一種爆炸驅(qū)動快速密封閥門的研制

胡華權，楊 軍 ，于 琴，馬艷軍，張德志

(西北核技術研究所,西安710024)

一種爆炸驅(qū)動快速密封閥門的研制

胡華權，楊 軍 ，于 琴，馬艷軍，張德志

(西北核技術研究所,西安710024)

利用炸藥爆炸驅(qū)動技術，研制了一種爆炸驅(qū)動快速密封閥門。閥門由密封結構、驅(qū)動結構和定位結構組成，采用了雙道O型圈密封結構及防回彈結構設計，可實現(xiàn)對管道快速有效密封。對直徑φ為20 mm的閥門進行了密封實驗，利用電探針法和激光多普勒位移干涉儀法對閥門封閉時間、閘板速度與位移等進行測量，并對封閉后的閥門進行了泄漏率檢測。結果表明：閥門的封閉時間為0.8 ms，泄漏率小于10-10Pa·m3·s-1。

爆炸驅(qū)動；快封閥門；泄漏率

當含有危險有害介質(zhì)的設施發(fā)生燃油、燃氣泄漏或核廢料擴散等災難事件時，能否快速有效地密封其擴散泄漏通道，防止有害介質(zhì)造成環(huán)境污染和人身傷害，是一個非常重要的技術難題。利用常規(guī)密封技術[1-2]可以實現(xiàn)機械設備秒量級的密封，但很難同時滿足密封效果好且密封速度快的要求，而利用爆炸驅(qū)動技術能夠?qū)崿F(xiàn)管道毫秒量級甚至微秒量級的快速有效密封。

在超快速密封技術研究方面，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室為JASPER(joint actinide shock physics experimental research)裝置研制了用于快速密封核材料的超快速封閉閥門系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括爆炸壓縮管道超快速封閉和快速密封兩個閥門裝置。其中，爆炸壓縮管道超快速封閉閥門可在響應時間80 μs內(nèi)封閉管道，但無法達到高效密封；快速密封閥門能夠在響應時間1.5 ms內(nèi)實現(xiàn)管道密封且長期密封的泄漏率小于10-9Pa·m3·s-1[3-4]。目前，我國在快速密封技術方面的相關研究報道較少，文獻[5]研究了一種利用火藥燃燒氣體驅(qū)動高壓聚乙烯閥門密封管道的實驗裝置，其密封響應時間約為15 ms。文獻[6]報道了利用炸藥爆炸壓縮管道密封技術，該技術可實現(xiàn)密封響應時間在100 μs以內(nèi)，泄漏率為10-2～10-3Pa·m3·s-1的技術指標。本文利用炸藥爆炸驅(qū)動技術研制了一種亞毫秒量級的快速密封閥門，泄漏率小于10-10Pa·m3·s-1[7]。該閥門還可與炸藥爆炸壓縮管道密封技術聯(lián)合應用，能夠快速實現(xiàn)管道密封。

1 工作原理

爆炸驅(qū)動快速密封閥門的基本工作原理，如圖1所示。閥門首先處于開啟狀態(tài)，如圖1(a)所示。爆炸裝置在閥門閘板上端爆炸后產(chǎn)生的較強沖擊力驅(qū)使閘板向下運動，閘板碰撞閥門底座后停止運動，閥門實現(xiàn)封閉，如圖1(b)所示。閥門采用雙道O型密封圈和平面法蘭密封原理實現(xiàn)閥門閘板對內(nèi)外管道的隔斷及密封功能。

(a)Unsealed state

(b)Sealed state 圖1爆炸驅(qū)動快速密封閥門的工作原理Fig.1Schematic of the explosion driven fast-acting gate valve

