某核電站設(shè)備閘門密封膠條優(yōu)化改進(jìn)

劉 明，胡 煒

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

某核電站設(shè)備閘門主要用于機(jī)組大修期間大型專用工器具及備件進(jìn)出安全殼以及在機(jī)組正常運(yùn)行期間實(shí)現(xiàn)安全殼內(nèi)的負(fù)壓。該設(shè)備閘門為雙層安全殼專設(shè)設(shè)備，兩側(cè)使用門板密封，以適用雙層安全殼的結(jié)構(gòu)。每個(gè)門板上有14 個(gè)電動(dòng)頭（其中外門板有1 個(gè)插銷電動(dòng)頭），兩個(gè)門板共有29 個(gè)。原設(shè)計(jì)的設(shè)備閘門采用全自動(dòng)操作模式，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備閘門的快速開關(guān)及密封泄漏自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能。在正常開門過程中，首先壓力平衡閥開啟，門框移動(dòng)至關(guān)限位觸發(fā)限位開關(guān)停止，緊接著6 個(gè)密封電動(dòng)頭動(dòng)作約2 s，密封螺母旋轉(zhuǎn)約2 圈，解除門板的密封狀態(tài)，然后6 個(gè)密封電動(dòng)頭和3 個(gè)推拉桿電動(dòng)頭同時(shí)動(dòng)作，當(dāng)門板上的3 個(gè)位置限位開關(guān)動(dòng)作時(shí)，表明密封絲杠與密封螺母已經(jīng)完全脫開，此時(shí)6 密封電動(dòng)頭停止動(dòng)作，3 個(gè)推拉桿電動(dòng)頭繼續(xù)動(dòng)作，直至到達(dá)電動(dòng)頭的開行程限位開關(guān)停止。最后橫移電動(dòng)頭動(dòng)作，將門板移動(dòng)至開限位停止，同時(shí)壓力平衡閥關(guān)閉。由于匹配的電動(dòng)設(shè)備精度及固有的邏輯設(shè)計(jì)問題，設(shè)備閘門在自動(dòng)運(yùn)行期間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)卡澀及螺紋損壞故障，使閘門可靠性及可用性大大降低，嚴(yán)重影響機(jī)組大修的工作計(jì)劃。

本文從減小故障后果出發(fā)，通過優(yōu)化設(shè)備閘門膠條硬度，減少密封電動(dòng)頭的初始力矩設(shè)置，從而降低密封螺紋損壞的概率和密封膠條運(yùn)行期間的受力狀態(tài)，提高密封膠條的使用壽命。

1 設(shè)備閘門膠條密封性能計(jì)算

設(shè)備閘門單扇密封機(jī)構(gòu)采用6 個(gè)輔助電動(dòng)頭、6 個(gè)密封電動(dòng)頭實(shí)現(xiàn)設(shè)備閘門的開關(guān)和密封功能，密封電動(dòng)頭設(shè)計(jì)力矩為2000 N·m。根據(jù)螺紋力矩與軸向力的短形式[1]，計(jì)算可得每個(gè)密封電動(dòng)頭可實(shí)現(xiàn)250 000 N 的軸向壓力。

設(shè)備閘門膠條長(zhǎng)度為18 695 mm，其與門板接觸寬度為7 mm，膠條設(shè)計(jì)壓縮率為30%，與常規(guī)橡膠靜密封壓縮率相近。假設(shè)忽略設(shè)備閘門的滾動(dòng)摩擦，設(shè)備閘門密封螺栓的軸向力全部由凸出的膠條的反作用力承擔(dān)。因此可得膠條端面壓力σa、膠條端部面積Sa和軸向壓力Fa關(guān)系：σa×Sa×2=Fa×6。

根據(jù)該關(guān)系式，計(jì)算可得膠條端面壓力約5.73 MPa。

2 橡膠材料有線元分析Mooney-Rivlin 模型參數(shù)計(jì)算

橡膠作為一種超彈性材料，廣泛應(yīng)用于密封件、輪胎、吸振材料等。其應(yīng)力與應(yīng)變之間存在較強(qiáng)的非線性關(guān)系，材料的非線性和幾何非線性特征導(dǎo)致橡膠材料的力學(xué)性能研究存在較大的困難。經(jīng)過幾十年的大量研究工作，目前主要利用應(yīng)變能函數(shù)來描述其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并形成了在工程領(lǐng)域較為常用的二常數(shù)的Mooney-Rivlin 的二參數(shù)模型來描述其力學(xué)性能。

