓、阻漏的目的，因此在設計選型時，主要考慮的就是密封材料的機械性能。密封圈優選彈性材料，例如高分子橡膠、柔性石墨、彈性金屬等。密封墊圈的截面形狀也需隨密封墊圈材料變化而優化，以平衡密封墊圈整體彈性，例如傳統橡膠 O 形圈，金屬 C 形圈，柔性石墨密封圈(截面矩形)等。

　　楊書益針對石墨墊圈的回彈率、壓縮率、密封泄漏率等性能參數進行了實驗研究，得到了不同加載速率、壓力、溫度等工況下石墨墊圈的密封性能變化規律，給出了具有參考價值的預應力數據。核用石墨墊圈相關的標準，于 2015 年出臺并沿用至今。O 形圈及 C 形圈回彈率、壓縮率及密封泄漏率同樣是表征密封圈性能的主要參數，由于截面形狀的特殊性，研究過程中還會關注充壓狀態下的密封圈變形規律。

　　目前，應用最為廣泛的就是各類橡膠及聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene, PTFE)等聚合物材料，除材料本身壓縮回彈性能外，核電設備中更關注其在高參數工況下的服役壽命。例如有學者對三元乙丙橡膠(Ethylene-Propylene-Diene Monomer, EPDM)進行了高溫、高輻照的加速老化試驗，模擬其運行 10 年的力學行為、泄漏特性變化規律，證明了三元乙丙橡膠作為彈性密封圈主體材料的可靠性;吳昆等針對核用聚四氟乙烯進行了熱老化試驗，并將熱老化法及熱失重法得到的老化模型進行擬合，發現重合度較好。楊全超等就福清核電廠主泵輔助密封圈利用微動平臺進行了抗振、摩擦磨損試驗，進一步驗證了工況條件下往復微動對三元乙丙橡膠密封圈摩擦磨損狀態的影響規律。明確橡膠材料老化規律是確保墊圈密封可靠的重要研究內容。高溫下橡膠材料老化嚴重，不耐高溫，這嚴重限制了墊圈密封在核電設備中的發展。因此發展出了諸如柔性石墨、金屬 O 形圈等彈性密封圈，但替代品彈性相較于橡膠材質仍有欠缺。復合材料將有望解決材料彈性、強度與耐高溫性能不兼容的問題。

　　1.3 貫穿件密封

　　貫穿件是實現核反應堆及其他殼結構表面電力與信號饋通功能的組件，它需要兼備在高溫、高壓、高輻照工況下的絕緣和密封的功能，屬于靜密封中比較特殊的一種密封形式。貫穿件密封使用密封材料對導針與殼體間空隙進行填充，密封材料包括聚醚醚酮(Polyetheretherketone, PEEK)、無機玻璃、陶瓷等。密封結構目前存在兩種類型，分別是：旋壓密封、玻璃 - 金屬封接。

　　旋壓密封通過壓緊螺母等手段對密封絕緣子施加軸向力促使其發生徑向變形以填滿密封間隙，主要應用的絕緣子材料是聚醚醚酮。旋壓密封的泄漏率可滿足需求，其突出優勢在于絕緣子可以進行拆卸更換，但其結構較復雜，且密封性能不如玻璃 - 金屬封接形式優異。玻璃 - 金屬封接形式貫穿件由金屬殼體、封接玻璃、導針 3 部分構成。封接玻璃位于金屬殼體與導針間，憑借其高強度、高電阻及高穩定性起到絕緣及密封的作用。由于玻璃 - 金屬封接屬于固定連接，只可進行整體更換，但憑借其 “一體化” 結構，泄漏率低于旋壓密封，且結構簡單，密封效果不受安裝誤差影響，且無機玻璃絕緣子相較于有機物絕緣子更抗輻照、耐高溫且不易老化。

　　無機非金屬材料在核電密封中同樣有著大量的應用，主要代表材料有石墨、無機玻璃、陶瓷等。以電氣貫穿件中所應用的玻璃絕緣子為例。玻璃絕緣子在應用工況下呈現硬脆性特征，玻璃內部應力的測量及預測是主要關注點。

　　有研究學者開發了不同的測量方法對玻璃內部應力變化規律進行了研究，并通過采用復合材料來增強玻璃機械強度，提高密封穩定性及可靠性。無機非金屬材料，以玻璃、陶瓷為例，多為硬脆性材料，耐壓不耐拉，因此，通常在材料制備過程中加入增強相以提升其力學性能，起到增強增韌的效果。同時，其具有較長的使用壽命，這導致了實驗手段難以預測老化過程，現有老化預測研究方法均借鑒橡膠材料或聚合物材料。構建行之有效的老化實驗及標準需要全行業共同的努力。

　　1.4 其他密封

　　除上述密封類型外還有許多其他密封形式應用在核電裝備中。例如用于軸承腔中密封油氣兩相介質或汽輪機軸端密封的浮環密封、刷式密封、迷宮密封等。以上密封均為動密封，且各有利弊。浮環密封是將浮環套置于轉軸之上，浮環內徑與轉軸外徑偏心間隙在流體動壓作用下產生上浮力，將浮環推起實現非接觸，屬于間隙密封，此類型密封非常適用于高速工況，且結構簡單，但大軸徑浮環加工精度較難保證;刷式密封將多層刷絲疊加在一起，刷絲尾端與轉軸接觸，起到密封作用，多用于油氣兩相介質的密封，但刷絲脫落會造成腔內污染;迷宮密封應用較早，結構簡單，依靠流體在梳齒間的動能損失實現密封作用，但泄漏量較大。在發電機組中的壓縮機、汽輪機、軸承腔中對于密封組件性能要求低于反應堆回路中應用的各種密封，且無耐輻照要求，因此采用常規密封技術及結構選型。

