通用機械兩項密封產(chǎn)品自主創(chuàng)新打破國外技術壟斷

中國液壓液力氣動密封行業(yè)企業(yè)堅持以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，把握世界新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革大勢，緊扣重要戰(zhàn)略機遇新內(nèi)涵，深入實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，加快創(chuàng)新型國家和世界科技強國建設，不斷增強經(jīng)濟創(chuàng)新力和競爭力。在過去的兩年里，涌現(xiàn)出一批具有標志性意義的重大科技成果。本年度，密封行業(yè)技術進步獎項目共評選出優(yōu)秀獲獎項目9項，其中：特等獎2項，二等獎2個，三等獎5項。



“高端陶瓷密封環(huán)成套技術開發(fā)及應用”項目榮獲中國液壓氣動密封件工業(yè)協(xié)會技術進步獎特等獎，由寧波伏爾肯科技股份有限公司、合肥通用機械研究院有限公司、清華大學共同完成。



在使用環(huán)境惡劣、工況條件苛刻、可靠性要求高的國防、核電等重要領域，具有高性能、高參數(shù)、高可靠要求的高端陶瓷密封環(huán)是各類重大裝備中極其關鍵的零部件，其制備技術是亟待攻關的技術難題。隨著國家戰(zhàn)略需求和主機技術的發(fā)展，對大尺寸高端陶瓷密封環(huán)的需求已達到300mm和500mm的級別，對我國相關產(chǎn)業(yè)成套技術開發(fā)能力提出了很高的要求。目前我國300mm級大尺寸高端陶瓷密封環(huán)基本依賴進口，而500mm級陶瓷密封環(huán)開發(fā)更是在國內(nèi)外都未見報道。在國家科技支撐計劃等項目支持下，項目團隊經(jīng)過十余年“產(chǎn)學研用”聯(lián)合攻關，取得了重大技術突破。



該項目擁有以下關鍵技術及創(chuàng)新點：



（1）建立了高端陶瓷密封環(huán)的材料設計技術體系。針對碳化硅陶瓷普遍存在的韌性不足及致密度不高的問題，通過研究碳化硅陶瓷的新原料、新助劑以及新配方，結合無壓與熱壓燒結工藝，采用變溫變壓技術，建立了高端陶瓷密封環(huán)的材料設計新體系，成功制備出性能達到或超過國際水平的高端陶瓷密封環(huán)，并大幅度提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。



（2）建立了超大尺寸密封環(huán)的制備工藝技術體系。針對大尺寸陶瓷密封環(huán)磨削易開裂、成品率低問題，通過磨削加工表面缺陷彌合技術、基于均化夾持力原理的大尺寸密封環(huán)裝夾工藝、基于分瓣分層自鎖原理的新型大尺寸燒結模具等創(chuàng)新技術研發(fā)，建立了大尺寸密封環(huán)的制備工藝體系，首次開發(fā)出滿足功能要求的低燒結開裂率、外徑達500mm超大尺寸密封環(huán)。



（3）建立了超大尺寸密封環(huán)的制造裝備設計技術體系。針對高端陶瓷密封環(huán)的新工藝要求，通過創(chuàng)新的雙溫熱壓腔室結構設計、自動化裝卸料功能的裝卸料機械手臂設計、基于“壓力反饋控制原理”的加壓頭壓力穩(wěn)壓技術、“非能動”安全保障技術等的研發(fā)，建立了超大尺寸密封環(huán)的智能化制造裝備設計體系，為支撐產(chǎn)品研發(fā)提供有力的裝備基礎。



（4）建立了完備的陶瓷材料及性能測試體系。針對重大裝備對陶瓷密封技術環(huán)高參數(shù)、高可靠、長壽命的要求，建立了從材料機械性能測試、標準試樣摩擦磨損特性測試、密封樣件臺架測試到密封產(chǎn)品環(huán)境負載樣機考核在內(nèi)的完整測試體系，可系統(tǒng)、有效評判產(chǎn)品綜合性能，對材料及工藝設計提供改進指導，滿足能源、國防等重要領域?qū)Ξa(chǎn)品嚴苛的考核要求。



本項目授權發(fā)明專利7項，形成企業(yè)標準1項、工藝文件1項、研究報告3篇，發(fā)表論文7篇近三年，基于本項目研制的碳化硅密封產(chǎn)品和延伸開發(fā)的其他陶瓷系列產(chǎn)品實現(xiàn)銷售收入2.53億元，利潤4335萬元，稅收2345萬元。目前，該項目已通過由中國機械工業(yè)聯(lián)合會組織召開的科技成果鑒定會，專家一致認為該成果整體技術達到國際先進水平。



高端陶瓷機械密封關鍵技術的突破使我國具備了研制高性能、高參數(shù)和高可靠性的密封環(huán)的能力，形成了從材料配方、工藝設計及裝備研發(fā)、檢驗檢測到產(chǎn)品成型的成套技術，打破了該類產(chǎn)品歐美國家對我國軍工領域的技術封鎖，軍事、經(jīng)濟和社會效益顯著，為我國具有自主知識產(chǎn)權的重要領域機械密封研發(fā)提供了關鍵基礎，并有力地推動了“中國制造2025”和“強基工程”的發(fā)展。



