核行業(yè)雙蓋密封轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的設(shè)計(jì)與有限元分析

樊開霄

（中核四〇四有限公司第二項(xiàng)目部，甘肅嘉峪關(guān) 735100）

0 引言

物料轉(zhuǎn)移是核化工后處理技術(shù)的關(guān)鍵過程，貫穿于整個(gè)后處理工藝。雙蓋轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)在核工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，主要用于密封箱室間放射性、有毒物料的轉(zhuǎn)運(yùn)及放射性與非放射性環(huán)境之間的轉(zhuǎn)移，是國外應(yīng)用較為成熟的物料轉(zhuǎn)移解決方案。目前國內(nèi)應(yīng)用幾乎完全依靠進(jìn)口，但進(jìn)口件價(jià)格高、采購周期長，且供應(yīng)渠道不暢，甚至部分供應(yīng)商只提供模塊化的部件，不零售密封圈等零配件，嚴(yán)重影響了設(shè)備的整體交付、使用和維護(hù)檢修等。隨著國際貿(mào)易環(huán)境的惡化，外購風(fēng)險(xiǎn)性越來越高，雙蓋密封轉(zhuǎn)運(yùn)裝置（以下簡稱裝置）的安全密封轉(zhuǎn)運(yùn)研究及零部件全面實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化具有重大意義。

1 結(jié)構(gòu)組成

裝置主要由轉(zhuǎn)運(yùn)接口、密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶組成（圖1）：轉(zhuǎn)運(yùn)接口由密封蓋、連接法蘭和鎖緊圈3 部分組成，密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶主要由桶體、桶法蘭和桶蓋組成。轉(zhuǎn)運(yùn)接口上的密封蓋與密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶的桶蓋構(gòu)成“雙蓋”結(jié)構(gòu)，在保證各自封閉空間密封性的同時(shí)，保證二者外露表面不被放射性氣氛沾污的情況下，將熱室中的物料轉(zhuǎn)運(yùn)到密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶中。轉(zhuǎn)運(yùn)接口平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，可以保證箱室設(shè)備氣氛密封，需要進(jìn)行物料轉(zhuǎn)運(yùn)操作時(shí)，密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶與轉(zhuǎn)運(yùn)接口對(duì)接嚙合到位后，由連接法蘭和鎖緊圈配合，完成密封蓋及桶蓋的開合。

圖1 雙蓋密封轉(zhuǎn)運(yùn)裝置

2 功能設(shè)計(jì)

裝置既要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)功能，又要滿足安全密封的要求，如何實(shí)現(xiàn)物料的“無泄漏”安全轉(zhuǎn)運(yùn)是涉核材料處理的核心技術(shù)之一。

2.1 安全功能

充分考慮箱室設(shè)備內(nèi)部為有放射性污染的紅區(qū)，針對(duì)裝置的安全功能設(shè)計(jì)了3 組機(jī)械鎖緊裝置，實(shí)現(xiàn)裝置的安全互鎖：①保證密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶沒有安裝到位的情況下，密封蓋不能被打開；②桶上沒有桶蓋的狀態(tài)下，密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶不能脫開；③雙蓋在開啟狀態(tài)下，密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶不能脫開。

（1）機(jī)械鎖1：密封蓋上設(shè)計(jì)安裝門鎖組件，門鎖組件上設(shè)計(jì)限位塊，鎖緊狀態(tài)時(shí)，門鎖組件限位塊位于鎖緊圈的卡槽中，鎖緊圈鎖緊，此時(shí)雙蓋不能開啟。在密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶與轉(zhuǎn)運(yùn)接口對(duì)接時(shí)，只有密封蓋與桶蓋嚙合到位，門鎖組件才能彈起，從而解鎖鎖緊圈。反之，如果密封蓋未與桶蓋嚙合到位，門鎖組件不能彈起，鎖緊圈鎖緊，雙蓋不能開啟。

（2）機(jī)械鎖2：連接法蘭上設(shè)計(jì)安裝鎖緊組件，在密封蓋與桶蓋嚙合到位狀態(tài)下，鎖緊圈解鎖并轉(zhuǎn)動(dòng)到位，鎖緊組件的彈簧被壓縮，當(dāng)鎖緊圈轉(zhuǎn)動(dòng)至極限位置，鎖緊組件的反饋軸伸出連接法蘭的通孔并露出端部，卡住桶法蘭的支耳，鎖緊組件將轉(zhuǎn)運(yùn)接口和密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶完全鎖緊，此時(shí)密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶不能與轉(zhuǎn)運(yùn)接口脫開，雙蓋可以開啟。反之，如果鎖緊圈未轉(zhuǎn)動(dòng)到位，密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶未與轉(zhuǎn)運(yùn)接口完全鎖緊，雙蓋不能開啟。

