阀门金属密封结构设计目前主要依靠经验,精确的金属密封泄漏计算方法的缺失制约了高温高压阀门密封性能的高可靠性。这主要是因为金属密封面内介质的微观流动及介质与壁面作用规律未能精确描述,同时微观特征和宏观性能的关联存在困难。针对此问题,本文基于有限元和格子玻尔兹曼方法对金属密封面内介质的微观流动进行数值模拟,建立了金属密封面泄漏计算模型,并经实验验证了其合理性。基于密度泛函方法对金属密封面内介质与壁面吸附作用开展研究,揭示了安全阀冷热态整定压力偏差成因。以上研究成果在核电主蒸汽安全阀的设计和制造中得以实际应用,为核电安全阀密封面宽度确定提供设计依据。本文的主要研究内容与创新成果如下:(1)金属密封面介质微观流动规律原子力显微镜实测和随机中点位移粗糙面重构方法相结合,基于有限元方法对两粗糙金属面接触密封过程进行数值模拟,并编写冒泡算法识别泄漏通道。研究发现粗糙度对接触过程中接触面积随接触应力增加关系的影响较小,不同粗糙度的粗糙面接触具有基本相同的逾渗阈值(0.33)。编写双松弛因子格子玻尔兹曼算法程序,对粗糙面接触所形成的微通道中的介质流动进行研究,发现当流体处于滑移状态时,粗糙度占比(=2×密封面轮廓算术平均偏差(Ra)/轮廓的平均间隙(H))的增加将明显减低泄漏流量。但当介质处于过渡状态时,ε的增加可能会增加泄漏流量。建立粗糙面通道泄漏计算模型。通过有限元数值模拟研究密封接触过程流道内流线曲折变化规律,发现当ε<2时,密封面内的微泄漏通道的水平曲折因子可近似为1,此时可将金属密封面泄漏进行降维模拟。通过模型计算的泄漏量与实验结果测量值偏差为12%,表明计算模型具有较高的准确性。(2)安全阀金属密封性能分析在粗糙面通道泄漏计算模型的基础上,基于安全阀结构特点提出可用于安全阀金属密封设计的泄漏计算模型。并将该模型在实际阀门设计中进行应用。结合安全阀内部流场的三维瞬态模拟方法,研究了介质冲刷和阀瓣回座冲击对密封面损伤及该损伤对密封性能的影响规律。发现蒸汽安全阀开启后,由于冲刷造成密封面损伤,其Ra值增加了8.7倍,造成泄漏率增加了约151倍。阀瓣回座冲击造成密封面外侧塑性变形损伤,导致密封面宽度减小了 5%,但对阀门密封性能的影响可以忽略。所以提高蒸汽安全阀密封面的耐冲刷性能是保证其密封可靠性的重要措施。(3)安全阀冷热态整定压力偏差致因分析安全阀采用蒸汽和压缩空气进行整定压力试验往往会造成整定压力的差异,对此问题的解释长期以来困扰着安全阀行业。本文采用密度泛函理论对密封面内的蒸汽和空气与金属壁面的作用进行了模拟计算。研究发现在密封面的纳米尺度的楔形狭缝内,水蒸汽的与壁面作用力要高于压缩空气以壁面作用力,造成蒸汽安全阀的整定压力小于通过压缩空气所获得的整定压力,计算结果得到了实验验证。该吸附作用力会随着壁面亲水性的增强而提高,进而降低安全阀的整定压力。以上研究成果在CAP1400主蒸汽安全阀、华龙1号主蒸汽安全阀、巴基斯坦C3C4和K2K3主蒸汽安全阀、CAP1400稳压器安全阀得以应用,取得了显著的经济效益和社会效益。