承壓氣密門設(shè)計及強度分析

李 鑫，趙 磊，費石繁，牛 錚

（1. 無錫海核裝備科技有限公司，江蘇無錫 214101；2. 合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

承壓氣密門在核反應(yīng)堆、艦船燃料艙、耐壓氣密設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。船用反應(yīng)堆可通過承壓氣密門連接反應(yīng)堆安全殼的邊界，在保證反應(yīng)堆安全工作的前提下，保障人員和物資順利進出安全殼。

承壓氣密門通過內(nèi)、外2 道門及連接兩門的通道實現(xiàn)人員和設(shè)備的進出，兩門之間存在聯(lián)鎖關(guān)系。作為承壓結(jié)構(gòu)的一部分，承壓氣密門不僅要達到強度指標(biāo)，還要滿足承壓性、氣密性和耐溫性的要求。為控制結(jié)構(gòu)變形、保證承壓氣密門的強度和密封性，需要對承壓氣密門進行有限元分析[2-3]。本文基于ANSYS 軟件對承壓氣密門進行有限元分析，并對其結(jié)構(gòu)強度及完整性進行校核。

1 主要參數(shù)

承壓氣密門結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。承壓氣密門為橫臥圓筒狀，筒體通過焊接與艙壁相連接。承壓氣密門采用雙層耐壓結(jié)構(gòu)，當(dāng)一扇承壓氣密門開啟時，另外應(yīng)保持關(guān)閉狀態(tài)，每道承壓氣密門均應(yīng)能夠獨立保證完整性和密封性。2 扇承壓氣密門均開向朝內(nèi)，筒體外徑和長度均為3 000 mm，氣密門通孔的高度和寬度分別為2 000 mm 和1 400 mm。外側(cè)氣密門和內(nèi)側(cè)氣密門需要進行單獨制造，再進行整體組裝。承壓氣密門的主要參數(shù)見表1。

表1 承壓氣密門主要參數(shù)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 保證承壓氣密門完整性的措施

為保證承壓氣密門的完整性，需要采用以下具體措施：

1）使用Q345R 作為主要材料。

2）采用圓形筒體，既能有效避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，還能減小筒體內(nèi)部壓強，減輕筒體質(zhì)量。

2.2 保證承壓氣密門密封性的措施

承壓氣密門的氣體泄漏率要低于設(shè)計要求，有效控制內(nèi)部氣溶膠和氣體的外泄，具體措施如下：

1）密封材料選用硅橡膠或三元乙丙橡膠[4-5]。

2）通過多組試驗確定橡膠條的結(jié)構(gòu)形式、硬度及彈性。

3）考慮加工、制造、裝配精度，以及密封面的平面度和粗糙度對密封性能的影響。

4）承壓氣密門采用雙道密封橡膠條結(jié)構(gòu)，在雙道密封條的空腔部分設(shè)置測壓口，可隨時檢測密封條的氣密性能。

3 有限元分析

3.1 模型建立

承壓氣密門為橫臥圓筒狀，具有對稱性，故對一半結(jié)構(gòu)建模即可。承壓氣密門主要包括3 部分：1）門框結(jié)構(gòu)，主要包括筒體門框和加強筋組件；2）門板結(jié)構(gòu)，主要包括密封門板、門板加強筋、門板圍欄等；3）密封結(jié)構(gòu)，主要包括內(nèi)外兩道密封圈。各結(jié)構(gòu)均按照設(shè)計要求預(yù)留腐蝕裕量。在有限元分析中，結(jié)構(gòu)采用實體單元，門框與密封圈、門板與密封圈之間的接觸類型為非線性接觸。

承壓氣密門的相對剛度要高于主結(jié)構(gòu)連接板，考慮到剛度平衡，需要在主結(jié)構(gòu)連接板的相應(yīng)位置設(shè)置附加加強筋以增強連接板的剛度、降低局部應(yīng)力水平。

有限元模型及網(wǎng)格劃分情況分別見圖2和圖3。

圖2 承壓氣密門有限元模型

圖3 承壓氣密門結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分情況

3.2 計算結(jié)果

設(shè)計工況下承壓氣密門應(yīng)力云圖見圖4。最大應(yīng)力為335.9 MPa，出現(xiàn)在加強筋5、加強筋6 與連接板焊縫處的內(nèi)表面。承壓氣密門和連接板主要出現(xiàn)4 個高應(yīng)力區(qū)域，具體位置如下：1）加強筋5、加強筋6 與連接板焊縫處的內(nèi)表面；2）連接板上端與主結(jié)構(gòu)加強筋的連接處；3）加強筋5、加強筋6與連接板的焊縫處；4）氣密筒體與連接板的焊縫處。

圖4 設(shè)計工況下承壓氣密門應(yīng)力云圖

續(xù)圖4 設(shè)計工況下承壓氣密門應(yīng)力云圖

如圖5 和圖6 所示，與連接板相比，承壓氣密門門板結(jié)構(gòu)與門框結(jié)構(gòu)的受力情況要好很多。門板結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為187.97 MPa，出現(xiàn)在門板加強筋的表面；門框結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為174.56 MPa，出現(xiàn)在門框加強筋與筒體連接處。

圖5 設(shè)計工況下承壓氣密門板結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖6 設(shè)計工況下承壓氣密門框結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

設(shè)計工況下承壓氣密門密封結(jié)構(gòu)應(yīng)變云圖見圖7，密封圈的密封功能良好。

圖7 設(shè)計工況下承壓氣密門密封結(jié)構(gòu)應(yīng)變云圖

4 結(jié)論

強度和密封性對承壓氣密門非常重要，本文利用ANSYS 軟件對承壓氣密門進行有限元分析，結(jié)果表明：承壓氣密門強度符合要求，密封性能良好。希望本研究可為承壓氣密門的設(shè)計和校核提供一定參考。