磁力傳動閘閥設(shè)計與分析

劉春玲

(上海閥門廠有限公司，上海 201814)

磁力傳動閘閥設(shè)計與分析

劉春玲

(上海閥門廠有限公司，上海 201814)

磁力傳動閘閥是一種新型的閥門產(chǎn)品，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。針對核電站一回路及其輔助系統(tǒng)所用磁力傳動閘閥進行分析研究，解析磁力傳動閘閥的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，并說明了磁力傳動裝置輸出力矩的計算過程，對核電站一回路及其輔助系統(tǒng)所用高溫高壓磁力傳動閘閥的開發(fā)具有一定借鑒意義。

磁力傳動閘閥；結(jié)構(gòu)；原理；設(shè)計；輸出力矩

0 引言

目前，在管線上使用的閘閥、截止閥、球閥、蝶閥等一系列閥門，一般采用手動、電動或氣動等驅(qū)動方式，直接在閥門承壓邊界的外部轉(zhuǎn)動閥桿來實現(xiàn)閥門的啟閉，這就決定了閥桿密封系統(tǒng)只能采用填料或機械夾緊的密封形式。這種閥桿密封形式，在系統(tǒng)介質(zhì)壓力波動幅度較大、溫度變化較大的情況下，由于閥桿與填料處存在相對運動，長期使用不可避免地會出現(xiàn)跑、冒、漏、滴等現(xiàn)象。系統(tǒng)運行時伴有的振動、沖擊等影響因素，會使閥桿密封處的泄漏更嚴重。這不僅造成了系統(tǒng)的壓力損失、流體的浪費，一些腐蝕性、放射性以及危害性較大的流體，還可能對電氣、設(shè)備、環(huán)境等帶來較為嚴重的影響，甚至可能引發(fā)人身安全事故。多年來，為解決閥桿密封的外泄漏問題，從事閥門設(shè)計制造工作的工程技術(shù)人員開展了多方面的研究工作，采用封閉型諧波齒輪傳動、屏蔽電機傳動、隔膜傳動、曲軸波紋管傳動屏蔽等多種技術(shù)手段，對閥門的傳動裝置進行技術(shù)改造，都未能取得理想的綜合效果。

近年來，在磁力泵基礎(chǔ)上發(fā)展起來一種新型非接觸式閥門磁力傳動裝置，它運用磁力的推拉原理實現(xiàn)非接觸傳遞力。閥門的閥桿無需伸出承壓腔外部，將閥桿與填料之間的動密封轉(zhuǎn)動變成閥體與閥蓋之間的靜密封，實現(xiàn)閥門整體無外漏，同時使閥門具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、維修方便等特點。國外一些公司(如美國DRESSER公司、德國KCACS公司)已經(jīng)成功將磁力閥門應(yīng)用于石化等領(lǐng)域，在技術(shù)性能上已向微型化、大型化發(fā)展，不斷采用新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝，提高了傳動效率和傳動力矩。目前國內(nèi)也出現(xiàn)了自行研制生產(chǎn)的磁力傳動閥門，但基本都是小口徑閥門，主要用于一般工況條件下的管路輸送，只解決了一般條件下的密封問題，適用于高溫高壓及核安全級環(huán)境條件、滿足核技術(shù)應(yīng)用標準規(guī)范和電磁兼容性要求的相應(yīng)產(chǎn)品，還處于開發(fā)研制階段。

本文以核電站一回路及其輔助系統(tǒng)的工況條件作為磁力傳動閘閥的設(shè)計輸入，將已通過實例驗證的磁力傳動閘閥設(shè)計制造關(guān)鍵技術(shù)介紹給閥門設(shè)計的同行。

