CN118328220B - 一种聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构及其检漏方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及聚变堆密封领域，公开了一种聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构及其检漏方法，包括顶盖法兰、第一密封圈、中筒法兰、第二密封圈和第一阀门，顶盖法兰与中筒法兰的一侧抵接，并在另一侧限定形成开口的第一容置空间，第一密封圈安装于顶盖法兰与中筒法兰的抵接面，第二密封圈安装于第一容置空间内并与顶盖法兰和中筒法兰共同限定形成次级真空室，第一阀门与次级真空室连通。本发明的有益效果为：整体结构简单、可重复密封、密封性能优异、检漏操作简单、效率高等优点，无需将大空间的杜瓦真空室进行抽真空，为聚变能装置中大圈径部件的密封结构和检漏设计提供了新的思路。

Description

一种聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构及其检漏方法

技术领域

本发明涉及聚变堆密封领域，特别是涉及一种聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构及其检漏方法。

背景技术

密封设计对核聚变装置至关重要，它直接关系到装置的性能、安全性和可靠性。核聚变反应需要在高真空环境中进行，以确保高温等离子体的稳定性和性能，保证装置的长期运行；同时也需要防止气体和放射性物质泄漏。而杜瓦是隔绝聚变环境和外部空间、保证核聚变反应真空度的重要装置。其密封设计对整个核聚变装置而言至关重要。

未来核聚变装置的杜瓦密封截面通常具有较大圈径（≥15m）。大圈径部件密封界面尺寸加工误差大，密封泄漏路径长，普通密封难以保证较低泄漏率，从而无法获得所需杜瓦真空度；其次未来聚变能装置D-T运行会带来强辐照，传统的橡胶密封技术在辐射环境下无法实现可靠密封。

ITER最早在聚变领域采用了唇形金属密封设计，采用两个高度完全一致的U形金属密封片在杜瓦顶盖和环体装配时恰好贴合进行密封。该密封方法虽简单，且无需预紧载荷，但存在较大局限性。即没有考虑超大法兰加工面误差对杜瓦密封带来的影响。实际装配中，由于误差，唇形金属密封片可能难以实现完美贴合达到预期的密封效果。

除此之外，如何对大圈径杜瓦密封结构进行检漏，保证密封结构的可靠性也是一个难题。若采用传统的检漏方法，则需要对杜瓦内部空间进行抽真空。由于杜瓦内部空间较大，将其抽至检漏所需真空度耗时费力。而且由于杜瓦本身可能也存在漏孔，密封结构中存在的漏孔将更加难以被检测。总而言之，针对于大圈径杜瓦密封结构的传统检漏方法，其检漏成本高，检漏效率及灵敏度也较低。因此，本发明针对目前聚变环境中大圈径杜瓦部件面临的密封及其检漏难题，提出了一种新的密封结构及检漏方法。

发明内容

本申请的目的是提供一种聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构及其检漏方法，以解决目前聚变环境中大圈径杜瓦部件密封和检漏困难的问题。

本申请的目的是通过如下技术方案实现的：

一种聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构，包括：顶盖法兰、第一密封圈、中筒法兰、第二密封圈和第一阀门，所述顶盖法兰与所述中筒法兰的一侧抵接，并在另一侧限定形成开口的第一容置空间，所述第一密封圈安装于所述顶盖法兰与所述中筒法兰的抵接面，所述第二密封圈安装于所述第一容置空间内并与所述顶盖法兰和所述中筒法兰共同限定形成次级真空室，所述第一阀门与所述次级真空室连通。

本申请的一些实施例中，还包括KF法兰，所述KF法兰设置于所述第一阀门和所述次级真空室之间。

本申请的一些实施例中，所述中筒法兰与所述顶盖法兰的抵接面上开设有凹槽，所述第一密封圈安装于所述凹槽。

本申请的一些实施例中，所述第一密封圈为氟橡胶O型密封圈。

本申请的一些实施例中，所述第二密封圈为金属唇形密封组，包括第一金属唇形密封件和第二金属唇形密封件，所述第一金属唇形密封件的根部与所述顶盖法兰焊接连接，所述第二金属唇形密封件的根部与所述中筒法兰焊接连接，所述第一金属唇形密封件的唇嘴部分与所述第二金属唇形密封件的唇嘴部分焊接连接。

本申请的一些实施例中，所述第一金属唇形密封件与所述顶盖法兰的焊接位置距离所述顶盖法兰轴线的距离与所述第二金属唇形密封件与所述中筒法兰的焊接位置距离所述顶盖法兰轴线的距离相等。

