特種水閘門密封性能分析及試驗研究

朱 建，湯淋淋，王勝男

（1.江蘇雪梅制冷設備有限公司，江蘇 泰州 225300；2.硅湖職業技術學院，江蘇 昆山 215300；3.昆山市天翔技工學校，江蘇 昆山 215300）

0 引 言

核能是一種通過裂變產生的清潔高效能源，具有很高的安全性和經濟性。百萬級核電站多采用非能動型壓水堆核電站，能夠保證核電站的可靠性[1-2]。水閘門為核電站機組汽輪機廠房地下廊道水閘門，為了保證地下廊道被水淹沒時，用來隔斷汽輪機廠房與地下廊道之間的聯系，保證水無法漫到核電站機組汽輪機廠房中，保護廠房內設備[3-4]。本文建立了特種水閘門密封結構有限元模型，對水閘門密封性能進行分析研究，通過數值模擬和試驗研究兩種方法進行密封性能的判斷，確定該種結構是否滿足密封性能要求，為以后的特種水閘門設計提供參考以及作為同類型特種門可靠性判定的依據。

1 密封性能分析

1.1 前處理

本文先通過Solidworks 軟件建立了水閘門的幾何模型，在確保計算結構精確性、總體結構和結構危險部位不變的情況下，為了減少計算量，只建立局部密封模型，具體如圖1 所示。

圖1 水閘門密封結構示意圖

1.1.1 材料屬性定義

本文計算的特種水閘門所用材料為Q235-B 和橡膠。Q235-B 的彈性模量為210 GPa，泊松比為0.274，密度為 7 830 kg/m3，屈服強度為 235 MPa，抗拉強度為375 MPa；橡膠的彈性模量2.820 MPa，泊松比 μ=0.499 67；橡膠 Mooney-Rivlin 常數 C10=0.293 MPa，C01=0.177 MPa。

1.1.2 接觸及載荷的添加

在密封結構中主要是面面接觸，這里的面面接觸均為綁定接觸，具體接觸如圖2 所示。

圖2 水閘門密封處結構接觸

在密封結構中只需對門框背面添加固定約束即可，在門扇正面施加5.5 mm 的位移載荷，同樣在密封圈的側邊施加0.1 MPa 的壓力，如圖3 所示。

圖3 載荷及邊界條件示意圖

1.1.3 網格劃分

對密封結構進行網格劃分，采用六面體網格，網格大小為2 mm，共有9 921 個網格單元，46 652 個節點，其網格模型如圖4 所示。

圖4 網格模型示意圖

1.2 結果分析

密封圈在載荷作用下最大應力為1.89 MPa，主要應力發生在密封圈上，密封圈呈橢圓形變形，門框與門扇上的應力很小，可忽略不計。密封圈接觸面上的平均接觸應力為0.97 MPa，該值遠大于所受到的水壓0.10 MPa，密封圈呈橢圓形變形，滿足設計要求。

2 密封性試驗研究

2.1 試驗設備

本次試驗為水閘門的密封性試驗，主要驗證水閘門在9 000 mm 高水注的情況下，門扇與門框四周密封處的密封性能，滿足水閘門的泄漏量≤10 L/h。在試驗中使用的主要設備、型號及其用途詳見表1所示。

表1 試驗設備、型號及其用途

2.2 試樣規格

根據試驗設計及試驗要求，確定采用的試樣為水閘門原型，其具體尺寸規格為：2 145 mm×1 170 mm×101 mm，主要材料為Q235-B 和45 鋼，門的總體質量約為730 kg。試件為門框、門扇、鉸鏈和鎖緊系統在內的組合體（不包含電器系統）。表2詳述了各部件的構成以及具體規格。

表2 試樣規格詳述

2.3 試驗步驟

（1）將試驗底座平放在水平臺上并固定好，如圖5 所示。

圖5 水閘門試驗底座安裝示意圖

（2）吊起試驗門框移至底座上方，緩緩放下，并用螺栓將門框固定在底座上。裝好斜撐，門框周邊均設有密封條，如圖6 所示。

圖6 水閘門門框安裝示意圖

（3）吊起門扇，將水閘門裝在門框上，啟閉無卡滯，轉動靈活。關閉狀態下，門扇需壓緊密封條。

（4）吊起試驗水箱移至底座上方，靠緊門框，緩緩放下，用螺栓將水箱固定在底座上，同時與門框連接好，縫隙處打上密封膠。此時，形成一個相對密閉的空間，如圖7 所示。

圖7 應力分析

圖7 水閘門試驗水箱安裝示意圖

（5）吊起注水管移至水箱上方，緩緩放下，用螺栓將法蘭連接好，在標高9 000 mm 處設有液位計。

（6）檢查各試驗部件，安裝需到位。

（7）水管置于注水管內，打開水閥，水位上升至標高9 000 mm 處停止供水。

（8）觀察門框與水箱連接處的滲水情況。如滲水量大，打開止水閥，排盡水箱內的水。門框與水箱縫隙處打上密封膠，再次注水至標高9 000 mm 處，縫隙處不滲水后才能試驗門的滲水情況。

（9）集水槽置于門框下方，收集滲出來的水，試壓直至有水出，取出集水槽，如圖8 所示。

圖8 位移分析

圖8 水閘門水密實驗圖

（10）試驗結束后，打開止水閥，排盡水箱內的水。

2.4 結果分析

水閘門在9 m 水深的靜壓力下保持15 min，未出現泄漏，遠小于標準泄漏量10 L/h，且其密封條未出現變形、損壞等現象，試件的使用功能不受影響，因此該水閘門的水密性能符合要求，且水密等級達到 I 級。

3 結 語

本文對水閘門密封結構進行了密封性能分析研究，得到如下結論：（1）密封圈接觸面上的平均接觸應力為0.97 MPa，該值遠大于所受到的水壓0.10 MPa，密封圈呈橢圓形變形，滿足設計要求；（2）水閘門在9 m 水深的靜壓力下保持15 min，未出現泄漏，遠小于標準泄漏量10 L/h，因此該水閘門的水密性能符合要求。