鈉燃燒試驗(yàn)廠房隔熱密封門的設(shè)計(jì)與分析

李 陽，聶羽飛

（中國核電工程有限公司河北分公司，河北 石家莊 050000）

鈉冷快中子反應(yīng)堆以液態(tài)金屬鈉為冷卻劑。液態(tài)金屬鈉暴露在空氣中時(shí)易引起燃燒。鈉燃燒安全問題是鈉冷快中子反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)事故之一［1-2］。鈉在空氣中的著火點(diǎn)由空氣濕度決定，一般為140～340℃。若鈉為噴霧狀態(tài)，則其可能在120℃時(shí)起燃［3］。由于鈉的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，一旦發(fā)生泄漏事故，鈉自身所含的熱量和燃燒過程中釋放的熱量會使廠房內(nèi)的溫度和壓力顯著升高。霧狀鈉燃燒是反應(yīng)堆安全的主要威脅，其主要危害是在火災(zāi)早期瞬間產(chǎn)生高溫和高壓，從而對建筑物造成破壞［2，4-5］?？紤]到廠房內(nèi)常有人員和設(shè)備進(jìn)出以及廠房對防火隔熱與承壓密封的需求，應(yīng)設(shè)計(jì)一種具備隔熱、密封功能的特種門。

在核工程中根據(jù)工況的不同，特種門可分成多個(gè)類型，比較常見的有生物屏蔽門、氣密門、水密門、人員閘門、設(shè)備閘門和防火門等。其中，生物屏蔽門是基于廠房內(nèi)部輻射區(qū)的劃分，為保證人員活動區(qū)域處于低劑量輻射狀態(tài)而特殊設(shè)計(jì)的特種門［6-7］。氣密門或水密門適用于有氣密性或水密性要求的廠房，當(dāng)氣密門或水密門關(guān)閉時(shí)，廠房在壓力差的作用下保持密封狀態(tài)［8-9］。人員閘門是核反應(yīng)堆安全殼上的重要貫穿件，在反應(yīng)堆正常運(yùn)行或停堆換料期間，打開人員閘門可供人員或小型設(shè)備進(jìn)出；在事故工況下，其還可作為人員緊急撤離的出口［10］。設(shè)備閘門是核電廠建造階段以及整個(gè)核電廠壽期內(nèi)大型設(shè)備進(jìn)出核反應(yīng)堆安全殼的唯一通道［11］。防火門作為防火區(qū)邊界的一部分，是保證防火區(qū)有效的關(guān)鍵部件，也是加強(qiáng)實(shí)體分隔的重要部分。由于受使用場合特殊的限制，對防火門的強(qiáng)度、耐腐蝕性等有嚴(yán)格的要求［12-13］。

鈉燃燒試驗(yàn)廠房的極限工況如下：最高溫度為280℃，最高壓力為0.3 MPa，泄漏率不大于0.1%V m3/h（V為廠房體積）。針對鈉燃燒試驗(yàn)廠房的極限工況及其常用特種門的特點(diǎn)，筆者擬設(shè)計(jì)一種新型的隔熱密封門。

1 隔熱密封門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以凈通行尺寸（長×寬）為1 800 mm×800 mm為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)為多鎖緊點(diǎn)、快速啟閉的平開式隔熱密封門［14］，其主要由鎖緊機(jī)構(gòu)、門板組件、門框組件、鉸鏈和密封條等零部件組成，如圖1所示。

圖1 隔熱密封門結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of heat insulation sealing door

1.1 鎖緊機(jī)構(gòu)

鎖緊機(jī)構(gòu)采用二級齒輪帶動齒條和多連桿的傳動結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)動手輪帶動齒輪、齒條二級傳動，由齒條帶動連桿移動，以推動壓緊桿壓緊門框上的支座，從而實(shí)現(xiàn)門板的鎖緊功能。所設(shè)計(jì)的鎖緊機(jī)構(gòu)通過轉(zhuǎn)動手輪，使得6個(gè)鎖緊點(diǎn)同時(shí)鎖緊，且對密封條的壓縮量均勻。此外，僅通過轉(zhuǎn)動手輪即可完成隔熱密封門的開啟和關(guān)閉，操作方便且快捷，便于人員和設(shè)備的進(jìn)出。