一种如上述所述的聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构的检漏方法，包括如下步骤：

S1：准备氦气瓶、氦质谱检漏仪和真空泵组；

S2：将所述真空泵组与所述第一阀门连通，并开启所述第一阀门对所述次级真空室进行预抽真空，待所述次级真空室真空度达标后关闭所述第一阀门和所述真空泵组；

S3：将所述氦质谱检漏仪与所述第一阀门连通，并开启所述第一阀门和所述氦质谱检漏仪，然后将所述氦气瓶的喷嘴对向所述第二密封圈的密封位置；

S4：开启所述氦气瓶，观察所述氦质谱检漏仪结果，查找微小漏气点。

本申请的一些实施例中，在步骤S1中，还设有第二阀门和第三阀门，依次连接所述氦质谱检漏仪、所述第二阀门和所述总阀门形成第一支路，同时依次连接所述真空泵组、所述第三阀门和所述总阀门形成第二支路。

本申请的一些实施例中，在步骤S2中，在开启所述第一阀门的同时，关闭所述第二阀门并开启所述第三阀门和所述真空泵组。

本申请的一些实施例中，在步骤S3中，在开启所述第一阀门的同时，开启所述第二阀门和所述氦质谱检漏仪。

本申请的聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构及其检漏方法，使用的金属唇形密封件具有耐高温、抗辐照等优良性能，可以很好地适应聚变环境，利用了两个金属唇形密封件相互挤压，发生弹性变形实现密封，密封效果主要与变形后的接触压力和接触面积有关，降低了加工及装配误差对密封效果的影响；在顶盖法兰和中筒法兰的近高真空侧，还使用了氟橡胶O型密封圈，利用其与金属唇形密封组形成的次级真空室来对密封进行检漏，避免了大空间检漏的弊端，提高了检漏效率，具有整体结构简单、可重复密封、密封性能优异、检漏操作简单、效率高等优点，为聚变能装置中大圈径部件的密封结构和检漏设计提供了新的思路。

附图说明

图1是本申请的密封结构进行检漏时的示意图；

图2是本申请的密封结构示意图；

图3是本申请的金属唇形密封件未压缩时的结构图。

图中，1、顶盖法兰；2、第一密封圈；3、中筒法兰；31、凹槽；4、第二密封圈；41、第一金属唇形密封件；42、第二金属唇形密封件；5、第一阀门；6、第一容置空间；7、次级真空室；8、KF法兰；9、氦气瓶；10、氦质谱检漏仪；11、真空泵组；12、第二阀门；13、第三阀门。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本申请的描述中，应当理解的是，本申请中采用的术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、2所示，本申请实施例的第一方面提出一种聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构，包括：顶盖法兰1、第一密封圈2、中筒法兰3、第二密封圈4和第一阀门5，所述顶盖法兰1与所述中筒法兰3的一侧抵接，并在另一侧限定形成开口的第一容置空间6，所述第一密封圈2安装于所述顶盖法兰1与所述中筒法兰3的抵接面，所述第二密封圈4安装于所述第一容置空间6内并与所述顶盖法兰1和所述中筒法兰3共同限定形成次级真空室7，所述第一阀门5与所述次级真空室7连通。

基于上述技术方案，本申请的聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构，为了验证顶盖法兰1与中筒法兰3安装形成的杜瓦真空室的密封性能，采用次级真空室7的方式，首先，顶盖法兰1与中筒法兰3的接触面设置第一密封圈2，防止次级真空室7内的气体成为杜瓦真空室中的气源，同时也能够防止杜瓦真空室内的真空泄漏失效；其次，在杜瓦真空室形成的高真空侧的另一侧，通过第二密封圈4与顶盖法兰1和中筒法兰3共同限定形成次级真空室7；最后，利用第一阀门5与次级真空室7连通的特性，可以将抽真空用的装置与第一阀门5连通，从而进行抽真空操作。此时，完成抽真空操作的次级真空室7为确定的真空状态，若第二密封圈4位置存在密封不严的问题，就会导致次级真空室7内出现空气，通过测试装置可以容易的测得，从而无需对大容量的杜瓦真空室进行抽真空，具有整体结构简单、可重复密封、密封性能优异、检漏操作简单、效率高等优点，为聚变能装置中大圈径部件的密封结构和检漏设计提供了新的思路。

