反应堆压力容器（RPV）是核电站安全系统的关键压力边界，其完整性直接关系到核反应堆的运行安全。RPV中的法兰-螺栓-密封系统是确保这一压力边界完整性的关键连接结构。在高温、高压和辐射等极端多物理场条件下，法兰系统表现出复杂的机械行为：螺栓预紧力的衰减、材料应力松弛以及法兰的变形等现象相互交织，对长期密封可靠性提出了严格要求。随着核技术向第四代反应堆的发展，材料面临更严峻的考验，其高温机械性能变得尤为重要。在长期使用过程中，材料会发生蠕变变形，从而导致密封性能下降（Gu, 2018; Mao et al., 2014; Nechache and Bouzid, 2007, 2008）。温度升高是影响应力松弛的因素之一，材料在高温下的蠕变速率加快，更容易发生应力松弛，可能导致密封失效、螺栓断裂和法兰密封故障，最终引发设备损坏、泄漏甚至灾难性安全事故（Staf et al., 2024）。
法兰系统的密封性能依赖于密封垫片。目前主要有O型、C型和W型金属密封圈，以及橡胶垫片、石墨缠绕垫片和金属平垫片等，它们根据截面形状进行分类。其中，C型密封圈（金属C形密封圈）作为一种先进的金属密封技术受到了越来越多的关注。它基于金属弹性变形原理，通过复合结构的协同作用实现高效密封（Sakai et al., 1982; Garlock sealing technologies, 2001; Li et al., 2025）。与其他垫片相比，金属C形密封圈在恶劣条件下具有显著优势：适用温度范围更广，通过线接触应力形成塑性变形密封屏障，且泄漏率远低于传统垫片。与O型密封圈不同，金属C形密封圈的接触点会随压缩深度变化。研究其在使用条件下的密封行为对压力容器法兰系统设计至关重要（Kim et al., 2022）。
C形密封圈的复杂结构给实验研究带来了挑战，尤其是在高温条件下。目前关于其在高温下的压缩-回弹行为的数据公开报道较少。据我们所知，唯一的相关研究是Caplain等人（Sassoulas et al., 2006）进行的实验，他们在100°C至200°C的不同温度下对C形密封圈进行了夹紧测试，并测量了其残余载荷和恢复后的“有效”性能。这些实验为研究金属C形密封圈的密封性能提供了宝贵数据。然而，由于实验技术的限制，实时原位测量长期应力松弛过程中的恢复情况仍具有挑战性。在数值研究中，一些研究者（Jia et al., 2014）采用简化的等效O型垫片模型以降低计算成本和提高效率，但这种简化方法未能准确反映C形密封圈的复合结构特性。为解决这一问题，有研究者进一步研究了结构参数和材料成分对其重复使用性的影响（Liu et al., 2014）。Feng（Zhou et al., 2025）提出了金属C形密封圈接触压力的简化理论模型，并研究了其在不同压缩和压力条件下的塑性应变和接触应力变化。Kim（Kim et al., 2022）通过形状优化技术研究了最大化弹性能量储存的C形密封圈结构配置，其中压缩深度和接触应力是关键参数。
关于C形密封圈在法兰系统中的密封行为，Jia（Jia et al., 2014）使用ANSYS建立了二维轴对称法兰系统模型，考虑了C形密封圈的弹塑性行为、接触问题及多场耦合效应，以研究其压缩-回弹特性和线性载荷。Liao（Liao et al., 2019）采用应变硬化方程作为蠕变本构模型，研究了带有金属C形密封圈的螺栓法兰连接的应力松弛特性，但未考虑高温条件或密封圈的压缩-回弹行为。在其他垫片类型的研究中，长期高温运行引起的应力松弛被认为是导致密封失效的关键因素。Sun（Sun and Gu, 2012）以焊接颈法兰连接和FG、CNA垫片为研究对象，研究了接触应力松弛对泄漏率的影响。Zhang（Wu et al., 2024）在含有石墨垫片的法兰系统有限元模拟中表明，经过三年高温暴露后，法兰-螺栓-垫片系统的所有部件均发生显著应力松弛。尽管法兰和螺栓保持了结构完整性，但垫片未能满足密封性能要求。
综上所述，目前关于带有金属C形密封圈的法兰-螺栓系统在长期使用条件下的密封性能研究仍较为有限，尤其是其高温下的应力松弛行为。作为核电站等关键设施中的关键密封结构，压力容器法兰系统在服役过程中经历多阶段加载：预紧确定初始密封状态，内部压力考验系统的分离阻力，高温暴露评估长期可靠性。每个阶段的密封性能共同影响整体使用寿命。在这种耦合的多阶段加载下，金属C形密封圈可能表现出复杂的压缩-回弹行为，导致其密封性能发生变化，但现有研究对此关注不足。由于高温测试时间较长且泄漏测量难度较大，目前关于金属C形密封圈在高温条件下的长期密封行为的综合性实验研究较少。数值模拟为评估法兰系统在复杂运行条件下的服务性能、密封行为和长期可靠性提供了重要技术手段。
本文提出了一种带有双C形密封圈的法兰模型，用于工程设计，并采用有限元方法研究法兰系统在整个服役过程中的密封特性。首先，通过高温应力松弛实验建立了高温蠕变本构方程，随后开发了带有双C形密封圈的法兰系统的全尺寸三维有限元模型。通过理论和数值模拟，系统研究了接触应力的变化以及多阶段加载引起的双C形密封圈的压缩-回弹行为。这些发现对下一代气冷反应堆中压力容器的设计和性能评估具有重要参考价值。
