特種水閘門(mén)密封性能分析及試驗(yàn)研究

朱 建，湯淋淋，王勝男

（1.江蘇雪梅制冷設(shè)備有限公司，江蘇 泰州 225300；2.硅湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 昆山 215300；3.昆山市天翔技工學(xué)校，江蘇 昆山 215300）

0 引 言

核能是一種通過(guò)裂變產(chǎn)生的清潔高效能源，具有很高的安全性和經(jīng)濟(jì)性。百萬(wàn)級(jí)核電站多采用非能動(dòng)型壓水堆核電站，能夠保證核電站的可靠性[1-2]。水閘門(mén)為核電站機(jī)組汽輪機(jī)廠房地下廊道水閘門(mén)，為了保證地下廊道被水淹沒(méi)時(shí)，用來(lái)隔斷汽輪機(jī)廠房與地下廊道之間的聯(lián)系，保證水無(wú)法漫到核電站機(jī)組汽輪機(jī)廠房中，保護(hù)廠房?jī)?nèi)設(shè)備[3-4]。本文建立了特種水閘門(mén)密封結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)水閘門(mén)密封性能進(jìn)行分析研究，通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究?jī)煞N方法進(jìn)行密封性能的判斷，確定該種結(jié)構(gòu)是否滿足密封性能要求，為以后的特種水閘門(mén)設(shè)計(jì)提供參考以及作為同類型特種門(mén)可靠性判定的依據(jù)。

1 密封性能分析

1.1 前處理

本文先通過(guò)Solidworks 軟件建立了水閘門(mén)的幾何模型，在確保計(jì)算結(jié)構(gòu)精確性、總體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位不變的情況下，為了減少計(jì)算量，只建立局部密封模型，具體如圖1 所示。

圖1 水閘門(mén)密封結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 材料屬性定義

本文計(jì)算的特種水閘門(mén)所用材料為Q235-B 和橡膠。Q235-B 的彈性模量為210 GPa，泊松比為0.274，密度為 7 830 kg/m3，屈服強(qiáng)度為 235 MPa，抗拉強(qiáng)度為375 MPa；橡膠的彈性模量2.820 MPa，泊松比 μ=0.499 67；橡膠 Mooney-Rivlin 常數(shù) C10=0.293 MPa，C01=0.177 MPa。

1.1.2 接觸及載荷的添加

在密封結(jié)構(gòu)中主要是面面接觸，這里的面面接觸均為綁定接觸，具體接觸如圖2 所示。

圖2 水閘門(mén)密封處結(jié)構(gòu)接觸

在密封結(jié)構(gòu)中只需對(duì)門(mén)框背面添加固定約束即可，在門(mén)扇正面施加5.5 mm 的位移載荷，同樣在密封圈的側(cè)邊施加0.1 MPa 的壓力，如圖3 所示。

圖3 載荷及邊界條件示意圖

1.1.3 網(wǎng)格劃分

對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為2 mm，共有9 921 個(gè)網(wǎng)格單元，46 652 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其網(wǎng)格模型如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)格模型示意圖

1.2 結(jié)果分析

密封圈在載荷作用下最大應(yīng)力為1.89 MPa，主要應(yīng)力發(fā)生在密封圈上，密封圈呈橢圓形變形，門(mén)框與門(mén)扇上的應(yīng)力很小，可忽略不計(jì)。密封圈接觸面上的平均接觸應(yīng)力為0.97 MPa，該值遠(yuǎn)大于所受到的水壓0.10 MPa，密封圈呈橢圓形變形，滿足設(shè)計(jì)要求。

2 密封性試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)為水閘門(mén)的密封性試驗(yàn)，主要驗(yàn)證水閘門(mén)在9 000 mm 高水注的情況下，門(mén)扇與門(mén)框四周密封處的密封性能，滿足水閘門(mén)的泄漏量≤10 L/h。在試驗(yàn)中使用的主要設(shè)備、型號(hào)及其用途詳見(jiàn)表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)備、型號(hào)及其用途

2.2 試樣規(guī)格

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)要求，確定采用的試樣為水閘門(mén)原型，其具體尺寸規(guī)格為：2 145 mm×1 170 mm×101 mm，主要材料為Q235-B 和45 鋼，門(mén)的總體質(zhì)量約為730 kg。試件為門(mén)框、門(mén)扇、鉸鏈和鎖緊系統(tǒng)在內(nèi)的組合體（不包含電器系統(tǒng)）。表2詳述了各部件的構(gòu)成以及具體規(guī)格。

表2 試樣規(guī)格詳述

2.3 試驗(yàn)步驟

（1）將試驗(yàn)底座平放在水平臺(tái)上并固定好，如圖5 所示。

圖5 水閘門(mén)試驗(yàn)底座安裝示意圖

（2）吊起試驗(yàn)門(mén)框移至底座上方，緩緩放下，并用螺栓將門(mén)框固定在底座上。裝好斜撐，門(mén)框周邊均設(shè)有密封條，如圖6 所示。

圖6 水閘門(mén)門(mén)框安裝示意圖

（3）吊起門(mén)扇，將水閘門(mén)裝在門(mén)框上，啟閉無(wú)卡滯，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。關(guān)閉狀態(tài)下，門(mén)扇需壓緊密封條。

（4）吊起試驗(yàn)水箱移至底座上方，靠緊門(mén)框，緩緩放下，用螺栓將水箱固定在底座上，同時(shí)與門(mén)框連接好，縫隙處打上密封膠。此時(shí)，形成一個(gè)相對(duì)密閉的空間，如圖7 所示。

圖7 應(yīng)力分析

圖7 水閘門(mén)試驗(yàn)水箱安裝示意圖

（5）吊起注水管移至水箱上方，緩緩放下，用螺栓將法蘭連接好，在標(biāo)高9 000 mm 處設(shè)有液位計(jì)。

（6）檢查各試驗(yàn)部件，安裝需到位。

（7）水管置于注水管內(nèi)，打開(kāi)水閥，水位上升至標(biāo)高9 000 mm 處停止供水。

（8）觀察門(mén)框與水箱連接處的滲水情況。如滲水量大，打開(kāi)止水閥，排盡水箱內(nèi)的水。門(mén)框與水箱縫隙處打上密封膠，再次注水至標(biāo)高9 000 mm 處，縫隙處不滲水后才能試驗(yàn)門(mén)的滲水情況。

（9）集水槽置于門(mén)框下方，收集滲出來(lái)的水，試壓直至有水出，取出集水槽，如圖8 所示。

圖8 位移分析

圖8 水閘門(mén)水密實(shí)驗(yàn)圖

（10）試驗(yàn)結(jié)束后，打開(kāi)止水閥，排盡水箱內(nèi)的水。

2.4 結(jié)果分析

水閘門(mén)在9 m 水深的靜壓力下保持15 min，未出現(xiàn)泄漏，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)泄漏量10 L/h，且其密封條未出現(xiàn)變形、損壞等現(xiàn)象，試件的使用功能不受影響，因此該水閘門(mén)的水密性能符合要求，且水密等級(jí)達(dá)到 I 級(jí)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)水閘門(mén)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了密封性能分析研究，得到如下結(jié)論：（1）密封圈接觸面上的平均接觸應(yīng)力為0.97 MPa，該值遠(yuǎn)大于所受到的水壓0.10 MPa，密封圈呈橢圓形變形，滿足設(shè)計(jì)要求；（2）水閘門(mén)在9 m 水深的靜壓力下保持15 min，未出現(xiàn)泄漏，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)泄漏量10 L/h，因此該水閘門(mén)的水密性能符合要求。