1 原理及結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

核級電動裝置布置在整臺閥的上部，作為驅(qū)動閥門啟閉的動力源。下部是按照核電站一回路工況參數(shù)設(shè)計的安全1級閘閥。與常規(guī)的閘閥不同，閥桿部位不設(shè)計填料密封，閥桿、閥桿螺母、閘板、軸承、內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子等控制閥門啟閉的部件，全部密閉于閥門的承壓腔中。整臺閥門唯一可能有外漏的部位在隔離套與閥體的中法蘭連接處，而該連接處采用纏繞式墊片作密封件，可實現(xiàn)密封完全零泄漏。隔離套與閥體組合構(gòu)成閥門的承壓邊界。外永磁轉(zhuǎn)子安裝在隔離套的外部，與電動裝置的輸出軸相連接；內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子安裝在隔離套的內(nèi)部，并通過方槽與閥桿螺母連接。當(dāng)閥門電動裝置接收到關(guān)閉或開啟信號后，電動裝置運轉(zhuǎn)，帶動輸出軸上的外永磁轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。磁力的作用使內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子隨外永磁轉(zhuǎn)子作同步旋轉(zhuǎn)運動，并帶動閥桿螺母一起旋轉(zhuǎn)，從而帶動閥桿和閘板作升降運動，實現(xiàn)閥門的啟閉功能。

閥位顯示器安裝在閥體上，用于指示全封閉磁力傳動閘閥的開啟和關(guān)閉狀態(tài)。通過磁性指示桿與閘板的運動相關(guān)聯(lián)，將閥門開啟和關(guān)閉位置的信息轉(zhuǎn)換為電信號輸出，在控制中心顯示和控制閥門的啟閉位置。

1.2 主要結(jié)構(gòu)組成

磁力傳動閘閥主要由閘閥、磁力傳動裝置、電動裝置、閥位顯示器4部分組成。閘閥主要由閥體、閘板、閥桿、閥桿螺母、承壓隔離套等組成，磁力傳動裝置主要由內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子和外永磁轉(zhuǎn)子等組成，閥位顯示器主要由屏蔽套、磁性指示桿、彈簧、磁電轉(zhuǎn)換開關(guān)、密封插頭座、外罩等零部件組成。

1.2.1 閘閥

閘閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 閘閥結(jié)構(gòu)圖

1.2.1.1 閘閥設(shè)計與選材

閘閥按照ASME BPV Ⅲ進行設(shè)計與制造。為了在最小外形尺寸下得到較大內(nèi)、外永磁轉(zhuǎn)子相互間的磁作用力，應(yīng)在滿足承壓要求的前提下最小化設(shè)計承壓隔離套的壁厚。在既要保證閘板的安裝尺寸又要最小化設(shè)計承壓隔離套壁厚的情況下，采取了閘板下裝式結(jié)構(gòu)的閥體設(shè)計。閥體上部的開孔僅需滿足閥桿通過和軸承安裝要求即可，最大限度地減小了承壓隔離套內(nèi)外徑和壁厚尺寸。

閥體等主體材質(zhì)選用核1級SA182 F321鍛件，具有較高許用應(yīng)力強度、耐腐蝕性能，還具有絕磁性，在使用中不會受到磁力轉(zhuǎn)子的磁干擾；密封面按ASME規(guī)范控制含鈷成分材料的使用，防止鈷顆粒與放射性物質(zhì)接觸產(chǎn)生污染，因此，閥門密封面選取EDCrNi-B鐵基合金，不含鈷成分，又具有較高的耐磨性。

閥桿及閥桿螺母選用了高許用應(yīng)力強度的17-4PH和14Cr17Ni2，并經(jīng)熱處理提高了材料的表面硬度，具有良好的力學(xué)性能、耐腐蝕性以及較低的摩擦系數(shù)。縮小了閥桿直徑和螺距尺寸，減小了閥門的操作扭矩，從而使磁力傳動裝置和電動裝置的結(jié)構(gòu)尺寸得到了進一步優(yōu)化。

由于軸承密閉于閥門內(nèi)部，直接與介質(zhì)接觸，其防腐蝕性能及耐磨性能將直接影響閥門的使用壽命及運行穩(wěn)定性。銅材不適用于核電站一回路及其輔助系統(tǒng)的工況，設(shè)計選用了不銹鋼軸承，滿足了軸承的防腐蝕及耐磨性能要求。

