某核電站設(shè)備閘門密封膠條優(yōu)化改進

劉 明，胡 煒

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

某核電站設(shè)備閘門主要用于機組大修期間大型專用工器具及備件進出安全殼以及在機組正常運行期間實現(xiàn)安全殼內(nèi)的負(fù)壓。該設(shè)備閘門為雙層安全殼專設(shè)設(shè)備，兩側(cè)使用門板密封，以適用雙層安全殼的結(jié)構(gòu)。每個門板上有14 個電動頭（其中外門板有1 個插銷電動頭），兩個門板共有29 個。原設(shè)計的設(shè)備閘門采用全自動操作模式，可實現(xiàn)設(shè)備閘門的快速開關(guān)及密封泄漏自動監(jiān)測功能。在正常開門過程中，首先壓力平衡閥開啟，門框移動至關(guān)限位觸發(fā)限位開關(guān)停止，緊接著6 個密封電動頭動作約2 s，密封螺母旋轉(zhuǎn)約2 圈，解除門板的密封狀態(tài)，然后6 個密封電動頭和3 個推拉桿電動頭同時動作，當(dāng)門板上的3 個位置限位開關(guān)動作時，表明密封絲杠與密封螺母已經(jīng)完全脫開，此時6 密封電動頭停止動作，3 個推拉桿電動頭繼續(xù)動作，直至到達(dá)電動頭的開行程限位開關(guān)停止。最后橫移電動頭動作，將門板移動至開限位停止，同時壓力平衡閥關(guān)閉。由于匹配的電動設(shè)備精度及固有的邏輯設(shè)計問題，設(shè)備閘門在自動運行期間經(jīng)常會出現(xiàn)卡澀及螺紋損壞故障，使閘門可靠性及可用性大大降低，嚴(yán)重影響機組大修的工作計劃。

本文從減小故障后果出發(fā)，通過優(yōu)化設(shè)備閘門膠條硬度，減少密封電動頭的初始力矩設(shè)置，從而降低密封螺紋損壞的概率和密封膠條運行期間的受力狀態(tài)，提高密封膠條的使用壽命。

1 設(shè)備閘門膠條密封性能計算

設(shè)備閘門單扇密封機構(gòu)采用6 個輔助電動頭、6 個密封電動頭實現(xiàn)設(shè)備閘門的開關(guān)和密封功能，密封電動頭設(shè)計力矩為2000 N·m。根據(jù)螺紋力矩與軸向力的短形式[1]，計算可得每個密封電動頭可實現(xiàn)250 000 N 的軸向壓力。

設(shè)備閘門膠條長度為18 695 mm，其與門板接觸寬度為7 mm，膠條設(shè)計壓縮率為30%，與常規(guī)橡膠靜密封壓縮率相近。假設(shè)忽略設(shè)備閘門的滾動摩擦，設(shè)備閘門密封螺栓的軸向力全部由凸出的膠條的反作用力承擔(dān)。因此可得膠條端面壓力σa、膠條端部面積Sa和軸向壓力Fa關(guān)系：σa×Sa×2=Fa×6。

根據(jù)該關(guān)系式，計算可得膠條端面壓力約5.73 MPa。

2 橡膠材料有線元分析Mooney-Rivlin 模型參數(shù)計算

橡膠作為一種超彈性材料，廣泛應(yīng)用于密封件、輪胎、吸振材料等。其應(yīng)力與應(yīng)變之間存在較強的非線性關(guān)系，材料的非線性和幾何非線性特征導(dǎo)致橡膠材料的力學(xué)性能研究存在較大的困難。經(jīng)過幾十年的大量研究工作，目前主要利用應(yīng)變能函數(shù)來描述其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并形成了在工程領(lǐng)域較為常用的二常數(shù)的Mooney-Rivlin 的二參數(shù)模型來描述其力學(xué)性能。

