碟形弹簧在核化工及核电行业的应用

碟形弹簧（也称碟簧、锥形弹簧垫圈）是一种外形呈圆锥盘状的弹性元件，凭借“小空间、大载荷、特性曲线可设计”的独特优势，能在有限轴向空间内提供稳定的弹性补偿，抵消振动、温度交变、材料松弛带来的预紧力损失。在核化工与核电这一对安全性、可靠性要求极为严苛的领域，碟形弹簧看似“不起眼”，却承载反应堆压力容器、控制棒驱动机构、核级阀门、管道支承等关键部位，承担着保障连接密封、维持预紧力、补偿热变形的重任，是核设施安全稳定运行的“隐形卫士”。江苏三众弹性技术股份有限公司（以下简称“三众”）作为中核集团参股设立的混合所有制企业，深耕碟形弹簧、波形弹簧、螺旋弹簧等高端弹性元件的研发制造，深度参与国际ISO碟形弹簧标准及多项国家标准制定，为核电与核化工装备提供从标准产品到定制化解决方案的完整支撑。

一、核工业紧固工况的特殊挑战

核电与核化工装备长期运行于高温、高压、强腐蚀与辐照并存的极端环境。以压水堆一回路为例，冷却剂温度通常在300℃以上、压力约15MPa以上，介质为含硼的高温高压水，腐蚀性强；设备服役周期长达40～60年，期间还要承受启停堆带来的反复热循环、冷却剂流动引发的振动以及地震载荷。在此类工况下，普通平垫圈与弹簧垫圈难以长期维持螺栓连接所需的预紧力——温度交变会引起螺栓与法兰的热胀冷缩差异，材料在高温下会发生应力松弛与蠕变，振动则使螺纹连接趋于松动，最终导致密封面泄漏甚至连接失效。一旦此类失效发生在放射性介质边界，后果将极其严重，因而对紧固与预紧元件的可靠性提出了近乎苛刻的要求。

 

碟形弹簧凭借陡峭且可设计的弹性特性，恰好能解决这一矛盾：通过合理设计负荷—变形曲线，在螺栓压紧后仍保持足够的剩余预紧力，对热膨胀、松弛与沉降进行持续补偿，从而在高温高压、交变载荷下长期维持连接与密封的可靠性。正因如此，碟形弹簧已成为核设施预紧与补偿类关键紧固元件的首选。

二、碟形弹簧在核电行业的关键应用

核电厂的紧固与支承工况复杂，碟形弹簧主要分布于核岛（含一回路、二回路及安全壳相关系统）的关键部位，具体包括：

反应堆压力容器主螺栓连接：压力容器法兰与顶盖依靠数十根主螺栓压紧密封，碟形弹簧用于补偿螺栓在热循环与蠕变下的预紧力损失，维持金属密封环的可靠密封。

控制棒驱动机构（CRDM）：作为控制堆芯反应性的关键设备，其钩爪、密封壳等部位使用耐高温、耐辐照的碟形弹簧，确保动作可靠与密封边界完整。我国华龙一号ML-B型驱动机构已通过1500万步热态寿命试验与0.3g抗震试验。

蒸汽发生器、稳压器、主泵等一回路主设备：法兰连接与内部结构在高温高压含硼水下提供持久弹性补偿，抵御疲劳与蠕变。

堆内构件与设备支承：为吊篮、上堆芯板等堆内结构提供定位与预紧，并为核安全级设备提供弹簧固定摇摆支承、隔振器，保证抗震与抗振性能。

安全壳贯穿件与管道系统：贯穿件密封面及核级管道弹簧支吊架利用碟形弹簧补偿热位移并吸收振动，避免管道产生过大应力。

常规岛及电厂辅助系统：汽轮机、泵、阀门、发电机等设备的螺栓连接与管道支承，同样大量采用碟形弹簧提升连接可靠性。

三、碟形弹簧在核化工行业的关键应用

核化工面向核燃料循环与放射性物质处理，其特点是介质具有强放射性与强腐蚀性、对密封防泄漏要求极高，且设备检修周期长。碟形弹簧在以下环节发挥关键作用：

核燃料循环设施（铀转化、铀浓缩、燃料元件制造）：工艺设备与管道的法兰连接、阀门预紧依靠碟形弹簧保证在振动与热循环下密封不失效。

乏燃料后处理与放射性废液处理设施：处理强腐蚀性硝酸体系料液，设备与管道处于高放射环境，碟形弹簧与耐蚀密封结构配合，保障法兰与阀门的长效密封，降低泄漏风险。

屏蔽容器、热室与手套箱：作为放射性操作设施的关键部件，其操作孔、窥视窗、传递通道等部位的螺栓压紧与密封补偿常采用碟形弹簧，防止放射性气溶胶外逸。

核级阀门：截止阀、调节阀、安全阀的阀盖与阀体、阀杆密封处常用碟形弹簧提供持续预紧密封力，补偿填料磨损与热变形。

工艺管道弹簧支吊架与设备支承：为承受高温、腐蚀介质的工艺管线提供热位移补偿与可靠支承。

四、核用碟形弹簧的标准与材料选型

在标准层面，碟形弹簧的设计计算与技术条件分别遵循GB/T 1972.1—2023《碟形弹簧 第1部分：计算》和GB/T 1972.2—2023《碟形弹簧 第2部分：技术条件》；用于核岛承压设备及安全级部件时，其设计、制造、材料与检验还需满足RCC-M（压水堆核岛机械设备设计和建造规则）或ASME等核电规范的要求，并按核安全分级进行管理。三众产品设计与制造严格对标上述标准与规范，具备核电级碟簧的完整技术条件支撑。