1.2 門板組件

門板組件由門板和門板隔熱層兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中：門板主要用于承受試驗(yàn)壓力，以保證鈉焰不會外泄，同時(shí)用于安裝鎖緊機(jī)構(gòu)和密封條；門板隔熱層主要用于整體隔熱。門板隔熱層由薄不銹鋼板彎折拼接制成，其內(nèi)部空腔填滿硅酸鋁纖維隔熱材料。為使門板隔熱層不受試驗(yàn)廠房內(nèi)壓力的影響，其內(nèi)部焊接板開有一定數(shù)量的通氣孔（本文中共開有8個(gè)直徑為4 mm的通孔），以使門板隔熱層內(nèi)部空腔與外界連通。同時(shí)，門板隔熱層間斷焊接于門板上，使得門板連接處空腔也與外界連通。由于鈉燃燒試驗(yàn)在廠房的中間進(jìn)行，通過空氣導(dǎo)熱的效率遠(yuǎn)低于通過金屬導(dǎo)熱的效率，因此本文主要考慮門板對試驗(yàn)廠房內(nèi)側(cè)的傳熱情況。

圖2 門板組件結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure diagram of door panel assembly

1.3 門框組件

門框組件由門框和門框隔熱塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中：門框由1塊厚不銹鋼板背面焊接碳鋼框架制成，碳鋼框架的焊接增大了門框的剛度；門框正面兩邊均設(shè)有隔熱塊。門框隔熱塊由薄不銹鋼板拼接制成，其內(nèi)部空腔填滿硅酸鋁纖維隔熱材料，以增強(qiáng)門框的隔熱性能；門框隔熱塊內(nèi)部焊接板間斷焊接于圍板上，且圍板間斷焊接于門框上，以使門框隔熱塊不受試驗(yàn)廠房內(nèi)壓力的影響。

圖3 門框組件結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure diagram of door frame assembly

1.4 鉸鏈

所設(shè)計(jì)隔熱密封門上、下各安裝了1個(gè)鉸鏈。鉸鏈主要由門板鉸鏈座、門框鉸鏈座、鉸鏈桿和銷軸等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于鈉燃燒試驗(yàn)廠房內(nèi)的壓力較高，對密封條的壓緊要求較高。將鉸鏈設(shè)置為雙軸形式，一方面方便門板的開啟和關(guān)閉，另一方面可增加對門板的調(diào)整量，以保證對密封條的均勻壓緊，提高密封性。

圖4 鉸鏈結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure diagram of hinge

1.5 密封條

密封條通過壓緊板安裝在門板上。由于鈉燃燒試驗(yàn)廠房對密封性的要求較高，須增大密封條的壓縮量，以保證密封效果。同時(shí)，為了便于隔熱密封門的現(xiàn)場試驗(yàn)，將密封條設(shè)計(jì)為雙道空心結(jié)構(gòu)，并在門框上設(shè)置充壓接頭，方便在現(xiàn)場安裝調(diào)試隔熱密封門時(shí)對密封條的空心結(jié)構(gòu)進(jìn)行充壓，以驗(yàn)證其密封性能。密封條的結(jié)構(gòu)及其安裝情況如圖5所示。

圖5 密封條結(jié)構(gòu)及安裝示意Fig.5 Structure and installation diagram of sealing strip

2 隔熱密封門關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)分析

2.1 鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

為了保證隔熱密封門關(guān)閉后，可通過轉(zhuǎn)動手輪來使密封條的壓縮量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，須對鎖緊機(jī)構(gòu)中的齒輪副進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，并通過計(jì)算其接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度來驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性。

經(jīng)查詢廠家資料，所選空心密封條每10 mm被壓縮2 mm所需施加的力F≈8 N；外密封條的展開長度L1=5 640 mm，內(nèi)密封條的展開長度L2=5 400 mm。查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［15］可知，人機(jī)工程學(xué)中常用的手輪用雙手操縱時(shí)所需的作用力推薦值為60 N，不常用的手輪用雙手操縱時(shí)所需的作用力推薦值為250 N，本文取雙手操作手輪的作用力F人=100 N。

