一种应用于聚变堆的多层密封的设计与分析
遥操作系统的设计是中国聚变工程实验堆(CFETR)中的一个关键问题，其中遥操作车的密封结构设计在整个停堆维护过程中起着重要作用，它是保证操作者可以安全、可靠和可重复性执行针对不同维护对象的维护任务的前提。文中首先介绍了CFETR 遥操作转运车以及双密封门的设计，针对多层密封的特点进行了优化改进；然后对密封圈的选材做了分析，并详细计算了所需密封力的大小，根据结果选择硬度50HS 的氟橡胶作为密封圈材料；最后设计了检漏的方案，对泄露情形做了分析，计算了压降和随时间变化关系，结果满足操作时间要求和系统安全要求。
中国聚变工程实验堆(CFETR)的目的在于，解决托卡马克装置中与氚自持及堆芯部件远程维护相关的工程难题。聚变反应堆的堆芯部件(装置主机、内部部件、窗口插件等)在运行过程中会受到放射性和有毒物质的污染，为了限制操作人员与有毒物质及电离辐射的接触，在对其维护中需要借助于遥操作手段在装置外部通过机器人完成相应部件的检查、装配、拆卸、焊接、运输、去污、储存、修复等操作。遥操作转运车(下简称CASK)作为远程维护的子系统，为真空室内部组件以及遥操作维护设备在热室和真空室之间的遥控转运，提供了一个可靠的、密闭的承载容器。其中，多层密封系统是CASK 车体与真空室窗口、热室对接的关键，它为整个对接过程提供了可靠的密封环境。
CASK 在工作运行期间会受到核污染物泄漏的影响，系统漏气率必须很低，因此对CASK的真空室密封有很高的要求。而且为了保障CASK 内部灵敏部件的寿命需要降低其所受辐射，CASK 与真空室窗口从对接到分离之间的时间限制在1 h 之内，这1 h 内要完成真空检漏、拆装螺钉、装卸内部部件等任务，所以需要紧凑完成。这些任务，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为都需要通过恰当的密封结构设计和检漏方案设计来实现，为实现定量评估还需要计算出系统漏率和检漏持续时间等相关参数。
1、设计
1.1、CASK 整体设计
CASK 应具有以下功能：(1) 为内部组件提供真空或者保持密封，此举是为了防止真空室污染(活化的尘埃、铍、氚气)的扩散；(2)具有一定的承载能力(约一百吨)保持对内部组件的装载；(3) 有足够的结构强度来承受外部的各种应力；(4) 自动导航系统以及CASK 的驱动控制系统，可以精确定位及执行；(5)内部装载各种机械臂，协助完成小车与真空室组件的交换；(6) 配置一套可靠的密封系统，完成与真空室及热室的对接。基于上述功能，将CASK 设计成上下两部分，即上部的密封车体和下部的气垫转运装置。这样设计的好处是，既能满足运载能力的要求，又能保证在与窗口对接后气垫装置与车体分离方便精确对接。而且在对接完成后，气垫装置可以与车体分离再装配到另外的CASK 上，这样就可以达到节省资源节省空间的目的。目前的标准CASK 设计结构如图1 所示：
图1 标准CASK 的结构设计
密封的车体构架材料采用316 L 不锈钢，波纹钢板的设计可以承受1.05 到0.90 bar 的内部压强，同时布置许多沟槽，用来加强内部传热速率。底座托盘作为车体的直接支撑，在车体与真空室法兰等对接时，内部要设置有准确的调整机制(CASK 校准制动器)。密封车体水平度调整用的电机和滑动轴承，最大调整位移是20 mm。用于底座托盘垂直位型调整用的四个液压剪型千斤顶，最大调整位移是75 mm。密封盒向前入坞动采用齿轮齿条提供动力，前后的最大位移是3米。表1 列出了CASK 自重及载重的情况。
表1 CASK 设计载重
CASK 在真空室和热室之间的移动，采取遥控方式进行操作，包括与窗口对接的时候，对准系统的控制、热室平台内部的操作以及与真空室对接时维修部件的转移，也都需要遥控完成。控制方式还需要考虑到在事故工况下，如何进行遥操作营救。与真空室和热室对接时，要求有足够的精度来满足对接校准和密封，避免与路径上的物体边界发生碰撞。在所有的工况条件下，CASK的移动速度要在一个安全、可控的范围内(0 到1 km/h)。在低速的范围内，速度控制也要精确可靠。