本申请的一些实施例中，如图1、2所示，还包括KF法兰8，所述KF法兰8设置于所述第一阀门5和所述次级真空室7之间。KF法兰8设置于第一阀门5和次级真空室7之间，KF法兰8结构稳定，能够可靠的完成第一阀门5与次级真空室7之间的管路连接。

本申请的一些实施例中，如图1、2所示，所述中筒法兰3与所述顶盖法兰1的抵接面上开设有凹槽31，所述第一密封圈2安装于所述凹槽31。凹槽31的作用是用于安装第一密封圈2，由于第一密封圈2具有一定的体积，为了保证密封性能，需要设计凹槽31以适应性的稳定安装第一密封圈2。

本申请的一些实施例中，如图1、2所示，所述第一密封圈2为氟橡胶O型密封圈。氟橡胶密封圈结构简单，密封性能好，O型密封圈则可以很好的适应聚变堆装置的结构，实现稳定的密封。

本申请的一些实施例中，如图1-3所示，所述第二密封圈4为金属唇形密封组，包括第一金属唇形密封件41和第二金属唇形密封件42，所述第一金属唇形密封件41的根部与所述顶盖法兰1焊接连接，所述第二金属唇形密封件42的根部与所述中筒法兰3焊接连接，所述第一金属唇形密封件41的唇嘴部分与所述第二金属唇形密封件42的唇嘴部分焊接连接。第二密封圈4采用金属材质，优选的采用SS304L不锈钢制成，最终制成的金属唇形密封件具有耐高温、抗辐照等优良性能，可以很好地适应聚变环境；利用了两个金属唇形密封件相互挤压，发生弹性变形实现密封，密封效果主要与变形后的接触压力和接触面积有关，降低了加工及装配误差对密封效果的影响。而第一金属唇形密封件41和第二金属唇形密封件42均采用焊接的方式，将顶盖法兰1、第一金属唇形密封件41、第二金属唇形密封件42和中筒法兰3依次密封连接起来，从而保证密封效果。

具体的，如图1、2所示，所述第一金属唇形密封件41与所述顶盖法兰1的焊接位置距离所述顶盖法兰1轴线的距离与所述第二金属唇形密封件42与所述中筒法兰3的焊接位置距离所述顶盖法兰1轴线的距离相等。焊接位置距离相等可以保证安装结构的整体稳定性，避免因为歪斜等问题导致连接结构不稳的情况出现。

如图1所示，本申请的实施例的第二方面提供一种如上述所述的聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构的检漏方法，包括如下步骤：

S1：准备氦气瓶9、氦质谱检漏仪10和真空泵组11；

S2：将所述真空泵组11与所述第一阀门5连通，并开启所述第一阀门5对所述次级真空室7进行预抽真空，待所述次级真空室7真空度达标后关闭所述第一阀门5和所述真空泵组11；

S3：将所述氦质谱检漏仪10与所述第一阀门5连通，并开启所述第一阀门5和所述氦质谱检漏仪10，然后将所述氦气瓶9的喷嘴对向所述第二密封圈4的密封位置；

S4：开启所述氦气瓶9，观察所述氦质谱检漏仪10结果，查找微小漏气点。

基于上述技术方案，通过真空泵组11与第一阀门5连通，可以将次级真空室7进行抽真空操作，并且氦气瓶9可以向第二密封圈4的方向吹出氦气，配合与次级真空室7连通的氦质谱检漏仪10，可以直观有效的验证氦气是否通过第二密封圈4进入到次级真空室7中，从而检测出第二密封圈4的密封性能，即使是微小的漏气点也能够被检测出来，可靠性高。

本申请的一些实施例中，如图1所示，在步骤S1中，还设有第二阀门12和第三阀门13，依次连接所述氦质谱检漏仪10、所述第二阀门12和所述总阀门形成第一支路，同时依次连接所述真空泵组11、所述第三阀门13和所述总阀门形成第二支路。为了避免在第一阀门5上的不断安装和拆卸，可以设置第二阀门12和第三阀门13，第二阀门12与氦质谱检漏仪10连接，用于控制氦质谱检漏仪10的开启和关闭，第三阀门13与真空泵组11连接，用于控制真空泵组11的开启和关闭，采用上述方式，可以有效降低操作的复杂性，仅需对各阀门进行控制即可。

具体的，如图1所示，在步骤S2中，在开启所述第一阀门5的同时，关闭所述第二阀门12并开启所述第三阀门13和所述真空泵组11。在完成了各阀门与各结构之间的连接后，首先要对次级真空室7进行抽真空，为了保证抽真空流路的畅通，需要在开启真空泵组11的同时打开第一阀门5和第三阀门13，并关闭第二阀门12避免损坏氦质谱检漏仪10。