根據(jù)對鎖緊機(jī)構(gòu)的受力分析，將內(nèi)、外2條密封條均勻壓縮2 mm所需施加的力F總為：

本文隔熱密封門的鎖緊機(jī)構(gòu)共有6個(gè)鎖緊點(diǎn)，則每個(gè)鎖緊點(diǎn)的壓緊力

鎖緊機(jī)構(gòu)中每個(gè)鎖緊點(diǎn)的壓緊力F單均來源于壓緊桿的推力F壓。某一鎖緊點(diǎn)的受力分析如圖6所示。

圖6 鎖緊機(jī)構(gòu)中某鎖緊點(diǎn)的受力分析示意Fig.6 Schematic diagram of force analysis of a locking point in locking mechanism

由圖6可知，壓緊桿端面傾斜角度α=15°，則單根壓緊桿沿水平方向的推力F壓=F單×tanα=1 472 N×tan 15°≈395 N。此外，在壓緊桿移動過程中，壓緊座對壓緊桿有摩擦力，取兩者間的動摩擦系數(shù)μ=0.1，因此壓緊桿沿水平方向的實(shí)際推力F壓實(shí)為：

壓緊桿的壓緊過程為：齒輪帶動齒條向上移動，齒條移動帶動連桿移動，進(jìn)而推動壓緊桿完成壓緊。對齒條進(jìn)行受力分析，如圖7所示。其中，連桿長度L連桿=244 mm；當(dāng)壓緊桿受力時(shí)，壓緊桿受力點(diǎn)與齒條的距離L桿齒=210 mm。

圖7 齒條受力分析示意Fig.7 Schematic diagram of force analysis of rack

由圖7可知，齒條推動單根壓緊桿所需的作用力F條為：

鎖緊機(jī)構(gòu)中共有6根壓緊桿，均由同一齒條推動，則齒條所需施加的總作用力F條總=6×F條=6×321 N=1 926 N。

根據(jù)齒條的受力情況，計(jì)算齒輪副的傳動比i。齒輪副的結(jié)構(gòu)如圖8所示。設(shè)小齒輪的分度圓半徑r小=40 mm，模數(shù)m小=4，齒數(shù)z小=20；手輪半徑r手=145 mm；大齒輪的分度圓半徑r大=l mm，齒數(shù)z大=a；軸齒輪的分度圓半徑r軸=l′mm，齒數(shù)z軸=b。

圖8 鎖緊機(jī)構(gòu)中齒輪副的結(jié)構(gòu)示意Fig.8 Structure diagram of gear pair in locking mechanism

根據(jù)由齒條和小齒輪組成的嚙合齒輪副間受力相等可得，小齒輪所受的力F小齒=1 926 N。鑒于小齒輪和大齒輪位于同一根軸上，即小齒輪與大齒輪的力矩相等，則大齒輪嚙合處所受的力F大齒為：

同理，基于雙手操作手輪所需作用力F人=100 N，根據(jù)軸齒輪與手輪的力矩相等(F軸×r軸=F人× r手)可得，軸齒輪所受的力F軸為：

根據(jù)由軸齒輪與大齒輪組成的嚙合齒輪副間受力相等，可得：

因此，軸齒輪與大齒輪間的傳動比i為：

根據(jù)隔熱密封門的結(jié)構(gòu)和安裝情況，初步確定大齒輪的齒數(shù)z大=121，模數(shù)m大=2 mm。

當(dāng)壓緊桿壓緊時(shí)，齒條的進(jìn)給量為121 mm，根據(jù)傳動比i=6可知，開啟和關(guān)閉隔熱密封門時(shí)約需轉(zhuǎn)動手輪3圈。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，對由大齒輪與小齒輪組成的齒輪副進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。選取的各項(xiàng)參數(shù)如下：傳遞轉(zhuǎn)矩T=14.5 N·m，大齒輪轉(zhuǎn)速n1=10 r/min，小齒輪轉(zhuǎn)速n2=1.65 r/min，傳動比i=6.05，齒頂高系數(shù)h*a=1.00，頂隙系數(shù)c*=0.25，壓力角a*=20°；原動機(jī)載荷特性為輕微振動，工作機(jī)載荷特性為均勻平穩(wěn)。根據(jù)《直齒輪和斜齒輪承載能力計(jì)算》（GB/T 3480.5—2021）校核［16］，大齒輪和小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 門板組件隔熱計(jì)算分析

門板隔熱層分為圍護(hù)層和隔熱層，其中圍護(hù)層的材料為0Cr17Ni12Mo2，其厚度δ1=0.003 m，導(dǎo)熱系數(shù)λ1=48 W/(m·℃)；隔熱層的材料為硅酸鋁棉，其厚度δ2=0.110 m，導(dǎo)熱系數(shù) λ2=0.153 W/(m·℃ )［15］。