1.2.1.2 承壓隔離套設(shè)計與制造

承壓隔離套與閥體組合構(gòu)成整臺閥門的壓力邊界，是磁力傳動閘閥設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。承壓隔離套安裝在內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子之間，磁場須穿過隔離套才能起傳遞磁力的作用，因此對于隔離套的材料首先要求非磁性。隔離套起承受內(nèi)部壓力的作用，一旦破裂會造成災(zāi)難性的危害，因此選擇強度高的材料。由于磁力轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)時，金屬隔離套會切割磁力線而產(chǎn)生渦流，材料電阻越小，渦流就越大，渦流會轉(zhuǎn)變成熱量，需依靠自身部分介質(zhì)帶走，因此隔離套不能太厚，才能保證較高的傳動效率。另外，承壓隔離套必須能耐介質(zhì)的腐蝕及符合設(shè)計溫度、壓力要求，并具有良好的抗震、抗沖擊性能。經(jīng)綜合考慮，設(shè)計選擇了強度高、耐介質(zhì)腐蝕性好、電阻率高、并具有較好的沖擊韌性的HC276作為隔離套的材料。

1.2.2 磁力傳動裝置

磁力傳動裝置由內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子、外永磁轉(zhuǎn)子組成，如圖2所示。

圖2 磁力傳動裝置結(jié)構(gòu)圖

磁力傳動裝置輸出力必須滿足啟閉閥門所需要的最大力矩。在一回路及輔助系統(tǒng)高溫高壓工況和輻照環(huán)境下，設(shè)計結(jié)構(gòu)需考慮高溫適宜性和輻照影響。普通的磁力傳動裝置上磁鋼采用的是膠粘固定方式，考慮到高溫和輻照情況對粘膠的影響，為防止磁鋼在磁座上軸向打滑，設(shè)計增加了防轉(zhuǎn)片。徑向上由于磁力傳動裝置轉(zhuǎn)速很低，故不需要考慮磁鋼與磁座之間的徑向固定，依靠磁本身的吸力就可以了。從運行的可靠性上，再補加無機耐高溫膠填充制造誤差形成的縫隙。在磁鋼組裝完成后，用薄壁不銹鋼包封套套上，再在兩端進行焊接密封，保護內(nèi)部零件不受介質(zhì)腐蝕。由于薄壁不銹鋼套承受的是外壓，因此外部的壓力要通過磁鋼作用在磁座上，也就是磁鋼之間不能有縫隙。設(shè)計時磁鋼之間采用緊密排列，而外永磁轉(zhuǎn)子由于處于空氣中，且溫度較低，因此采用無機耐高溫膠與機械固定防轉(zhuǎn)相結(jié)合的辦法，在端部用擋環(huán)輔助固定。

1.2.2.2 材料選擇

磁力傳動裝置是通過磁場作用來非接觸傳遞動力的類似于聯(lián)軸器的器件，因此材料的選用要考慮磁場設(shè)計的需要。由于在高溫下工作，因此選擇的材料要具有耐高溫特性。而磁力傳動裝置所在環(huán)境也使得其要具有一定的耐腐蝕性，材料要耐輻照，特別是內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子。

磁力傳動裝置由磁閥座、磁鋼座、磁鋼、包封套以及外磁鋼擋環(huán)等組成。其中內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子浸沒于介質(zhì)中，需要采用耐腐蝕的不銹鋼材料，該設(shè)計選用0Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼。作為磁力傳動裝置的功能材料，選用的磁鋼既要有較高的磁性能，又要有較低的溫升退磁率和較高的允許工作溫度，按照設(shè)計溫度要求選擇了S28H釤鈷磁鋼。

1.2.2.3 關(guān)鍵技術(shù)

(1) 電磁兼容性。磁力傳動裝置應(yīng)防止磁場對周圍環(huán)境及其他電氣設(shè)備產(chǎn)生影響。設(shè)計時，磁力傳動裝置中的磁路結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮內(nèi)部磁路的閉合，因此在通常情況下從磁力傳動裝置中漏出的磁場也極少。少量漏磁主要在外永磁轉(zhuǎn)子的端面，但漏磁磁場強度很低，且離開磁力轉(zhuǎn)子越遠強度下降越快，到外面連接架筒體外表面時幾乎沒有。當(dāng)然，為避免漏磁帶來不必要的麻煩，從設(shè)計上采取了2種解決途徑：一是將外永磁轉(zhuǎn)子端部的導(dǎo)磁基體延長，使端面部分漏磁在導(dǎo)磁體上自行閉合；二是外永磁轉(zhuǎn)子外面的連接架采用導(dǎo)磁材料，使漏磁在連接架上閉合不外泄。通過以上措施解決了磁場外泄問題。