在材料选型上，必须同时兼顾耐温、耐蚀、耐辐照与抗蠕变性能。常规高温且环境较清洁的工况，可选用50CrVA、60Si2MnA等弹簧钢；腐蚀性较强、含硼水环境选用耐蚀不锈钢；高温（如一回路约300℃以上）与强腐蚀并存时，选用镍基高温合金，如Inconel 718（国标对应GH4169）、Inconel X-750等，其长期服役抗蠕变、抗应力松弛能力突出。三众在产品制造中建立了从1074、51CrV4、60Si2Mn、65Mn到SUS302/304/316、17-7PH、Inconel 718/X-750的梯度材料体系，并可配套磷化、达克罗、发蓝、抛光、久美特、钝化、特氟龙等表面处理，可覆盖从常规工况到一回路高温强腐蚀工况的完整选型需求。选型时还需重点校核最高工作温度下的弹性模量与松弛特性、腐蚀介质下的应力腐蚀敏感性、辐照对性能的影响、疲劳寿命，以及表面处理对摩擦系数与防腐蚀能力的影响。

五、核用碟形弹簧的质量控制与检测

核用碟形弹簧“件小责重”，质量控制贯穿全流程：原材料与可追溯性上，严格检验材料成分与力学性能，实行逐件编号与全过程质量追溯，满足核安全要求；尺寸与特性检验上，全检内外径、厚度、自由高度等关键尺寸，并在测力机上完成载荷—变形特性测试，验证其与设计特性曲线一致；力学与性能试验上，开展硬度、永久变形、弹性、疲劳寿命及蠕变松弛试验，评估其在核电厂设计寿命内的长期性能；无损检测与表面防护上，按规范实施无损检测，表面处理与涂层须满足耐蚀与低摩擦要求。三众建有现代化检测中心，具备化学成分分析、热处理金相、力值特性、疲劳、蠕变、盐雾、无损探伤等全流程检测能力，可满足核用碟簧从原材料到成品的质量控制需求。

表1  碟形弹簧在核化工及核电行业的典型应用

领域	典型应用部位	核心作用
核电·核岛	反应堆压力容器主螺栓、控制棒驱动机构、蒸汽发生器/稳压器/主泵法兰、堆内构件、安全壳贯穿件	维持高温高压下预紧与密封，补偿热变形与松弛，保障核安全
核电·常规岛	汽轮机、泵、阀门、管道弹簧支吊架	抵御振动与热循环，延长连接使用寿命
核化工	乏燃料后处理/废液处理管道法兰与阀门、屏蔽容器/热室/手套箱、核级阀门预紧	强腐蚀高放射环境下长效密封，防止放射性泄漏
核燃料循环	铀转化、浓缩、燃料元件制造设备	保证工艺系统连接可靠，降低检修频率

六、三众弹性技术在核工业的应用案例

三众作为中核集团参股设立的混合所有制企业，专业研发、制造碟形弹簧、波形弹簧、螺旋弹簧、碟形垫圈等高端弹性元件，累计取得70余项专利，深度参与国际ISO碟形弹簧标准及多项国家标准制定，产品性能对标国际一流品牌，是中核体系及核电、核化工装备的核心供应商。结合三众产品体系，其在核工业关键部位的应用可细化为以下案例。

（一）反应堆压力容器主螺栓预紧补偿——DIN 2093标准碟形弹簧。

DIN 2093标准碟形弹簧是预紧与密封补偿的核心产品。三众该系列规格齐全（001系列，外径6～100mm，共200余种规格），材质覆盖1074、51CrV4、60Si2Mn、65Mn等弹簧钢，以及SUS302/304/316、17-7PH、Inconel 718、Inconel X-750等耐蚀与高温合金，表面处理可选磷化、达克罗、发蓝、抛光、久美特、钝化、特氟龙等。在反应堆压力容器主螺栓连接中，碟形弹簧通过“叠合增力、对合增行程”的组合方式，满足数十根主螺栓的大预紧载荷与精确剩余预紧力要求，持续补偿热循环与蠕变造成的预紧力损失；一回路高温强腐蚀工况选用Inconel 718/X-750，非承压部位可采用51CrV4、60Si2Mn等弹簧钢，实现性能与成本的最优匹配。

（二）主泵及一回路旋转设备轴承预紧——轴承预紧用碟形弹簧。

三众轴承预紧用碟形弹簧分“无槽”和“有槽”两系列，型号覆盖6000～6011、6200～6210、6300～6308等常用轴承规格，多片并联时载荷受力均匀、位移相同载荷倍数增加。用于主泵、上充泵、设备冷却泵等一回路旋转设备的轴承预紧，可稳定维持轴承游隙、补偿运转磨损与热胀冷缩，保障泵组长期可靠运行。