1.2、双密封门的设计
双密封门让CASK 与窗口之间的连接和分离，以一种可控的方式进行，它最大限度减少了活化尘埃和氚的泄漏。双密封门包括连接在一起的维护门和小车门。具体结构如图2 所示。
图2 双密封门结构图
双密封门的打开动作，由伸缩杆和导轨辅助完成，在车体内部向上倾斜，然后暂时储存在车体内部的顶部。小车门用于密封CASK 前端面，维护门用于密封真空室窗口法兰。维护门和小车门的连接和分离，由一套卡口和插销完成。为了避免真空室的污染物向大厅蔓延，在CASK 与真空室窗口法兰分离前，为维护门必须与法兰密封，直到下次CASK 完成与真空室对接。
1.3、多层密封的设计
真空室窗口和CASK 门之间的对接属于两个对接端面之间的密封连接，这是真空设备中常见的密封连接结构。如果只依赖对接两端面的直接密封，这种方式无法满足气密性要求。实验表明[1]即使对接两端面的做工非常平整且粗糙度很低，一条0.20 nm 的刻痕就能使其漏率达到1×10-8 Pam3/s。因此需要在两个对接面之间设计可靠的密封方式，让弹性体受压时可以堵塞漏气路径，通过弹性体与密封面的紧密贴合实现真空密封。
CASK 与真空室对接的接口结构主要由四部分组成：对接法兰机构、真空室窗口法兰、CASK前端表面、双密封门。图3 是小车密封门结构沿对称线剖开看到的双密封门的密封结构图的纵向剖视图。
图3 双密封门的密封结构
图中点状标记的位置需要进行密封。在CASK与真空室对接之前，首先要清理通道中的冷却管道及相关仪器设备，然后安装对接法兰机构。对接法兰机构主要提供了与车体前端的密封、与真空室窗口法兰的密封、与维护门的密封，仅在维护阶段使用。作用是尽量减少设备受到的放射性污染，以及在突发的地震工况下吸收建筑和真空室的位移差。
真空室窗口与对接法兰之间的固定由螺栓提供，同时螺栓将提供O 圈所需要的密封力确保密封性。CASK 前端与对接法兰的密封力由CASK自身提供，水平密封力大约20 t。其他部位的密封所需密封力，由螺栓及锁紧机构实现。该多层密封的特点是，首先它是由对接法兰机构连在一起的两层门构成，一个是用于密封CASK 的车前门，另一个是用于密封真空室窗口的维护门；其次，两层门上都有用于实现密封的密封圈，这两条密封圈不只是用来密封，还可利用它们之间的狭小封闭间隙来检查密封是否存在泄漏(漏率应小于1×10-2 Pam3s-1)。其他位置也需要密封圈，例如车前门和车体间、锁紧机构的插针与维护门间、维护门和真空室窗口间、车前门和整个双密封门系统间。
2、分析
2.1、密封方式的选择
从密封类型上来看，该密封属于静密封(即在连接件的中间不存在相对移动)。对于静密封，能够选择方式有膨胀密封、金属密封和弹性体密封。膨胀密封优点是对密封力要求低，缺点是一旦发生失压情形就彻底失去密封性从而导致泄漏，不满足可靠性要求。
金属密封的优点是有很好的高温稳定性和化学兼容性，而且对辐射敏感度低。缺点却比较多，第一是由于金属密封是通过使金属弹性变形乃至局部的塑性变形来达到密封面的紧密贴合，所以金属密封比弹性体密封需要更大的封压力；第二是金属密封对表面粗糙度要求比较高，如果密封面不平整或者接触面变形比较严重，金属套筒很难与密封面贴合紧密；第三是连接件材料的热膨胀系数之间相差悬殊就回容易因局部受热形变而造成泄漏。
