核行業雙蓋密封轉運裝置的設計與有限元分析

樊開霄

（中核四〇四有限公司第二項目部，甘肅嘉峪關 735100）

0 引言

物料轉移是核化工后處理技術的關鍵過程，貫穿于整個后處理工藝。雙蓋轉運系統在核工業領域中應用廣泛，主要用于密封箱室間放射性、有毒物料的轉運及放射性與非放射性環境之間的轉移，是國外應用較為成熟的物料轉移解決方案。目前國內應用幾乎完全依靠進口，但進口件價格高、采購周期長，且供應渠道不暢，甚至部分供應商只提供模塊化的部件，不零售密封圈等零配件，嚴重影響了設備的整體交付、使用和維護檢修等。隨著國際貿易環境的惡化，外購風險性越來越高，雙蓋密封轉運裝置（以下簡稱裝置）的安全密封轉運研究及零部件全面實現國產化具有重大意義。

1 結構組成

裝置主要由轉運接口、密封轉運桶組成（圖1）：轉運接口由密封蓋、連接法蘭和鎖緊圈3 部分組成，密封轉運桶主要由桶體、桶法蘭和桶蓋組成。轉運接口上的密封蓋與密封轉運桶的桶蓋構成“雙蓋”結構，在保證各自封閉空間密封性的同時，保證二者外露表面不被放射性氣氛沾污的情況下，將熱室中的物料轉運到密封轉運桶中。轉運接口平時處于關閉狀態，可以保證箱室設備氣氛密封，需要進行物料轉運操作時，密封轉運桶與轉運接口對接嚙合到位后，由連接法蘭和鎖緊圈配合，完成密封蓋及桶蓋的開合。

圖1 雙蓋密封轉運裝置

2 功能設計

裝置既要實現轉運功能，又要滿足安全密封的要求，如何實現物料的“無泄漏”安全轉運是涉核材料處理的核心技術之一。

2.1 安全功能

充分考慮箱室設備內部為有放射性污染的紅區，針對裝置的安全功能設計了3 組機械鎖緊裝置，實現裝置的安全互鎖：①保證密封轉運桶沒有安裝到位的情況下，密封蓋不能被打開；②桶上沒有桶蓋的狀態下，密封轉運桶不能脫開；③雙蓋在開啟狀態下，密封轉運桶不能脫開。

（1）機械鎖1：密封蓋上設計安裝門鎖組件，門鎖組件上設計限位塊，鎖緊狀態時，門鎖組件限位塊位于鎖緊圈的卡槽中，鎖緊圈鎖緊，此時雙蓋不能開啟。在密封轉運桶與轉運接口對接時，只有密封蓋與桶蓋嚙合到位，門鎖組件才能彈起，從而解鎖鎖緊圈。反之，如果密封蓋未與桶蓋嚙合到位，門鎖組件不能彈起，鎖緊圈鎖緊，雙蓋不能開啟。

（2）機械鎖2：連接法蘭上設計安裝鎖緊組件，在密封蓋與桶蓋嚙合到位狀態下，鎖緊圈解鎖并轉動到位，鎖緊組件的彈簧被壓縮，當鎖緊圈轉動至極限位置，鎖緊組件的反饋軸伸出連接法蘭的通孔并露出端部，卡住桶法蘭的支耳，鎖緊組件將轉運接口和密封轉運桶完全鎖緊，此時密封轉運桶不能與轉運接口脫開，雙蓋可以開啟。反之，如果鎖緊圈未轉動到位，密封轉運桶未與轉運接口完全鎖緊，雙蓋不能開啟。

（3）機械鎖3：連接法蘭上設計安裝防轉組件，在雙蓋開啟狀態下，防轉擋塊彈出卡住鎖緊圈，防止鎖緊圈轉動，此時密封轉運桶與轉運接口依然處于鎖緊狀態，密封轉運桶不能與轉運接口脫開。防轉組件將鎖緊圈鎖緊，保證雙蓋關閉過程中密封蓋限位銷正常落入到鎖緊圈的斜槽中。

（4）解鎖：物料轉移到密封轉運桶中后，雙蓋關閉，防轉組件解鎖鎖緊圈，然后鎖緊圈轉動，鎖緊組件的彈簧回到自然狀態，鎖緊組件的反饋軸縮回，桶法蘭與連接法蘭脫開，密封轉運桶解鎖，轉動密封轉運桶，使得密封轉運桶的桶蓋與桶法蘭嚙合到位，密封轉運桶與轉運接口解除嚙合，門鎖組件鎖緊鎖緊圈，此時可以卸下密封轉運桶。

在轉運的過程中桶蓋上表面，與密封蓋下表面沒有直接接觸污染源，污染氣氛始終只是在轉運桶與放射性箱室之間傳播。

2.2 密封功能

裝置在轉運前、后和轉運過程中，放射性材料都處于密閉的空間內，實現“無泄漏”“無污染”安全轉移，故須保證各個階段均具有良好的密封：①在桶法蘭上設計安裝傘形結構密封圈，并在桶法蘭與桶之間設計安裝O 形密封圈，保證了密封轉運桶的密封性，即保證桶內放射性污染不泄漏到無放射性污染的環境中；②在密封蓋上設計安裝傘形結構密封圈，并在連接法蘭與熱室墻體間設計安裝O 形密封圈，保證了轉運接口的密封性，即保證熱室內的放射性污染不會泄漏到無放射性污染的環境中；③轉運接口與密封轉運桶的嚙合對接時，通過對角傘形結構密封圈設計，保證了轉運過程中容器、桶蓋、連接法蘭、密封蓋四者之間的相互密封；④密封圈的彎曲為局部的拉伸和壓縮，傳統的壓縮永久變形需很大的預緊力才能提供足夠的形變，不適合裝置的工況條件，因此設計成傘形結構。