（三）核级阀门密封与螺栓防松——阀门用碟形弹簧与DIN 6796碟形弹簧垫圈。

核级阀门（截止阀、调节阀、安全阀）的阀盖与阀体、阀杆密封处使用三众阀门用碟形弹簧，提供持续预紧密封力，补偿填料磨损与热变形；连接副采用DIN 6796碟形弹簧垫圈，其夹紧力保持率约3/4、为传统方案1.5倍以上，硬度约400～500HV，适配8.8级及以上高强度螺栓，可有效补偿蠕变、温度波动与密封压缩衰减。对更高扭矩与更强防松要求的部位，还可选用DIN 9250齿面蝶形防松垫圈、双槽型碟形弹簧及高扭矩、超高扭矩碟形弹簧。

（四）堆内构件、安全壳贯穿件与管道支承——碟簧定制件、弹簧装置与阻尼装置。

堆内吊篮、上堆芯板等结构需要定位与预紧，三众可提供碟簧定制件与锻件碟簧，按核安全级部件要求进行材料与工艺定制；安全壳贯穿件密封面及核级管道弹簧支吊架利用碟形弹簧补偿热位移并吸收振动，弹簧装置与阻尼装置可为核安全级设备提供固定摇摆支承与隔振，保证抗震与抗振性能。

（五）核化工强腐蚀高放射工况——耐蚀碟簧与波形弹簧。

乏燃料后处理与放射性废液处理设施运行于强腐蚀性硝酸体系和强放射环境，三众碟形弹簧选用SUS316、17-7PH、Inconel等耐蚀材质，与耐蚀密封结构配合，保障法兰与阀门的长效密封、降低泄漏风险；屏蔽容器、热室与手套箱的螺栓压紧与密封补偿部位亦可采用耐蚀碟簧，防止放射性气溶胶外逸。对空间受限的核仪表、精密机构与阀门密封，多层波形弹簧轴向高度仅为螺旋弹簧的1/3～1/2、可节省约50%空间，载荷10N～20000N精准可控，工作温度依材质最高可达600℃以上，是紧凑化设计的优选方案。

（六）核电阀门及辅助机构——精密螺旋弹簧与拓展产品。

精密螺旋弹簧（压缩、拉伸、扭转）广泛用于核电阀门、弹簧支吊架与仪表机构，提供复位、缓冲与支承功能；针对轻量化、低摩擦、耐高温及大行程缓冲等特殊需求，三众还可提供碳纤维碟簧、陶瓷弹簧、环形弹簧等拓展产品，为核工业的弹性需求提供更丰富的选择。

表2  江苏三众产品在核工业的典型应用映射

三众产品	核工业应用部位	适用材质与工况	核心价值
DIN 2093标准碟形弹簧	反应堆压力容器主螺栓、堆内构件、安全壳贯穿件	1074、51CrV4、60Si2Mn、65Mn；Inconel 718/X-750、SUS316、17-7PH	预紧补偿热变形与蠕变，保障密封可靠
轴承预紧用碟形弹簧（无槽/有槽）	主泵、上充泵、设备冷却泵等轴承	耐蚀不锈钢/高温合金	稳定轴承预紧，补偿游隙与热胀
阀门用碟形弹簧	核级截止阀、调节阀、安全阀	耐蚀不锈钢/高温合金	持续预紧密封，补偿填料磨损
DIN 6796碟形弹簧垫圈	核级螺栓连接副	硬度约400～500HV	主动防松，夹紧力保持率约3/4
DIN 9250齿面防松垫圈/双槽型/高扭矩碟簧	高扭矩、强振防松连接	弹簧钢/合金钢	更高防松扭矩，抗振防松
多层波形弹簧	空间受限的核仪表、精密机构、阀门密封	弹簧钢-40～120℃/不锈钢-60～250℃/高温合金600℃+	节省约50%空间，载荷精准可调
精密螺旋弹簧	核电阀门、弹簧支吊架、仪表机构	65Mn/60Si2MnA/不锈钢/镍基合金	复位、缓冲、支承
碟簧定制件/锻件碟簧/碳纤维碟簧/陶瓷弹簧/环形弹簧/弹簧装置/阻尼装置	堆内定位、隔振支承、轻量化与高温缓冲	依工况定制	满足定制化、轻量化、抗震抗振需求

结语

碟形弹簧以“小身材、大载荷”的独特优势，成为核化工与核电行业保障连接与密封可靠性的关键基础元件。随着我国华龙一号等三代核电的批量化建设与核燃料循环产业的高质量发展，对核用碟形弹簧在材料、标准、制造与检测方面的要求也在持续提升。三众依托中核集团参股的产业背景与全流程制造、检测能力，将持续为核工业提供高可靠、可溯源的弹性解决方案。唯有吃透标准、严把材料、精控工艺、全程可溯，才能让这一“隐形卫士”在极端工况下长期可靠服役，为核设施的安全稳定运行筑牢根基。