（3）機(jī)械鎖3：連接法蘭上設(shè)計(jì)安裝防轉(zhuǎn)組件，在雙蓋開啟狀態(tài)下，防轉(zhuǎn)擋塊彈出卡住鎖緊圈，防止鎖緊圈轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶與轉(zhuǎn)運(yùn)接口依然處于鎖緊狀態(tài)，密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶不能與轉(zhuǎn)運(yùn)接口脫開。防轉(zhuǎn)組件將鎖緊圈鎖緊，保證雙蓋關(guān)閉過程中密封蓋限位銷正常落入到鎖緊圈的斜槽中。

（4）解鎖：物料轉(zhuǎn)移到密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶中后，雙蓋關(guān)閉，防轉(zhuǎn)組件解鎖鎖緊圈，然后鎖緊圈轉(zhuǎn)動(dòng)，鎖緊組件的彈簧回到自然狀態(tài)，鎖緊組件的反饋軸縮回，桶法蘭與連接法蘭脫開，密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶解鎖，轉(zhuǎn)動(dòng)密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶，使得密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶的桶蓋與桶法蘭嚙合到位，密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶與轉(zhuǎn)運(yùn)接口解除嚙合，門鎖組件鎖緊鎖緊圈，此時(shí)可以卸下密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶。

在轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中桶蓋上表面，與密封蓋下表面沒有直接接觸污染源，污染氣氛始終只是在轉(zhuǎn)運(yùn)桶與放射性箱室之間傳播。

2.2 密封功能

裝置在轉(zhuǎn)運(yùn)前、后和轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，放射性材料都處于密閉的空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)“無泄漏”“無污染”安全轉(zhuǎn)移，故須保證各個(gè)階段均具有良好的密封：①在桶法蘭上設(shè)計(jì)安裝傘形結(jié)構(gòu)密封圈，并在桶法蘭與桶之間設(shè)計(jì)安裝O 形密封圈，保證了密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶的密封性，即保證桶內(nèi)放射性污染不泄漏到無放射性污染的環(huán)境中；②在密封蓋上設(shè)計(jì)安裝傘形結(jié)構(gòu)密封圈，并在連接法蘭與熱室墻體間設(shè)計(jì)安裝O 形密封圈，保證了轉(zhuǎn)運(yùn)接口的密封性，即保證熱室內(nèi)的放射性污染不會(huì)泄漏到無放射性污染的環(huán)境中；③轉(zhuǎn)運(yùn)接口與密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶的嚙合對(duì)接時(shí)，通過對(duì)角傘形結(jié)構(gòu)密封圈設(shè)計(jì)，保證了轉(zhuǎn)運(yùn)過程中容器、桶蓋、連接法蘭、密封蓋四者之間的相互密封；④密封圈的彎曲為局部的拉伸和壓縮，傳統(tǒng)的壓縮永久變形需很大的預(yù)緊力才能提供足夠的形變，不適合裝置的工況條件，因此設(shè)計(jì)成傘形結(jié)構(gòu)。

3 抗震密封性能計(jì)算

轉(zhuǎn)運(yùn)接口材料選用不銹鋼，本身強(qiáng)度、剛度較大，地震作用下密封蓋與連接法蘭間可保證相對(duì)位置不發(fā)生變化，密封蓋本身的密封性基本不受地震作用影響。地震作用下，密封的薄弱環(huán)節(jié)為連接法蘭與箱室殼體密封圈的連接結(jié)構(gòu)，需對(duì)此部分進(jìn)行必要的抗震分析計(jì)算。

鎖緊螺釘預(yù)緊應(yīng)力是保證O 形圈操作時(shí)密封性能的重要前提，預(yù)緊力通過連接法蘭密封面把O 形圈壓緊，O 形圈表面壓應(yīng)力必須達(dá)到一定的數(shù)值才能使O 形圈變形而壓實(shí)，壓緊面上由于機(jī)械加工形成的微隙被填滿，形成初始密封條件。密封結(jié)構(gòu)形成初始密封條件后，在工作狀態(tài)時(shí)，介質(zhì)壓力降低了壓緊面與O 形圈之間的壓緊應(yīng)力，被壓縮的O 形圈回彈對(duì)分離進(jìn)行補(bǔ)償。如果O 形圈的回彈能力能補(bǔ)償變形，使密封面壓力降到不小于操作壓力的m 倍（m 為墊片系數(shù)），則法蘭壓緊面之間能夠保持較好的密封狀態(tài)，否則會(huì)發(fā)生泄漏。