(2) 磁性材料的保護與輻射影響評估。由于磁力轉(zhuǎn)子內(nèi)的磁性材料采用釤鈷合金Sm2Co17，必須與反應(yīng)堆冷卻劑可靠隔離，因此利用一層薄的包封套通過焊接方法將磁性材料與介質(zhì)隔離。由于一般焊接產(chǎn)生的溫度會很高，如傳導(dǎo)到磁鐵的溫度超過磁鐵許用溫度將會引起磁鋼退磁，因此必須采用快速低電流的自熔焊。為保證良好的焊合性及焊接后的一體化，包封套材料選擇與內(nèi)磁座相同的非磁性材料。為保證絕對可靠的焊縫熔合，一般的手工氬弧焊已不能滿足需要，要采用自動氬弧焊或激光焊機進行焊接，依靠設(shè)備來保證焊接質(zhì)量。期間需調(diào)整適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)進行試驗，最終使焊縫達到熔合可靠、外形美觀的要求。由于用一般的方法無法驗證是否有滲漏，因此需在內(nèi)磁座端部打一個小孔，使其與裝磁鋼處相通，用氦氣檢漏的方法來驗證磁鋼的包封是否可靠。如確實無泄漏，則在檢漏后將小孔用氬弧焊焊住，這樣就確保了磁性材料包封的安全可靠。

“正常人”最可貴的品質(zhì)在“自知之明”。他對自己的才能才華，興趣特長，有著清醒的認識。他深知自己內(nèi)心之所思所想，他遵循自我意愿而絕不輕易從眾隨俗。他認為：生命是自己的，做自己喜歡且能做的事，乃生命價值之真正所在！

由于內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子在核輻射環(huán)境下運行，磁性材料必須能經(jīng)受核輻照而不發(fā)生不可接受的性能改變，為此需用試驗來驗證。一方面用磁力閥樣機到現(xiàn)有核三級條件的非重要工位但有較大放射性的場合進行應(yīng)用運行試驗；另一方面將磁鋼樣品經(jīng)性能測試后，放在核輻射的環(huán)境中，累計吸收預(yù)定的放射劑量后，取出重新測試其磁性能及相關(guān)其他性能。通過輻照前后的性能對比可以判斷出核輻照是否對磁鋼性能產(chǎn)生影響及影響程度，并據(jù)此作為決定磁性材料適用性及設(shè)計磁力傳動裝置的依據(jù)。

1.2.3 電動裝置

該電動閘閥需要在上方配置一個多回轉(zhuǎn)閥門電動裝置。且由于所處的環(huán)境條件，必須符合核級閥門的要求。另外，在該電動裝置內(nèi)，還需設(shè)計有位置指示、行程控制和轉(zhuǎn)矩控制裝置，以保證閥門啟閉的可靠性。由于尺寸的限制，電動裝置的設(shè)計必須實現(xiàn)小型化；特殊的應(yīng)用環(huán)境還使得內(nèi)部機件必須能承受沖擊。

1.2.4 閥位顯示器

閘閥的閥體上安裝有2個閥位指示器，分別用于顯示閥門的全開啟位置和全關(guān)閉位置(圖3)。開閥時，閘板向上升高至設(shè)定位時，設(shè)置在閘板上的凸輪機構(gòu)觸動開閥位顯示器的磁性指示桿，并逐漸壓縮磁性指示桿復(fù)位彈簧，推動磁性指示桿外伸。當(dāng)磁性指示桿向外運動約5～6.3 mm時磁電轉(zhuǎn)換開關(guān)接通，電路導(dǎo)通，信號傳輸至控制箱，開閥位指示燈亮起。同時，切斷電動裝置的控制電源，電裝停止轉(zhuǎn)動。關(guān)閥時，閘板離開上限位，磁性指示桿在復(fù)位彈簧的作用下離開磁電轉(zhuǎn)換開關(guān)，從而使磁電轉(zhuǎn)換開關(guān)觸點脫開，斷開電路，開閥位指示燈熄滅。當(dāng)閥關(guān)至設(shè)定位置時，關(guān)閥位設(shè)計有關(guān)閥位顯示器，當(dāng)閘板下降至完全關(guān)閉閥門位置時，關(guān)閥位顯示器的磁性指示桿在閘板上的凸輪機構(gòu)作用下，使關(guān)閥位磁電轉(zhuǎn)換開關(guān)接通，電路導(dǎo)通，信號傳輸至控制箱，關(guān)閥位指示燈亮起。同時，切斷電動裝置的控制電源，電裝停止轉(zhuǎn)動。