在實(shí)際計(jì)算中，一般取圍護(hù)層內(nèi)表面的換熱系數(shù)αi=8.7 W/(m2·℃ )，隔熱層外表面的換熱系數(shù)αe=23.3 W/(m2·℃)。門板隔熱層熱側(cè)溫度tn=280℃，預(yù)設(shè)門板隔熱層冷側(cè)溫度tw=25℃。門板隔熱層的傳熱系數(shù)K為：

其中：R0為門板隔熱層的總傳熱阻，m2·℃/W。

將上述各參數(shù)的值代入式（9），可得傳熱系數(shù)K=1.14 W/（m2·℃）。由此可得，門板隔熱層外表面的溫度TW為：

將各參數(shù)的值代入式（10），計(jì)算得到TW≈37.5℃。

門板隔熱層的散熱量q為：

而根據(jù)散熱量q計(jì)算門板隔熱層外表面溫度TW：

通過2種方法計(jì)算得到的門板隔熱層外表面的溫度相等，由此可認(rèn)為上述結(jié)果正確，即門板隔熱層外表面溫度約為37.5℃。

由于門板隔熱層中設(shè)有型鋼肋條以進(jìn)行加固，門板隔熱層可能通過肋條傳熱，從而導(dǎo)致肋條處溫度較高。為了進(jìn)一步驗(yàn)證門板隔熱層的隔熱性能，通過力學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)行進(jìn)一步分析。首先利用Catia三維軟件構(gòu)建門板隔熱層的三維模型，并將其導(dǎo)入ANSYS軟件中建立相應(yīng)的傳熱模型，如圖9所示；然后利用ANSYS軟件中的傳熱計(jì)算模塊對門板隔熱層的溫度分布情況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖10所示。

圖9 門板隔熱層傳熱模型Fig.9 Heat transfer model of door panel insulation layer

圖10 門板隔熱層溫度分布云圖Fig.10 Nephogram of temperature distribution of door panel insulation layer

由圖10可知，由于隔熱材料的作用，門板隔熱層外表面的最低溫度為38℃，與上述理論計(jì)算結(jié)果基本相同。但是由于圍護(hù)層中肋條的影響，門板隔熱層與肋條連接處的溫度約為100℃。為了消除門板隔熱層中肋條處溫度較高的影響，將門板隔熱層的圍護(hù)層溫度較低處設(shè)為凸臺形式，凸臺與門板進(jìn)行間斷焊接，以減少熱傳導(dǎo)。

2.3 密封條選型分析

鈉燃燒時(shí)，高溫液態(tài)鈉與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)并生成氧化鈉（Na2O）和過氧化鈉（Na2O2），其熱化學(xué)方程式如下［17］：

根據(jù)鈉燃燒試驗(yàn)廠房的極端工況，熱傳遞后隔熱密封門熱側(cè)的溫度為280℃，則可選氟橡膠和硅橡膠這2種高溫性能良好的材料作為密封條的材料。查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［15］可知，上述2種橡膠的綜合性能如表1所示。

表1 氟橡膠和硅橡膠的綜合性能Table 1 Comprehensive performance of fluororubber and silicone rubber

鈉燃燒生成的氧化物遇水或遇濕反應(yīng)生成具有強(qiáng)堿性的氫氧化鈉［18］，后期清理時(shí)會對廠房內(nèi)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)堿腐蝕。對比氟橡膠和硅橡膠的綜合性能，密封條材料選擇耐堿性和耐高溫性能更優(yōu)的氟橡膠。

2.4 關(guān)鍵部件強(qiáng)度分析

1）門板。

在鈉燃燒試驗(yàn)廠房的極限工況下，隔熱密封門在承受280℃高溫的同時(shí)還要承受0.3 MPa的高壓。鑒于隔熱密封門的主要承壓部件為門板，現(xiàn)利用ANSYS軟件對門板進(jìn)行有限元仿真分析。