Mooney-Rivlin 模型幾乎可以描述所有橡膠材料的力學(xué)行為，特別使用與100%的拉伸工況和30%的壓縮工況。本文所述的設(shè)備閘門密封膠條在最終密封狀態(tài)的膠條壓縮量為30%，且僅受單向壓縮工況，因此比較適和Mooney-Rivlin 模型所需的工況狀態(tài)。Mooney-Rivlin 模型基本數(shù)學(xué)模型如下：

其中，C10和C01為力學(xué)常數(shù)，I1和I2為應(yīng)力張量不變量，該模型可近似單純壓縮量小于30%的橡膠受力后的行為。在較小應(yīng)變的情況下，橡膠材料的剪切模量G 約為彈性模量E 的1/3。另外根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)所述，一般在0.05 左右時[2]，橡膠有限元計算結(jié)構(gòu)與實際情況符合較好，且C10、C01、G 和E 存在如下關(guān)系：G=2（C10+C01），E=6C10（1+）。

Mooney-Rivlin 模型中存在較多參數(shù)，可根據(jù)橡膠的初始彈性模量的值確定Mooney-Rivlin 模型中的所有參數(shù)。根據(jù)工程經(jīng)驗，橡膠硬度越高，彈性模量也越高，相關(guān)的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，橡膠的彈性模量與橡膠邵氏硬度存在較強的正相關(guān)關(guān)系，可使用構(gòu)造指數(shù)型的二次非線性函數(shù)來模擬硬度與彈性模量的模型關(guān)系[3]：

本文所述設(shè)備閘門密封膠條的邵氏硬度為65 HA，根據(jù)該關(guān)系可得設(shè)備閘門密封膠條的初始彈性模量約為12 MPa，進而可得C01=0.1，C10=1.9。至此獲得Mooney-Rivlin 模型有限元分析所有的參數(shù)。

2 設(shè)備閘門密封膠條的有限元分析

通過二維軟件建立設(shè)備閘門密封膠條與設(shè)備閘門門板密封的二維簡化模型，導(dǎo)入Workbench 分析計算模塊。利用Mooney-Rivlin 模型計算可得密封膠條與門板接觸位置的受力狀況如圖1～圖2 所示。

圖1 65 HA 膠條上端面應(yīng)力

圖2 65 HA 膠條下端面應(yīng)力

分析該受力云圖發(fā)現(xiàn)，上端面平均接觸應(yīng)力約為6 MPa，與手算計算結(jié)果相近，可認(rèn)定本次Workbench 分析中采用的橡膠本構(gòu)模型及算法是合理的。另外通過本次計算還發(fā)現(xiàn)，下端面平均接觸應(yīng)力約為3.5 MPa 左右，與膠條上端面密封壓力的一半相當(dāng)。由于上下端面均為密封邊界，因此過高的上端面密封壓力不僅沒有必要，也對膠條性能產(chǎn)生不利的影響。

另外，設(shè)備閘門采用雙層密封膠條結(jié)構(gòu)，在兩道設(shè)備閘門密封膠條之間存在0.1 MPa 的空氣壓力，用于監(jiān)測設(shè)備閘門兩道密封膠條的完整性。設(shè)備閘門密封膠條僅需要實現(xiàn)0.1 MPa 的空氣壓力密封即可，目前設(shè)備閘門密封膠條端面壓力約為密封介質(zhì)壓力的60 多倍，密封比壓過大。

綜上所述，原廠設(shè)備閘門密封膠條硬度性能參數(shù)設(shè)計存在缺陷，不僅導(dǎo)致膠條端面應(yīng)力及上下端面密封壓力差距及設(shè)備閘門密封膠條密封比壓值過大，還造成設(shè)備閘門密封電動頭選型出現(xiàn)問題，必須使用具有較大輸出力矩的電動頭，才能完成設(shè)計的壓縮量。而較大輸出力矩的電動頭在設(shè)備閘門門板卡澀故障時，極易導(dǎo)致密封螺栓和密封螺母損壞，目前，該型號設(shè)備閘門已多次出現(xiàn)密封螺母和密封螺絲損壞的缺陷。