2 密封閥門結構及參數(shù)設計

2.1閥門功能設計

裝置爆炸后產(chǎn)生的強大沖擊力，會對閘板造成較大破壞，影響閥門的密封性能，因此需要設計一個放置在爆炸物和閥門上端之間的驅(qū)動活塞，用以傳遞爆炸驅(qū)動力，同時避免爆炸沖擊力直接作用于閘板。另外還設計了一個相對密封的容器，將爆炸裝置放置在該容器中實施爆炸，可以有效避免爆炸沖擊力對周圍介質(zhì)的影響，同時利用爆轟產(chǎn)物對驅(qū)動活塞的持續(xù)驅(qū)動作用，可提高閘板的運動速度，縮短閥門封閉時間。由于在強大沖擊力作用下，閘板向下運動的速度較快，閘板與閥門底座碰撞后會產(chǎn)生回彈，為使閘板運動到預設位置后停止運動，需要設計防止閘板回彈裝置。

為了實現(xiàn)閥門的上述功能，設計的爆炸驅(qū)動快速封閉閥門結構包括密封結構、驅(qū)動結構和定位結構等功能單元。結構示意圖如圖2所示。

1—Top of vessel;2—Explosive;3—Driven piston; 4—Flashboard;5—Limit baffle;6—Blot; 7—Outside pipeline;8—Base of valve;9—Plug; 10—Inner vessel;11—Main vessel;12—Knighthead; 13—Anti-rebounding structure;14—O-ring;15—Inside pipeline; 16—Limit bloke;17—Soleplate;18—Limit hole;19—Blowhole 圖2爆炸驅(qū)動快速密封閥門基本結構示意圖Fig.2Basic configuration of the explosion driven fast-acting gate valve

閥門的主體結構包括閘板、限位擋板、螺栓、內(nèi)外管道法蘭、閥門底座、防回彈裝置、O型密封圈及限位墊塊。密封結構單元的功能是實現(xiàn)閥門密封，它由內(nèi)外管道法蘭、限位墊塊、閘板和密封圈構成。為確保閥門達到較好的密封效果，可通過對O型密封圈選型、設計較合適的密封圈壓縮率以及優(yōu)化密封結構單元設計來實現(xiàn)。

驅(qū)動結構單元能夠為閘板運動提供動力和運動方向。它由容器上蓋、爆炸裝置、驅(qū)動活塞、塞柱、容器內(nèi)筒、容器主體、支撐桿及底板組成。通過對爆炸裝置、驅(qū)動活塞和閘板結構的優(yōu)化設計，可提高閥門的密封速度，縮短閥門的封閉時間。

定位結構單元能夠控制閘板運動到預定位置后停止運動，它由閥門底座和防回彈裝置組成。閥門底座為閘板運動的預定終止位置，能夠阻止閘板繼續(xù)向下運動；防回彈裝置能夠防止閘板撞擊閥門底座后回彈。如果定位結構單元失去作用，閥門的整體密封體系就會受到破壞，影響閥門的密封效果。

總之，爆炸驅(qū)動快速密封閥門結構設計原則是確保密封功能的前提下，封閉速度越快越好。因此，閥門的密封結構單元是核心，驅(qū)動結構單元是關鍵，定位結構單元必不可少，三者相輔相成。

2.2關鍵參數(shù)設計

為確保閥門的密封性能，根據(jù)密封內(nèi)外管道的內(nèi)徑大小選擇相應的O型密封圈，設計密封圈的壓縮率為20%～30%。閥門封閉過程是通過炸藥爆炸推動活塞和閘板來實現(xiàn)，因此，增大藥量、減小驅(qū)動活塞與閘板的質(zhì)量，可提高閘板的運動速度，縮短閥門封閉時間。藥量越大，產(chǎn)生的驅(qū)動力越大，閥門封閉的速度就越快。但是當爆炸沖擊力過大時，可能會使閘板結構發(fā)生變形或遭到破壞，影響閥門的密封性能。因此需要選擇低密度高強度的閘板材料，提高閘板抗沖擊能力。因此，在不破壞閘板結構和閥門密封性能的條件下，適當增大藥量，以提高閥門的封閉速度。