　　1.5 密封系統故障監測與診斷

　　工程人員在各核電廠的實際運行中收集了大量的實測數據、積累了大量經驗，并基于故障數據進行了匯總統計，分析了故障原因。研究人員提出了若干故障分析方法，并用于指導實際設施運行及修復。中核集團通過對福清核電廠主泵壓力及泄漏量數據進行收集分析，建立了用以監控運行狀態的算法。為了收集更為復雜的異常工況下的運行數據，也會進行諸如核電廠全廠斷電(Station Black-out Accident, SBO)等特殊事故下的探索實驗，探究如何在事故中確保堆芯安全。

　　對于核主泵密封，泄漏量是其最基本的性能參數及運行狀態評定指標，因此目前大多監測手段是以主泵冷卻劑流量及密封泄漏量輔助判斷核主泵密封是否正常運行。為了增強對動密封的監測精度，各種傳感器被應用于狀態監測中，如電渦流傳感器、振動傳感器、聲發射傳感器等，收集振動信號、密封環位移信號，通過構建信號數據庫，提取更為精準的故障特征信號用以表征故障類型。但進行原位監測對操作空間、密封結構有著較高要求，由于在高輻照環境下難以實現人為檢測，核檢測機器人的誕生可以有效解決這一問題。

　　數字孿生是目前較為熱門的研究方向，其可實現對密封系統運行狀態的實時監測并基于運行數據修正模型，依托于此技術能夠得到更為準確的運行模型，進而輔助設備故障的自我診斷，甚至故障自愈。

　　2 核電密封發展現狀及面臨問題

　　為實現 “雙碳” 目標，我國對于核能發展給予了足夠的重視與支持，截至目前，我國已有諸如 “華龍一號”、高溫氣冷堆等自主知識產權的核反應堆技術，且已經實現并網發電。雖然我國核電廠國產率高達 80%~90%，但諸如核主泵這樣的關鍵技術尚未完全自主掌握，玻璃 - 金屬封接等關鍵密封技術仍依賴于進口，這導致在一定程度上，我國核電設施暫時無法實現全部國產化的目標。

　　密封技術的發展受結構設計、加工工藝及密封材料 3 方面制約。好的結構設計離不開大量設計經驗的積累以及對海量密封結構的實驗總結，在進行結構設計時需考慮拆裝便捷性、結構簡便性、加工可行性。高端密封技術對加工工藝要求十分嚴苛，例如表面噴涂技術，其對平面度、粗糙度以及加工精度等均有明確要求。實現這一系列加工工藝同樣面臨諸多挑戰，以主泵密封為例，其靜環波形端面的加工精度很難達到，這對我國的基礎工業、車床、甚至是工業母機都提出了極高的要求，由此可知密封技術在結構優化方面面臨著重重阻力。如前所述，密封材料在核電設備中參數要求嚴格、服役環境惡劣，極易導致材料物性變化、力學性能衰減、結構參數偏離預期等問題，這對于密封運行可靠性來說是致命且不可控的威脅，同時材料壽命還決定了密封元件壽命。發展核用高端材料是進一步提高我國核電技術水平的關鍵所在。

　　對于設備運行狀態的準確判斷依賴于對大量實測數據的收集、整合、分析、處理，及所建立分析模型的準確性。目前的監測技術采用了大量傳感器，監測信號的準確程度高度依賴于傳感器精度及實時監測可行性。目前，我國已在福清核電廠、臺山核電廠、石島灣核電廠等并網運行機組收集了大量數據，這為建立行之有效的監測方案打下了堅實基礎，核電設備運行數據分析同樣也將會是核電密封技術未來重點發展的方向。

　　3 結論與展望

　　綜上，在國家政策的引導及科技發展的推動之下，我國核電行業已經有了長足的發展。在大量運行經驗的基礎上，核電密封技術正逐步跨入國產化時代。同時，核電密封運行狀態監測手段不斷擴展，監測分析模型不斷完善。但盡管如此，該領域仍存在不少技術難點尚未攻克，尚未實現完全的自主化。

　　隨著我國制造業的飛速發展與信息技術時代的到來，未來的核電密封技術將依托于更加精巧的密封結構、愈發成熟的密封材料、精度更高的加工工藝，有望不斷取得性能突破。此外，得益于強大的計算能力與多元化監測手段，密封系統故障監測與診斷技術亦有望進入高速發展新時代。具體闡述如下。

　　(1) 密封結構一體化。趨向于 “一體化” 的結構會使得密封系統的拆卸更加便捷，有效減小安裝誤差，提升運行安全性和可靠性，便于密封檢修，甚至可實現不停機檢修甚至更換。

　　(2) 加工工藝精細化。工業機床精度優化會促進密封成品的精度提升，從而使密封系統具有更加優異的密封性能與運行穩定性。

　　(3) 密封材料創新化。復合材料已經成為消除單一材料弊端的有效手段，開發高參數工況下更加穩定的密封材料，優化材料性能，能夠提升密封系統的使用壽命，應對更復雜、更嚴苛的運行工況。

　　(4) 密封監測自主化。隨著信息技術的日益成熟，進行更為精準的信號實時監測、基于可靠的故障分析模型實現密封元件運行狀態的即時收集分析，或可實現基于云端技術的遠程監控多地協同應用。

李靖威;王婭琦;童光明;王 晨,生態環境部核與輻射安全中心;中核戰略規劃研究總院有限公司;施耐德電氣 (中國) 有限公司深圳分公司;清華大學核能與新能源技術研究院,202501