利用Catia三維軟件構(gòu)建門板三維模型，門板的長度為2 038 mm，寬度為1 020 mm，厚度為20 mm。在門板背面焊接由角鋼組成的型鋼框架，并再焊接1塊10 mm厚的鋼板以組成門板組件；門板空腔內(nèi)填滿硅酸鋁纖維。門板采用0Cr17Ni12Mo2不銹鋼制作，該材料在300℃環(huán)境中的最大許用應(yīng)力為118 MPa，彈性模量為1.77×1011MPa，泊松比為0.3。在有限元模擬時(shí)，沿門板正向施加0.3 MPa載荷，門板正面密封條安裝位置處添加與受力方向一致的位置約束和位移約束，門板的環(huán)境溫度設(shè)為280℃。通過仿真計(jì)算得到門板的總變形云圖和等效應(yīng)力云圖，分別如圖11和圖12所示。

圖11 門板總變形云圖Fig.11 Nephogram of total deformation of door panel

由圖11可以看出，門板中心位置處的變形最大，變形量為0.07 mm，說明門板產(chǎn)生的變形很小，幾乎不會對安裝在門板上的鎖緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響。由圖12可以看出，門板所受的最大等效應(yīng)力約為19.5 MPa，位于門板上墊板螺紋孔處；門板中心處的最大等效應(yīng)力約為12.0 MPa。門板所受的等效應(yīng)力小于材料的最大許用應(yīng)力，說明其強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足要求。

圖12 門板等效應(yīng)力云圖Fig.12 Nephogram of equivalent stress of door panel

2）壓緊桿。

壓緊桿壓緊時(shí)的狀態(tài)如圖13所示，壓緊桿通過擠壓壓緊座，進(jìn)而壓縮密封條。壓緊桿一端承受壓緊座的反作用力，另一端承受導(dǎo)向支座的支撐力。壓緊桿采用0Cr17Ni12Mo2不銹鋼制作。

圖13 壓緊桿壓緊狀態(tài)示意Fig.13 Schematic diagram of pressing state of compression rod

由上文分析可知，單個(gè)鎖緊點(diǎn)所受的壓緊力由壓緊桿產(chǎn)生。在對壓緊桿進(jìn)行有限元模擬時(shí)，保留其軸向自由度，限制其余2個(gè)方向的自由度；設(shè)壓緊桿的環(huán)境溫度為280℃。通過仿真分析得到壓緊桿的總變形云圖和等效應(yīng)力云圖，分別如圖14和圖15所示。

圖14 壓緊桿總變形云圖Fig.14 Nephogram of total deformation of compression rod

由圖14可以看出，壓緊桿變形最大處位于其端部，變形量約為0.02 mm，說明壓緊桿的變形非常小，不會影響密封條的壓縮。由圖15可以看出，壓緊桿的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在壓緊桿與導(dǎo)向支座接觸面的斷口處，為32.2 MPa。壓緊桿所受的最大等效應(yīng)力小于材料的最大許用應(yīng)力，說明其強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足要求。

圖15 壓緊桿等效應(yīng)力云圖Fig.15 Nephogram of equivalent stress of compression rod

3 樣機(jī)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證新型隔熱密封門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，制作了隔熱密封門樣機(jī)，如圖16所示。設(shè)試驗(yàn)環(huán)境為常壓，溫度為32℃。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱到280℃時(shí)，門板組件冷側(cè)溫度為40℃；當(dāng)室內(nèi)外壓差為5 kPa時(shí)，隔熱密封門密封條空腔內(nèi)空氣的泄漏率為0.001 m3/h；當(dāng)室內(nèi)外壓差為8 kPa時(shí)，隔熱密封門密封條空腔內(nèi)空氣的泄漏率為0.002 m3/h，滿足鈉燃燒試驗(yàn)廠房的泄漏率要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的隔熱密封門結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)行可靠。

圖16 隔熱密封門樣機(jī)Fig.16 Heat insulation sealing door prototype

4 結(jié)論

本文基于鈉燃燒試驗(yàn)廠房的實(shí)際工況，研發(fā)了一種新型隔熱密封門，并將其作為高溫承壓廠房邊界的一部分。所設(shè)計(jì)的隔熱密封門既能夠滿足試驗(yàn)裝置安裝、檢修和運(yùn)行過程中相關(guān)設(shè)備及工作人員的進(jìn)出需求，又能承受設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的載荷，保證了廠房的隔熱性、安全性和承壓密封性。經(jīng)實(shí)踐證明，該隔熱密封門已成功應(yīng)用于鈉燃燒試驗(yàn)廠房，可為今后相似設(shè)備的研發(fā)提供指導(dǎo)意義。