瞬態(tài)爆轟驅(qū)動模型是求解較復雜驅(qū)動問題近似解的有效工具。文獻[8]給出的剛性側面約束接觸爆炸對剛性底面總沖量I的計算公式為

(1)

式中，m為裝藥質(zhì)量，g;D為炸藥爆轟速度, m·s-1。

假如閘板完成封閉路程為s，閘板和驅(qū)動活塞總質(zhì)量為mtot，在不考慮摩擦力的情況下，閥門封閉時間t與裝藥質(zhì)量m的關系可以用式(2)表示：

(2)

假定s為50 mm，mtot為500 g，D為7 km·s-1，在忽略摩擦力的情況下，如果閥門封閉時間在0.5 ms之內(nèi)，那么所需裝藥質(zhì)量應不小于24 g。

3 實驗結果及分析

利用電探針法和激光多普勒位移干涉儀法[9]對直徑φ為20 mm的密封管道閥門的封閉時間進行了測試對比，測試系統(tǒng)如圖3所示。RDX炸藥裝藥質(zhì)量m為25 g。電探針法測試方法是由GPS同步控制起爆系統(tǒng)給定絕對零時，利用探針1測試雷管起爆時刻；探針2安置在閥門底座上表面，當閘板向下運動碰撞到閥門底座時，探針2導通，時間間隔測量儀給出一個脈沖信號輸入記錄儀器，可獲得閘板封閉時刻，該時刻與絕對零時的差即為閥門封閉時間。利用電探針法測試閥門封閉時間簡單有效，但該方法只能測量得到閥板運動的封閉時刻。激光多普勒位移干涉儀法是通過安裝在閥門底座下的激光發(fā)射接收探頭，發(fā)出一束激光穿過閥門底座中心圓孔照射到閘板下端面，激光經(jīng)過端面反射后被探頭接收，當閘板向下運動時，因多普勒效應反射激光的頻率發(fā)生變化，通過激光多普勒位移干涉儀檢測出反射激光的頻移量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后可得到閘板的速度和位移歷程。利用激光多普勒位移干涉儀法既可以得到閥門的封閉時間，又能夠根據(jù)測試結果分析在爆炸沖擊作用下，閘板的受力情況及整個運動狀態(tài)，從而優(yōu)化閥門的結構設計。

圖3 閥門封閉時間測試系統(tǒng)示意圖Fig.3Schematic of testing system for gate valve closure

圖4給出了利用電探針法測出的閥門封閉時間波形，瞬發(fā)雷管延遲時間為9.3 μs，閥門封閉時間為808 μs。

圖5為采用短時傅里葉變換(STFT)計算得到的時頻圖，信號采樣率為1.25 GS·s-1，頻譜分析離散點數(shù)為1 024。圖中較亮的幅值脊表示反射激光多普勒頻移量隨時間的變化規(guī)律，將幅值脊對應的信息提取出來，可以換算得到閘板下端面的速度歷程和閘板下端面的位移歷程，分別如圖6和圖7所示。

圖4 利用電探針法測出的閥門封閉時間Fig.4Closure time of gate valve tested by electric probe

圖5 短時傅里葉變換計算得到的時頻圖Fig.5Time-frequency spectrogram performed with STFT

圖6 激光多普勒干涉儀測量得到的閘板速度歷程Fig.6Velocity of flashboard got from LDDI

從圖6可以看出:閘板下端面的速度變化過程可以分為4個階段：第1階段為保持靜止階段，時長約70 μs；第2階段為加速階段，速度從0增加到最大值80 m·s-1；第3階段為速度振蕩階段，是一個逐漸降低的速度振蕩變化過程，周期約為54 μs；第4階段為減速階段，速度急劇降至0。