Mooney-Rivlin 模型幾乎可以描述所有橡膠材料的力學(xué)行為，特別使用與100%的拉伸工況和30%的壓縮工況。本文所述的設(shè)備閘門密封膠條在最終密封狀態(tài)的膠條壓縮量為30%，且僅受單向壓縮工況，因此比較適和Mooney-Rivlin 模型所需的工況狀態(tài)。Mooney-Rivlin 模型基本數(shù)學(xué)模型如下：

其中，C10和C01為力學(xué)常數(shù)，I1和I2為應(yīng)力張量不變量，該模型可近似單純壓縮量小于30%的橡膠受力后的行為。在較小應(yīng)變的情況下，橡膠材料的剪切模量G 約為彈性模量E 的1/3。另外根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)所述，一般在0.05 左右時(shí)[2]，橡膠有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)與實(shí)際情況符合較好，且C10、C01、G 和E 存在如下關(guān)系：G=2（C10+C01），E=6C10（1+）。

Mooney-Rivlin 模型中存在較多參數(shù)，可根據(jù)橡膠的初始彈性模量的值確定Mooney-Rivlin 模型中的所有參數(shù)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，橡膠硬度越高，彈性模量也越高，相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，橡膠的彈性模量與橡膠邵氏硬度存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，可使用構(gòu)造指數(shù)型的二次非線性函數(shù)來模擬硬度與彈性模量的模型關(guān)系[3]：

本文所述設(shè)備閘門密封膠條的邵氏硬度為65 HA，根據(jù)該關(guān)系可得設(shè)備閘門密封膠條的初始彈性模量約為12 MPa，進(jìn)而可得C01=0.1，C10=1.9。至此獲得Mooney-Rivlin 模型有限元分析所有的參數(shù)。

2 設(shè)備閘門密封膠條的有限元分析

通過二維軟件建立設(shè)備閘門密封膠條與設(shè)備閘門門板密封的二維簡(jiǎn)化模型，導(dǎo)入Workbench 分析計(jì)算模塊。利用Mooney-Rivlin 模型計(jì)算可得密封膠條與門板接觸位置的受力狀況如圖1～圖2 所示。

圖1 65 HA 膠條上端面應(yīng)力

圖2 65 HA 膠條下端面應(yīng)力

分析該受力云圖發(fā)現(xiàn)，上端面平均接觸應(yīng)力約為6 MPa，與手算計(jì)算結(jié)果相近，可認(rèn)定本次Workbench 分析中采用的橡膠本構(gòu)模型及算法是合理的。另外通過本次計(jì)算還發(fā)現(xiàn)，下端面平均接觸應(yīng)力約為3.5 MPa 左右，與膠條上端面密封壓力的一半相當(dāng)。由于上下端面均為密封邊界，因此過高的上端面密封壓力不僅沒有必要，也對(duì)膠條性能產(chǎn)生不利的影響。

另外，設(shè)備閘門采用雙層密封膠條結(jié)構(gòu)，在兩道設(shè)備閘門密封膠條之間存在0.1 MPa 的空氣壓力，用于監(jiān)測(cè)設(shè)備閘門兩道密封膠條的完整性。設(shè)備閘門密封膠條僅需要實(shí)現(xiàn)0.1 MPa 的空氣壓力密封即可，目前設(shè)備閘門密封膠條端面壓力約為密封介質(zhì)壓力的60 多倍，密封比壓過大。

綜上所述，原廠設(shè)備閘門密封膠條硬度性能參數(shù)設(shè)計(jì)存在缺陷，不僅導(dǎo)致膠條端面應(yīng)力及上下端面密封壓力差距及設(shè)備閘門密封膠條密封比壓值過大，還造成設(shè)備閘門密封電動(dòng)頭選型出現(xiàn)問題，必須使用具有較大輸出力矩的電動(dòng)頭，才能完成設(shè)計(jì)的壓縮量。而較大輸出力矩的電動(dòng)頭在設(shè)備閘門門板卡澀故障時(shí)，極易導(dǎo)致密封螺栓和密封螺母損壞，目前，該型號(hào)設(shè)備閘門已多次出現(xiàn)密封螺母和密封螺絲損壞的缺陷。