3 設(shè)備閘門密封膠條優(yōu)化改進方案

根據(jù)以上的分析結(jié)可知，必須優(yōu)化替代現(xiàn)有的密封膠條硬度參數(shù)，以消除由于其硬度性能參數(shù)選擇缺陷導(dǎo)致其他關(guān)鍵部件選型錯誤，降低設(shè)備閘門卡澀缺陷的后果。目前常用的密封膠條為邵氏硬度為56 HA。根據(jù)該數(shù)值，計算可得對應(yīng)的彈性模量E 為0.931 MPa，C01=0.007 388 9，C10=0.147 78。同理，可計算得密封膠條與門板接觸位置的受力狀況（圖3～圖4）。

圖3 56 HA 膠條上端面應(yīng)力

圖4 56 HA 膠條下端面應(yīng)力

從計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，密封膠條的上端面應(yīng)力大幅減小，平均應(yīng)力值僅約0.5 MPa，下端面平均密封應(yīng)力在0.4 MPa 左右，上下應(yīng)力值趨于一致，且僅為密封介質(zhì)壓力的4 倍，更加合理。

根據(jù)螺紋力矩與軸向力的短關(guān)系式可知，56 HA 的設(shè)備閘門密封膠條完成30%的壓縮率時，每個密封電動頭所需力矩僅需約200 N·m，遠(yuǎn)小于原選型設(shè)計（2000 N·m）。選擇更加小型的密封電動頭不僅可以降低設(shè)備成本，在設(shè)備閘門卡澀缺陷故障時還可大大降低密封螺母和密封螺紋損壞的可能性。

為了驗證在該橡膠材料能否實現(xiàn)設(shè)備閘門的密封功能，對膠條側(cè)面施加了0.1 MPa 的載荷加載后，密封膠條的界面應(yīng)力不僅沒有縮小反而變的更大，上部端面的平均應(yīng)力約為0.65 MPa，下端平均應(yīng)力約為0.5 MPa。這表明在外部介質(zhì)的作用下，橡膠材料的密封元件會通過自身變形來增強密封效果。因此采用56 HA 的密封膠條足以實現(xiàn)0.1 MPa 的空氣壓力的密封性能，且性能參數(shù)更加合理。

4 反饋及建議

綜上所述，某核電站設(shè)備閘門密封膠條設(shè)計帶來的經(jīng)驗反饋主要有4 條：

（1）該型設(shè)備閘門膠條硬度選取過大，使得要達(dá)到目標(biāo)壓縮量時，鎖緊螺母所需力矩過大、接近2000 N·m，容易加重設(shè)備閘門在開關(guān)操作中產(chǎn)生的故障后果，降低設(shè)備閘門的可用性時間。

（2）該型設(shè)備閘門密封膠條上下端面應(yīng)力差值較大，使得上端面過大應(yīng)力值處于無效狀態(tài)。

（3）設(shè)備閘門密封膠條等關(guān)鍵部件參數(shù)選擇時應(yīng)慎重考慮其使用需求，否則可能導(dǎo)致其他相關(guān)聯(lián)部件選型錯誤，降低設(shè)備可靠性及可用性，加重設(shè)備的故障后果。

（4）設(shè)備閘門密封膠條應(yīng)力過大，加速設(shè)備閘門密封膠條蠕變、老化，對設(shè)備閘門密封性能存在不利影響。

使用56 HA 的密封膠條，不僅可以實現(xiàn)密封，還有以下3個優(yōu)勢：①大大減少密封鎖緊螺母的力矩，大大降低在設(shè)備閘門卡澀缺陷故障后果，提高設(shè)備閘門運行的可靠性；②密封膠條上下端面應(yīng)力趨于一致，減少上端面的無效應(yīng)力；③密封膠條上下端面的應(yīng)力約0.5 MPa，是原設(shè)備閘門密封膠條端面壓力的約1/12，有利于延長設(shè)備閘門密封膠條壽命。