圖7 激光多普勒干涉儀測量得到的閘板位移歷程Fig.7Displacement of flashboard got from LDDI

分析閘板的受力情況和閘板下端面的速度歷程，可以看出：閘板下端面從零時到開始運動的時間為雷管延遲時間、炸藥爆轟時間和應力波從驅(qū)動活塞上端面?zhèn)鞑サ介l板下端面的時間之和。雷管延遲時間約為9.3 μs；長度為50 mm的RDX炸藥爆轟時間，經(jīng)計算約為7.1 μs；驅(qū)動活塞和閘板總長為255 mm，假定應力波在金屬中傳播速度為5 km·s-1，計算得到應力波傳播時間為51 μs，三者時間之和為67.4 μs。與測試得到的時間70 μs基本一致。

閘板速度變化的第2階段為閘板加速階段。從圖6中可看出，閘板幾乎是勻加速運動直到速度最大值，表明這段時間閘板受到的持續(xù)推動力基本不變。

閘板速度變化的第3階段是速度振蕩階段，這是一個逐漸降低的速度振蕩變化過程，周期約為54 μs。閘板長度為131 mm，計算得到應力波在閘板兩端反射傳播周期為52.4 μs，與測試結果基本一致。因此，速度周期性變化是應力波在閘板上下端來回反射產(chǎn)生的。閘板的速度逐漸降低表明，閘板受到的推動力小于所受摩擦力。圖8為驅(qū)動活塞與容器內(nèi)筒實驗后局部圖。從圖8可以看出，實驗后，驅(qū)動活塞上端和容器內(nèi)筒緊緊黏貼在一起。這表明在炸藥沖擊作用下，驅(qū)動活塞上端發(fā)生了膨脹變形，變形量超過了驅(qū)動活塞和容器內(nèi)筒之間的滑動間隙，因此，在相對運動過程中產(chǎn)生的摩擦力，阻礙了驅(qū)動活塞的運動，降低了活塞對閘板的推動作用。當摩擦力大于爆炸產(chǎn)物對驅(qū)動活塞的持續(xù)驅(qū)動力時，閘板速度逐漸降低。利用閥門的實驗參數(shù)和式(2)計算，得到閥門封閉時間約為500 μs，這與實測的閥門封閉時間800 μs相差較大，這表明，爆炸后產(chǎn)生的摩擦力對閥門封閉時間影響很大。因此，需要對驅(qū)動活塞結構和密封容器內(nèi)筒間的匹配關系進行優(yōu)化設計，減少甚至完全消除摩擦力，提高閘板封閉速度，減少閥門封閉時間。

圖8 實驗后驅(qū)動活塞與容器內(nèi)筒局部圖Fig.8Local structure of driven piston and inner vessel after test

閘板速度變化的第4階段為減速階段，速度急劇降低直至為0。測試結果還表明，閥門中的定位結構和防回彈結構實現(xiàn)了設計功能，當閘板運動到達預定位置時，會快速停止，不再上下運動。

從圖7可以看出：閘板運動位移為47 mm時，閥門封閉時間約為800 μs，這與利用電探針法測到閥門封閉時間808 μs相當。閘板又向下運動5 mm，這與閘板防回彈結構中的設計距離5 mm完全吻合，這表明利用激光多普勒位移干涉測試技術測試閘板運動歷程的方法是合理的，測試數(shù)據(jù)準確。

利用真空-氦罩法檢測閥門封閉后的密封效果，將閥門內(nèi)外通道分別連接真空檢漏儀，抽氣30 min，保持近似真空，然后對閥門整體包氦罩并持續(xù)20 min，分別檢測閥門內(nèi)外兩側的密封效果。實驗結果表明: 閥門的泄漏率小于10-10Pa·m3·s-1。

4 結論

利用爆炸驅(qū)動技術研制了一種快速密封閥門, 可以實現(xiàn)對直徑為20 mm管道的有效密封。測試結果表明：閥門的封閉時間為0.8 ms，泄漏率小于10-10Pa·m3·s-1。通過修改閥門相應的結構尺寸， 可以滿足不同直徑的管道密封工程的需求。下一步通過優(yōu)化驅(qū)動活塞和密封容器內(nèi)筒結構設計，減小或消除閘板運動時受到的較大摩擦力，進一步縮短閥門的封閉時間。

[1]徐灝. 密封[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1999.(XU Hao. Seal[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1999.)