更具体的，如图1所示，在步骤S3中，在开启所述第一阀门5的同时，开启所述第二阀门12和所述氦质谱检漏仪10。在完成了抽真空操作后，即可关闭第三阀门13，并同时开启第一阀门5和第二阀门12，利用氦质谱检漏仪10对次级真空室7进行检漏，观察是否有氦气泄漏进入次级真空室7中，若有氦气泄漏进入次级真空室7中，则说明第二密封圈4存在漏气问题；若无氦气泄漏进入次级真空室7中，则说明第二密封圈4密封性能好，不存在漏气问题。

综上，本申请的聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构及其检漏方法，使用的金属唇形密封件具有耐高温、抗辐照等优良性能，可以很好地适应聚变环境，利用了两个金属唇形密封件相互挤压，发生弹性变形实现密封，密封效果主要与变形后的接触压力和接触面积有关，降低了加工及装配误差对密封效果的影响；在顶盖法兰1和中筒法兰3的近高真空侧，还使用了氟橡胶O型密封圈，利用其与金属唇形密封组形成的次级真空室7来对密封进行检漏，避免了大空间检漏的弊端，提高了检漏效率，具有整体结构简单、可重复密封、密封性能优异、检漏操作简单、效率高等优点，为聚变能装置中大圈径部件的密封结构和检漏设计提供了新的思路。

以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构，其特征在于，包括：顶盖法兰、第一密封圈、中筒法兰、第二密封圈和第一阀门，所述顶盖法兰与所述中筒法兰的一侧抵接，并在另一侧限定形成开口的第一容置空间，所述第一密封圈安装于所述顶盖法兰与所述中筒法兰的抵接面，所述第二密封圈安装于所述第一容置空间内并与所述顶盖法兰和所述中筒法兰共同限定形成次级真空室，所述第一阀门与所述次级真空室连通；

所述第二密封圈为金属唇形密封组，包括第一金属唇形密封件和第二金属唇形密封件，所述第一金属唇形密封件的根部与所述顶盖法兰焊接连接，所述第二金属唇形密封件的根部与所述中筒法兰焊接连接，所述第一金属唇形密封件的唇嘴部分与所述第二金属唇形密封件的唇嘴部分焊接连接。

2.根据权利要求1所述的聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构，其特征在于，还包括KF法兰，所述KF法兰设置于所述第一阀门和所述次级真空室之间。

3.根据权利要求1所述的聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构，其特征在于，所述中筒法兰与所述顶盖法兰的抵接面上开设有凹槽，所述第一密封圈安装于所述凹槽。

4.根据权利要求1所述的聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构，其特征在于，所述第一密封圈为氟橡胶O型密封圈。

5.根据权利要求1所述的聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构，其特征在于，所述第一金属唇形密封件与所述顶盖法兰的焊接位置距离所述顶盖法兰轴线的距离与所述第二金属唇形密封件与所述中筒法兰的焊接位置距离所述顶盖法兰轴线的距离相等。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构的检漏方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：准备氦气瓶、氦质谱检漏仪和真空泵组；

S2：将所述真空泵组与所述第一阀门连通，并开启所述第一阀门对所述次级真空室进行预抽真空，待所述次级真空室真空度达标后关闭所述第一阀门和所述真空泵组；

S3：将所述氦质谱检漏仪与所述第一阀门连通，并开启所述第一阀门和所述氦质谱检漏仪，然后将所述氦气瓶的喷嘴对向所述第二密封圈的密封位置；

S4：开启所述氦气瓶，观察所述氦质谱检漏仪结果，查找微小漏气点。

7.根据权利要求6所述的聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构的检漏方法，其特征在于，在步骤S1中，还设有第二阀门和第三阀门，依次连接所述氦质谱检漏仪、所述第二阀门和所述第一阀门形成第一支路，同时依次连接所述真空泵组、所述第三阀门和所述第一阀门形成第二支路。

8.根据权利要求7所述的聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构的检漏方法，其特征在于，在步骤S2中，在开启所述第一阀门的同时，关闭所述第二阀门并开启所述第三阀门和所述真空泵组。

9.根据权利要求8所述的聚变堆装置大圈径高补偿金属密封结构的检漏方法，其特征在于，在步骤S3中，在开启所述第一阀门的同时，开启所述第二阀门和所述氦质谱检漏仪。