3 抗震密封性能計算

轉運接口材料選用不銹鋼，本身強度、剛度較大，地震作用下密封蓋與連接法蘭間可保證相對位置不發生變化，密封蓋本身的密封性基本不受地震作用影響。地震作用下，密封的薄弱環節為連接法蘭與箱室殼體密封圈的連接結構，需對此部分進行必要的抗震分析計算。

鎖緊螺釘預緊應力是保證O 形圈操作時密封性能的重要前提，預緊力通過連接法蘭密封面把O 形圈壓緊，O 形圈表面壓應力必須達到一定的數值才能使O 形圈變形而壓實，壓緊面上由于機械加工形成的微隙被填滿，形成初始密封條件。密封結構形成初始密封條件后，在工作狀態時，介質壓力降低了壓緊面與O 形圈之間的壓緊應力，被壓縮的O 形圈回彈對分離進行補償。如果O 形圈的回彈能力能補償變形，使密封面壓力降到不小于操作壓力的m 倍（m 為墊片系數），則法蘭壓緊面之間能夠保持較好的密封狀態，否則會發生泄漏。

O 形圈材料采用丁腈橡膠，其彈性模量約7.8 MPa，泊松比為0.47，參考GB/T 150—2011《壓力容器》標準，其墊片系數約為2.0。

用ANSYS Workbench 軟件建模計算時，只考慮法蘭與箱室殼體密封圈的連接結構部分，轉運接口的密封門等其他主要部件的質量按等效方法加在法蘭上，可以保證地震作用下的效果與真實情況一致。地震載荷采用頻譜分析方法進行計算，對設備考慮SL-2（SSE）地震進行計算分析（圖2）。

圖2 SL-2 地震反應譜曲線

計算方法采用接觸分析方法，初始狀態下法蘭與箱室殼體之間壓緊密封圈，可以分析其接觸狀態，當地震作用時，分析計算密封圈與法蘭和箱室殼體的接觸狀態可以評定是否保證密封效果。由于密封箱室的操作壓力一般僅為幾百帕，計算所得密封圈接觸壓力為2.4 MPa，該壓力與操作壓力的比值遠遠大于墊片系數，因此地震作用下該密封結構能夠保持較好的密封狀態。

4 試驗驗證

4.1 基本功能試驗

將密封轉運容器與轉運接口對接，測試基本功能，雙蓋開啟和關閉的整個過程靈活輕松無卡滯現象。

4.2 安全功能試驗

試驗密封轉運桶在沒有完全鎖緊的情況下，密封蓋不可以打開。試驗密封轉運桶上沒有桶蓋的情況下，密封蓋不可以打開。試驗密封蓋開啟狀態時，密封轉運桶不可以脫開。

4.3 密封功能試驗

根據標準EJ/T 1096—1999《密封箱室密封性分級及其檢驗方法》，裝置應為3 級密封等級，試驗方法采用壓力變化法中的負壓法，試驗設備選用氦質譜檢漏儀，對要測試處的密封空間抽真空，將氦氣噴至被檢設備上，若設備有漏孔，則氦質譜檢漏儀會有所反應，從而可知漏孔所在及泄漏率的大小。為保證各個階段均具有良好的密封，對4 種工況進行了密封性試驗，要求泄漏率應＜0.03 Pa·m3/s。

（1）密封蓋與桶蓋之間的密封性：測量方法為提供一個與產品相同的桶蓋作為試驗樣件，在桶蓋上焊接接頭并連接氦質譜檢漏儀，對區域抽真空，采用噴槍向雙蓋間密封圈位置噴氦氣，其檢測結果泄漏率為1.7×10-6Pa·m3/s，滿足要求。

（2）測量密封轉運桶的密封性：測量方法與（1）類似，采用噴槍向轉運桶密封圈位置噴氦氣，其檢測結果泄漏率為6.8×10-7Pa·m3/s，滿足要求。

（3）測量轉運接口的密封性：測量方法是設計氣密性試驗工裝，并與3 mm 不銹鋼板工裝連接，對區域抽真空，采用噴槍向密封蓋密封圈位置噴氦氣，其檢測結果泄漏率為3.6×10-5Pa·m3/s，滿足要求。

（4）測量桶與熱室法蘭之間的密封：測量方法與（3）類似，取消桶蓋、密封門及密封門上安裝的零件，采用噴槍向轉運桶密封圈位置噴氦氣，檢測結果泄漏率為2.5×10-5Pa·m3/s，滿足要求。

5 結論

綜上論述，雙蓋密封轉運裝置在各工況均能滿足安全、密封轉運的功能要求，可在核行業后處理工藝中安全應用。