主汽阀密封性能好坏关系到阀门经济、安全运行，密封受阀盖螺栓预紧力作用发生变形，从而使得密封两侧与接触部件之间形成密封面接触，预防高温高压蒸汽泄漏。密封面上的工作比压由两部分合成：一是预紧密封比压；二是由蒸汽压力形成的比压。目前国内1000MW 等级的超超临界机组再热中压缸进口蒸汽参数已由原来的6MPa/600℃提升到13MPa/620℃。中压缸蒸汽阀往往承受着汽轮机组的最高温度，因此对阀壳和阀盖之间的U型密封性能要求很高。传统进汽阀采用平板型环状密封圈，依靠螺栓压紧密封圈获得密封效果。平板密封圈长期处于高温高压之下，蠕变的积累导致应力松弛，密封性能随之下降。U 型密封作为一种新型密封代替过去的平板密封，具有更好的高温密封性能。U 型密封圈具有很好的弹性，安装时预置的U 型体变形使密封圈接触面紧压在阀壳和阀盖上，从而获得密封效果。蠕变诱发的变形依靠U 型结构的回弹补偿失去的压紧力。U 型环密封圈采用抗蠕变高强度耐腐蚀合金材料，密封面呈现外圆柱面形状，装配时它与法兰产生线接触应力，以保证零泄漏。然而，频繁的启停工况和长时额定工况运行使得U 型密封圈的疲劳-蠕变问题依然相当严重，因此开展U 型密封圈高温强度和密封性能研究是进汽阀设计过程的重要内容之一。

图1 U 型密封在透平阀中的安装位置、网格密度和约束边界

为了分析螺栓松弛对密封接触应力的影响，一般采用两种较为典型的螺栓应力计算方法：一种是经长时螺栓松弛后的螺栓应力常数，它是一条渐近线，如图2中的σ₃；另外一种是考虑了整个螺栓松弛过程的应力曲线。在工程设计领域，工程师一般用σ₃代替螺栓松弛后的螺栓应力进行结构高温强度计算，这对于U 型环密封来说是降低了密封性能的预测值，即结果偏保守。相应地，如果采用了整个螺栓松弛曲线来考评U 型环密封的高温密封性能是一个更合理、科学方法。

计算对象为某1000MW 超超临界汽轮机中压缸进汽阀的U 型密封圈。计算域包括U 型密封圈及其周围的阀盖、阀壳区域，如图1 所示。阀门内腔承受620℃/13MPa 高参数蒸汽载荷，阀门外侧暴露在大气环境中。考虑到计算域几何形态及传热学、力学边界条件特征，有限元计算在三维轴对称坐标下进行。计算时域为U 型密封的工作寿命20 万小时以及瞬态启停工况，以便完整地考察寿命期内U 型密封的高温强度和密封性能。