弹性体密封原理是，让弹性体在密封腔内产生压缩形变，从而产生对密封腔初始压缩应力，达到密封的效果。该方式优点是可反复拆卸安装、在常温下密封可靠、易于制作安装，而且工业中有很多应用经验；缺点是橡胶材料(弹性体)透气率大，而且对于辐射也是比较敏感的。氟橡胶密封圈易于拆卸和安装，成本较低，可以通过定期更换的方法来保障密封可靠性[4]。综合考虑，最终选择了弹性体密封。真空工程上常采用圆形或矩形截面的“O”形密封圈作为弹性体密封件(下简称O 圈)。O 圈的密封性能好坏主要依赖于表面粗糙度及所用弹性体的气压、透气性等因素决定。为了减小这些因素对密封的影响，应该减小接触表面的粗糙度，减小弹性体设计中暴露在真空侧的表面积。双密封门有两个对接端面且动态连接的地方都采用双层O 圈密封。
2.2、密封力的计算及密封材料选择
图4 是双密封门的双层密封结构的局部尺寸，其中密封圈截面直径为10 mm，密封槽高度H=8 mm，压缩尺寸大小g=2 mm。密封橡胶在70肖氏硬度(HS)、形变量在0.15 到0.30 内单位长度密封圈所需密封力见表2。由此表对应的编号2、3可以得出单位长度所需密封力w 在15.4 kg/cm至20.2 kg/cm 范围内，因为密封圈长度和密封力大小正相关，只要计算出密封圈的长度就能知道所需的密封力大小。
图3 双密封门的密封结构
图4 密封圈局部尺寸
表2 密封圈的形变与密封力对应表
测量长方形法兰边缘的沟槽长度，得到长方形的密封圈长250 cm 宽205 cm，因此密封圈总长度是250×2+205×2=910 cm结合表中数据，密封力下限是，15.4×910=140 14 kg密封力上限是，20.0×910=18 382 kg因此，单圈密封圈需要14 t 到18 t 的压力，即约为140 000 N 到180 000 N 的密封力。该密封力太大，会对装置的稳定性成很大的影响，要求很高的结构强度。所以需要降低密封力。因为在同样条件下，所需密封力越小对装置结构承载的需求就越小。双密封门是基于CFETR 主机真空室窗口和CASK 车体尺寸而设计，密封圈的长度是一定的，所以只可以通过减小密封圈直径或使用硬度更低的材料来降低密封力，由于密封圈直径太小会导致密封面的对准要更精准，对接面的机械加工要求也相应提高，所以综合考虑改为选用较软的密封圈材料。选择肖氏硬度为50HS 的氟橡胶，其单位长度密封力下降至3.5kg/cm，这样密封力就降低到约30 000 N 而且在其他的性能上与70HS 的并没有太大区别。
2.3、检漏分析
根据多层密封结构的特点以及CFETR 对真空漏率的要求，采用氦罩法进行检漏，即将被检件用罩子罩起来，然后抽净罩内空气并冲入氦气，根据检漏仪可检测出是否存在漏孔的结论。检漏方案如图5 所示，对中间的密闭空间利用抽气系统抽到负压状态，窗口和CASK 内部布置两个充气通道。窗口充气通道充气，如果检测到氦气说明窗口外圈漏气，需要更换外圈，检测不到不需更换；小车充气通道充气，如果检测到氦气说明内圈漏气，需要更换内圈，检测不到不需要更换。
图5 双密封门检漏示意图
密闭空间压力随着时间变化的关系如图6所示：
图6 检测时压力下降和时间关系图
由图6 可以看出CASK 和窗口之间密封性漏率测试持续时间大约为14 min，检漏时真空抽速大约为400 mm3/s，测试时允许漏率为33.4 Pamm3/s，这符合CFETR 对CASK 与真空窗口法兰对接时间的要求，在检测时密封系统的压力下降也满足系统的整体安全要求。
3、总结与展望
本文针对CFETR 遥操作转运车的密封结构，完成了一种新型多层密封设计，根据密封力的计算完成了密封材料的选择，并对其检漏方案进行了初步设计。双层密封的设计，显著提升了密封效果，并且通过减少弹性体暴露在真空测的表面积有效提升了密封性能，这为转运车对接之后的维护过程提供了一个可靠的密闭环境。通过计算验证，选用50HS 的氟橡胶，大大减少了所需密封力，对装置的刚性要求降低。针对系统特点设计了合理的氦罩法检漏，并根据密闭空间抽真空流速公式及该密闭空间压力时间关系，证明了检漏所耗时间在允许范围之内。
但是，下一步工作，充气管道的路径、氦气瓶的布置位置和连接方式、检漏仪在双密封门上的位置和连接方式等工作尚待解决。