O 形圈材料采用丁腈橡膠，其彈性模量約7.8 MPa，泊松比為0.47，參考GB/T 150—2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)，其墊片系數(shù)約為2.0。

用ANSYS Workbench 軟件建模計(jì)算時(shí)，只考慮法蘭與箱室殼體密封圈的連接結(jié)構(gòu)部分，轉(zhuǎn)運(yùn)接口的密封門等其他主要部件的質(zhì)量按等效方法加在法蘭上，可以保證地震作用下的效果與真實(shí)情況一致。地震載荷采用頻譜分析方法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)設(shè)備考慮SL-2（SSE）地震進(jìn)行計(jì)算分析（圖2）。

圖2 SL-2 地震反應(yīng)譜曲線

計(jì)算方法采用接觸分析方法，初始狀態(tài)下法蘭與箱室殼體之間壓緊密封圈，可以分析其接觸狀態(tài)，當(dāng)?shù)卣鹱饔脮r(shí)，分析計(jì)算密封圈與法蘭和箱室殼體的接觸狀態(tài)可以評(píng)定是否保證密封效果。由于密封箱室的操作壓力一般僅為幾百帕，計(jì)算所得密封圈接觸壓力為2.4 MPa，該壓力與操作壓力的比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于墊片系數(shù)，因此地震作用下該密封結(jié)構(gòu)能夠保持較好的密封狀態(tài)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 基本功能試驗(yàn)

將密封轉(zhuǎn)運(yùn)容器與轉(zhuǎn)運(yùn)接口對(duì)接，測(cè)試基本功能，雙蓋開啟和關(guān)閉的整個(gè)過程靈活輕松無卡滯現(xiàn)象。

4.2 安全功能試驗(yàn)

試驗(yàn)密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶在沒有完全鎖緊的情況下，密封蓋不可以打開。試驗(yàn)密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶上沒有桶蓋的情況下，密封蓋不可以打開。試驗(yàn)密封蓋開啟狀態(tài)時(shí)，密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶不可以脫開。

4.3 密封功能試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EJ/T 1096—1999《密封箱室密封性分級(jí)及其檢驗(yàn)方法》，裝置應(yīng)為3 級(jí)密封等級(jí)，試驗(yàn)方法采用壓力變化法中的負(fù)壓法，試驗(yàn)設(shè)備選用氦質(zhì)譜檢漏儀，對(duì)要測(cè)試處的密封空間抽真空，將氦氣噴至被檢設(shè)備上，若設(shè)備有漏孔，則氦質(zhì)譜檢漏儀會(huì)有所反應(yīng)，從而可知漏孔所在及泄漏率的大小。為保證各個(gè)階段均具有良好的密封，對(duì)4 種工況進(jìn)行了密封性試驗(yàn)，要求泄漏率應(yīng)＜0.03 Pa·m3/s。

（1）密封蓋與桶蓋之間的密封性：測(cè)量方法為提供一個(gè)與產(chǎn)品相同的桶蓋作為試驗(yàn)樣件，在桶蓋上焊接接頭并連接氦質(zhì)譜檢漏儀，對(duì)區(qū)域抽真空，采用噴槍向雙蓋間密封圈位置噴氦氣，其檢測(cè)結(jié)果泄漏率為1.7×10-6Pa·m3/s，滿足要求。

（2）測(cè)量密封轉(zhuǎn)運(yùn)桶的密封性：測(cè)量方法與（1）類似，采用噴槍向轉(zhuǎn)運(yùn)桶密封圈位置噴氦氣，其檢測(cè)結(jié)果泄漏率為6.8×10-7Pa·m3/s，滿足要求。

（3）測(cè)量轉(zhuǎn)運(yùn)接口的密封性：測(cè)量方法是設(shè)計(jì)氣密性試驗(yàn)工裝，并與3 mm 不銹鋼板工裝連接，對(duì)區(qū)域抽真空，采用噴槍向密封蓋密封圈位置噴氦氣，其檢測(cè)結(jié)果泄漏率為3.6×10-5Pa·m3/s，滿足要求。

（4）測(cè)量桶與熱室法蘭之間的密封：測(cè)量方法與（3）類似，取消桶蓋、密封門及密封門上安裝的零件，采用噴槍向轉(zhuǎn)運(yùn)桶密封圈位置噴氦氣，檢測(cè)結(jié)果泄漏率為2.5×10-5Pa·m3/s，滿足要求。

5 結(jié)論

綜上論述，雙蓋密封轉(zhuǎn)運(yùn)裝置在各工況均能滿足安全、密封轉(zhuǎn)運(yùn)的功能要求，可在核行業(yè)后處理工藝中安全應(yīng)用。