“華龍一號蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器用核級石墨密封墊片”項目榮獲中國液壓氣動密封件工業(yè)協(xié)會技術進步獎特等獎，由寧波天生密封件有限公司、中國核動力研究設院、清華大學、合肥通用機械研究院有限公司共同完成。



為滿足我國核電“走出去”戰(zhàn)略和自身發(fā)展需要，2013年4月25日，中國國家能源局主持召開了自主創(chuàng)新三代核電技術合作協(xié)調(diào)會，中廣核和中核同意在前期兩集團分別研發(fā)的ACPR1000+和ACP1000的基礎上，聯(lián)合開發(fā)“華龍一號”。



華龍一號蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器是壓水堆核電站反應堆冷卻劑系統(tǒng)的兩大關鍵設備，均為核安全1級、設計規(guī)范1級、抗震I類和質(zhì)量保證QA1級設備。為了在核電站換料停堆期間能對蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器進行檢查和維修，在蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器的承壓殼體上均設置了檢查通道。其中，蒸汽發(fā)生器一次側設置了人孔，二次側設置了人孔、手孔和檢查孔，穩(wěn)壓器設置了人孔。其中一次側的人孔是反應堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的重要組成部分，是核電站防止帶放射性物質(zhì)向大氣環(huán)境釋放的第二道安全屏障的一部分；二次側的開孔是二回路介質(zhì)壓力邊界的重要組成部分，直接影響蒸汽發(fā)生器執(zhí)行功能的能力。因此，對這些開孔密封結構中采用的墊片提出了較高的要求。



華龍一號蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器的開孔密封墊片在設計上均采用了石墨密封墊片。但是，由于目前國內(nèi)核電廠使用的這種石墨密封墊片還主要依靠從國外進口，價格昂貴，更重要的是因國內(nèi)尚不掌握其設計、制造和檢驗全套技術、沒有知識產(chǎn)權，會影響到我國核電走出國門戰(zhàn)略的實施。為了能夠?qū)崿F(xiàn)華龍一號蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器的核級石墨密封墊片設計自主化、制造自主化，形成完全自主的知識產(chǎn)權，同時也為了打破國外對該產(chǎn)品長期壟斷的局面，寧波天生密封件有限公司同中國核動力研究設計院、清華大學、合肥通用機械研究院一起開展了“華龍一號蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器用核級石墨密封墊片研制”工作。



華龍一號蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器用核級石墨密封墊片由緊密纏繞的柔性石墨帶和金屬內(nèi)外環(huán)限制環(huán)組合而成。其內(nèi)、外環(huán)起包容和支承柔性石墨密封環(huán)的作用，外環(huán)限制核級石墨環(huán)過壓縮。裝配時，墊片放在兩法蘭密封面之間，預緊螺栓直至金屬法蘭與金屬限制環(huán)接觸；運行時，追加的螺栓預緊載荷（超過金屬接觸的載荷），用以補償內(nèi)壓和其他機械載荷、熱循環(huán)、機械振動等對墊片應力減小的影響。該墊片在使用時還能達到“金屬碰金屬”的狀態(tài)，從而使石墨密封面的密封應力實現(xiàn)恒應力，提高了密封的可靠性。



在本項目實施中，共產(chǎn)生了2個發(fā)明專利，1個外觀設計專利，發(fā)表了3篇論文，還編制了浙江團體標準。



該項目在技術創(chuàng)新上，首先采用MMC（金屬碰金屬密封）密封結構+石墨密封墊片型式，有效降低法蘭損壞。然后通過降低了柔性石墨帶中硫、氯等有害元素含量，有效降低了有害元素對法蘭密封面引起的點蝕缺陷。同時，在研究制造中，公司掌握了墊片載荷（MMC應力、最小密封應力）、石墨環(huán)密度、容積、結構、制造偏差與回彈量和泄漏率等之間的關系，實現(xiàn)了墊片在低FMMC作用下，密封泄漏率可達到10-8Pa•m3/s量級，有效地避免該墊片在核電廠長期使用中因微量泄漏產(chǎn)生的硼結晶現(xiàn)象；而且為了完成所有試驗項目的研究，還設計、建造了國際先進的大型石墨墊片熱循環(huán)試驗裝置，攻克并掌握了全套試驗技術。



該項目研發(fā)的密封墊片主要服務于華龍一號核電機組蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器一次側人孔、二次側人孔、手孔、檢查孔處的密封，目前已應用于防城港4號機組、漳州核電廠一期工程等項目。同時，研制的墊片及結構還可以推廣至其他于民用和軍用壓水堆核動力裝置的蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器的人孔、手孔、檢查孔的密封，甚至還可應用于其他核電站壓力容器和管道連接的密封。該密封墊片及結構形式除服務于華龍一號機組外，還為東方電氣、中國一重、哈電重裝等大型設備廠提供了相應服務。截止到2018年底，累計銷售額已達到1.2億元，新增利潤3000萬元，新增稅收2040萬元。



華龍一號蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器的核級石墨密封墊片的成功研制，擁有完全自主的知識產(chǎn)權，同時打破了國外對該產(chǎn)品長期壟斷的局面，大幅度提高核電裝備的自主化能力和國產(chǎn)化水平，很大程度上減少核電建設成本，有效地避免依賴國外進口的風險，還有效地保障了今后的維修、售后服務水平等。

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