圖3 閥位顯示

2 磁力傳動裝置輸出力矩計算

2.1 基本參數(shù)的選定

由于磁力傳動裝置磁路尺寸與磁隙有關(guān)，而磁隙又與中間隔離套的壁厚有關(guān)，因此，首先需確定隔離套的直徑大小，并選擇高強度耐腐蝕的隔離套材料，以減少壁厚需求。隔離套直徑可按所需傳動的扭矩大小初步確定，并考慮結(jié)構(gòu)長度和對隔離套壁厚的影響。

根據(jù)該設(shè)計，磁力傳動裝置的計算直徑為97.5 mm，隔離套的壁厚為4 mm。根據(jù)磁力閥門的結(jié)構(gòu)和性能特點，確定磁力傳動裝置與隔離套的間隙及保護套的壁厚。由于磁力閥門中的磁力傳動裝置是低速運轉(zhuǎn)，因此，旋轉(zhuǎn)引起的離心力及變形極小，可忽略不計，內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子與隔離套之間又沒有流動的介質(zhì)所導(dǎo)致的可能的固體顆粒，因此可取較小的磁隙。設(shè)計取1 mm的內(nèi)間隙與外間隙。內(nèi)磁包封套厚度取1 mm；外磁包封套處于空氣中，取0.5 mm壁厚。這樣，該設(shè)計磁力傳動裝置磁隙累計為7.5 mm。按經(jīng)驗，磁鋼徑向厚度為7.5～8 mm。

2.2 最大靜磁力矩計算

該閥門磁力傳動的磁路采用“拉推磁路”理論設(shè)計，根據(jù)磁力傳動力矩計算公式：

式中，K為系數(shù)，本設(shè)計中取1.6；(BH)max為最大磁能積，本設(shè)計選用28MG0e的釤鈷磁鋼；E為內(nèi)、外磁鋼間隙；b為磁鋼寬度；R為內(nèi)、外磁鋼間隙計算半徑；L為磁鋼總長度，估算為97 mm；h為磁鋼厚度，取7.5 mm。

該設(shè)計堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩≥90 N·m，因此，最大設(shè)計磁力傳動力矩Tmax=90 N·m。

計算得：

=1 490.5 kg·cm=146 N·m

以上計算為常溫下的磁力傳動力矩，考慮到高溫工況下會產(chǎn)生一定比例的退磁，要核算高溫下的磁力矩是否滿足要求。

根據(jù)溫升退磁率，每溫升100 ℃，約退磁4%，因此按溫升330 ℃計算，約退磁13.2%，也就是此時的磁鋼磁能積約為常溫時的0.8682=75%。因此修正到高溫工況，MGmax=146×0.75=109.5 N·m>90 N·m。結(jié)果滿足設(shè)計堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的需求。

以上為理論計算，實際由于磁力閥門結(jié)構(gòu)上傳熱和散熱的影響，磁力傳動裝置上的溫度會明顯低于設(shè)計溫度，因此實際磁力扭矩余量會大得多。

3 結(jié)語

該磁力傳動閘閥通過了冷態(tài)和熱態(tài)模擬工況運行條件下的性能試驗、抗震抗沖擊試驗、電磁兼容性試驗等試驗驗證。結(jié)論認為：研究開發(fā)的磁力傳動閘閥使核動力裝置磁力傳動閥在核反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)條件下能夠安全可靠地運行，無故障工作時間可達到10 000 h以上。在國內(nèi)開創(chuàng)了磁力傳動閥取代普通機械密封閥并應(yīng)用于核反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)的先例，其研究開發(fā)成果處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。將成果應(yīng)用于核反應(yīng)堆一回路及其輔助系統(tǒng)，將大大提高核反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)的可靠性，并使維修性及保障性得到顯著提高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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2014-06-03

劉春玲(1982—)，女，河南人，助理工程師，研究方向：閥門設(shè)計開發(fā)。