3 設(shè)備閘門密封膠條優(yōu)化改進(jìn)方案

根據(jù)以上的分析結(jié)可知，必須優(yōu)化替代現(xiàn)有的密封膠條硬度參數(shù)，以消除由于其硬度性能參數(shù)選擇缺陷導(dǎo)致其他關(guān)鍵部件選型錯(cuò)誤，降低設(shè)備閘門卡澀缺陷的后果。目前常用的密封膠條為邵氏硬度為56 HA。根據(jù)該數(shù)值，計(jì)算可得對(duì)應(yīng)的彈性模量E 為0.931 MPa，C01=0.007 388 9，C10=0.147 78。同理，可計(jì)算得密封膠條與門板接觸位置的受力狀況（圖3～圖4）。

圖3 56 HA 膠條上端面應(yīng)力

圖4 56 HA 膠條下端面應(yīng)力

從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，密封膠條的上端面應(yīng)力大幅減小，平均應(yīng)力值僅約0.5 MPa，下端面平均密封應(yīng)力在0.4 MPa 左右，上下應(yīng)力值趨于一致，且僅為密封介質(zhì)壓力的4 倍，更加合理。

根據(jù)螺紋力矩與軸向力的短關(guān)系式可知，56 HA 的設(shè)備閘門密封膠條完成30%的壓縮率時(shí)，每個(gè)密封電動(dòng)頭所需力矩僅需約200 N·m，遠(yuǎn)小于原選型設(shè)計(jì)（2000 N·m）。選擇更加小型的密封電動(dòng)頭不僅可以降低設(shè)備成本，在設(shè)備閘門卡澀缺陷故障時(shí)還可大大降低密封螺母和密封螺紋損壞的可能性。

為了驗(yàn)證在該橡膠材料能否實(shí)現(xiàn)設(shè)備閘門的密封功能，對(duì)膠條側(cè)面施加了0.1 MPa 的載荷加載后，密封膠條的界面應(yīng)力不僅沒有縮小反而變的更大，上部端面的平均應(yīng)力約為0.65 MPa，下端平均應(yīng)力約為0.5 MPa。這表明在外部介質(zhì)的作用下，橡膠材料的密封元件會(huì)通過自身變形來增強(qiáng)密封效果。因此采用56 HA 的密封膠條足以實(shí)現(xiàn)0.1 MPa 的空氣壓力的密封性能，且性能參數(shù)更加合理。

4 反饋及建議

綜上所述，某核電站設(shè)備閘門密封膠條設(shè)計(jì)帶來的經(jīng)驗(yàn)反饋主要有4 條：

（1）該型設(shè)備閘門膠條硬度選取過大，使得要達(dá)到目標(biāo)壓縮量時(shí)，鎖緊螺母所需力矩過大、接近2000 N·m，容易加重設(shè)備閘門在開關(guān)操作中產(chǎn)生的故障后果，降低設(shè)備閘門的可用性時(shí)間。

（2）該型設(shè)備閘門密封膠條上下端面應(yīng)力差值較大，使得上端面過大應(yīng)力值處于無效狀態(tài)。

（3）設(shè)備閘門密封膠條等關(guān)鍵部件參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)慎重考慮其使用需求，否則可能導(dǎo)致其他相關(guān)聯(lián)部件選型錯(cuò)誤，降低設(shè)備可靠性及可用性，加重設(shè)備的故障后果。

（4）設(shè)備閘門密封膠條應(yīng)力過大，加速設(shè)備閘門密封膠條蠕變、老化，對(duì)設(shè)備閘門密封性能存在不利影響。

使用56 HA 的密封膠條，不僅可以實(shí)現(xiàn)密封，還有以下3個(gè)優(yōu)勢(shì)：①大大減少密封鎖緊螺母的力矩，大大降低在設(shè)備閘門卡澀缺陷故障后果，提高設(shè)備閘門運(yùn)行的可靠性；②密封膠條上下端面應(yīng)力趨于一致，減少上端面的無效應(yīng)力；③密封膠條上下端面的應(yīng)力約0.5 MPa，是原設(shè)備閘門密封膠條端面壓力的約1/12，有利于延長(zhǎng)設(shè)備閘門密封膠條壽命。