[2]胡憶溈. 動態(tài)密封技術--泄漏與堵漏[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1998. (HU Yi-wei. Dynamic Sealing Technology-Leakage and Plugging[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1998.)

[3]BRADDY R W, HOMES N, KONRAD C H, et al. Joint actinide shock physics experimental research(JASPER) facility overview[C]//52th Meeting of the Aeroballistic Range Association, Quebec city, Canada, 2001.

[4]CARL H K, MILLER J, COWAN M, et al. Joint actinide shock physics experimental research (JASPER) facility update[C]// 54th Meeting of the Aeroballistic Range Association, Santa Fe, USA, 2003.

[5]陳軍, 張克明, 蒲正美, 等. 火藥氣體驅(qū)動柱塞式閥門密封實驗研究[J]. 爆轟波與沖擊波, 2003(3): 110-112.(CHEN Jun, ZHANG Ke-ming, PU Zheng-mei, et al. The sealing experiment research on the gunpowder gas drive plunger valve[J]. Detonation and Shockwave, 2003(3): 110-112.)

[6]劉文祥, 譚書舜, 景吉勇, 等. 一種內(nèi)聚爆炸壓縮管道超快速封閉裝置: 中國, ZL201210257820X[P]. 2014. (LIU Wen-xiang, TAN Shu-shun, JING Ji-yong, et al. A close device for ultrafast tube compression by inward detonation: China, ZL201210257820X[P]. 2014.)

[7]胡華權, 于琴, 馬艷軍, 等. 一種爆炸驅(qū)動快速密封閥門: 中國, ZL2014104659323[P]. 2014.(HU Hua-quan, YU Qin, MA Yan-jun, et al. An explosion driven fast-acting gate valve: China, ZL2014104659323[P]. 2014.)

[8]張守中. 爆炸與沖擊動力學[M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社,1993. (ZHANG Shou-zhong. Explosion and Impact Dynamics[M]. Beijing: Weapons Industry Press, 1993.)

[9]楊軍, 王克逸, 徐海斌, 等. 光纖位移干涉儀的研制及其在Hopkinson壓桿實驗中的應用[J]. 紅外與激光工程, 2013, 42(1): 102-107. (YANG Jun, WANG Ke-yi, XU Hai-bin, et al. Development of an optical-fiber displacement interferometer and its application in Hopkinson pressure bar experiment[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(1): 102-107.)

Development of an Explosion Driven Fast-Acting Gate Valve

HU Hua-quan,YANG Jun,YU Qin,MA Yan-jun,ZHANG De-zhi

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China)

A fast-acting gate valve is developed based on the explosion driven technology. The gate valve is composed of a sealing structure, a driving structure, and a positioning structure. The gate valve has two O-rings fixed between valve body and flashboard, and an anti-rebounding structure which could prevent the flashboard hitting the base of valve. With the electric contact probe and laser Doppler displacement interferometer, we measured the closing time of the valve, the velocities and displacements of the flashboard, and the leakage rate of the valve. The results show that the closing time of valve is 0.8 ms, and the leakage rate is less than 10-10Pa·m3·s-1.

explosion driven;fast-acting gate valve;leakage rate

2016-04-21；

2016-11-10

胡華權(1976- )，男，重慶忠縣人，助理研究員，碩士，主要從事爆炸力學研究。

E-mail：huhuaquan@nint.ac.cn

O383.3

A

2095-6223(2016)041001(5)