一種新型核電海水蝶閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

董金新，孔慶曉，李 濤

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，浙江 溫州 325035）

0 引 言

1 核電海水蝶閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)三門核電有限公司3/4號(hào)發(fā)電機(jī)組汽機(jī)房凝汽器進(jìn)出口電動(dòng)蝶閥的使用工況條件與技術(shù)規(guī)范要求，對(duì)主要結(jié)構(gòu)諸如閥座密封結(jié)構(gòu)、蝶板密封圈結(jié)構(gòu)、蝶板結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。核電海水蝶閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。核電海水蝶閥由閥體、蝶板、閥桿、閥體襯套、閥座、密封環(huán)、蝶板壓環(huán)、上軸套、下軸套、雙向止推軸承、填料、填料壓套、填料壓蓋、支架等組成。

圖1 核電海水蝶閥結(jié)構(gòu)

1.1 閥座密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

海水蝶閥采用浮動(dòng)閥座密封結(jié)構(gòu)，閥座安裝在閥體襯套內(nèi)，并通過螺釘進(jìn)行定位，閥座可在襯套內(nèi)實(shí)現(xiàn)微量移動(dòng)，閥體襯套固定連接在閥體內(nèi)，閥座與蝶板橡膠密封環(huán)形成密封副。閥座密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 閥座密封結(jié)構(gòu)

當(dāng)介質(zhì)正向流動(dòng)時(shí)，蝶板偏心距使密封面越關(guān)越緊，實(shí)現(xiàn)正向密封；當(dāng)介質(zhì)反向流動(dòng)時(shí)，介質(zhì)作用于閥座上的力使閥座可沿襯套內(nèi)孔作微量軸向移動(dòng)，使閥座與密封圈緊密貼合，在閥座與密封圈之間達(dá)到密封所需的密封比壓，使閥門可靠實(shí)現(xiàn)反向密封，從而使蝶閥實(shí)現(xiàn)雙向承壓密封，保證密封性能可靠。

1.2 蝶板密封圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

蝶板密封圈為T形結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)六角調(diào)節(jié)螺釘固定在壓環(huán)與蝶板之間，如圖3所示。采用T形結(jié)構(gòu)，可避免蝶板密封圈在啟閉過程中脫離。當(dāng)?shù)迕芊馊δp后，可在閥體內(nèi)部通過內(nèi)六角調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)蝶板密封圈進(jìn)行密封補(bǔ)償；當(dāng)?shù)迕芊馊p壞后，可在閥體內(nèi)部進(jìn)行更換。

圖3 蝶板密封圈結(jié)構(gòu)

1.3 蝶板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

為使蝶板在關(guān)閉狀態(tài)下具有較高的承壓能力，將蝶板外形設(shè)計(jì)為大曲率圓弧形，如圖4a所示。蝶板采用大曲率圓弧外形設(shè)計(jì)，一方面使蝶板的厚度僅為閥軸直徑的1.8倍，大大小于技術(shù)規(guī)范要求的2.25倍；另一方面使蝶閥在涂敷陶瓷涂層時(shí)具有良好的工藝性。蝶閥背面采用加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，加強(qiáng)筋布置方向?yàn)榇怪庇陂y桿方向，如圖4b所示。與傳統(tǒng)的實(shí)心蝶板相比，蝶閥背面采用加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上大大減少了蝶板的重量。

圖4 蝶板結(jié)構(gòu)

2 核電海水蝶閥耐腐蝕材料的選擇

為防止海水對(duì)蝶閥的腐蝕與沖刷，蝶閥應(yīng)選擇正確的防腐蝕材料。其材料的選擇應(yīng)考慮耐腐蝕、耐磨損、加工工藝及海水的性質(zhì)，同時(shí)還要兼顧材料的經(jīng)濟(jì)性。

2.1 閥體與蝶板材料

閥體與蝶板均采用ASTM A536 Gr.60-40-18球墨鑄鐵材料整體鑄造而成。閥體內(nèi)腔與蝶板表面等與海水接觸的過流部位涂敷陶瓷材料（如德國(guó)知名品牌漢高樂泰陶瓷涂料）進(jìn)行耐磨防腐處理，涂層厚達(dá)3mm以上，能顯著提高閥體與蝶板的耐海水腐蝕、沖刷磨損的性能，使蝶閥整體壽命更長(zhǎng)。漢高樂泰陶瓷涂料的物理機(jī)械性能見表1。沒有涂敷陶瓷材料的海水蝶閥，其壽命會(huì)縮減為18個(gè)月。

2.2 閥桿與軸套材料

蝶閥上下閥桿及軸套由ASTM A182 F53雙相不銹鋼2507型材料制成。該雙相不銹鋼材料比目前一般的雙相不銹鋼2205型（F51）材料具有更優(yōu)異的耐海水腐蝕和沖刷性能，且具有更高的強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度σb≥800MPa，屈服強(qiáng)度σs≥550MPa（見表2）。

表1 漢高樂泰陶瓷涂料的物理機(jī)械性能

表2 超級(jí)雙相不銹鋼2507型材料力學(xué)性能

2.3 密封圈材料

密封圈選用氯丁橡膠材料制成，氯丁橡膠具有很好的耐海水性、抗腐蝕性、抗塑變性、抗沖擊性、抗臭氧及抗微生物腐蝕性。氯丁橡膠密封圈中的銅離子含量≤8ppm，同時(shí)有防止銅毒化而使橡膠降級(jí)的阻滯劑，橡膠圈中的含蠟量不超過橡膠碳?xì)浞肿拥?.5%。

對(duì)照2組在對(duì)照1組治療方法的基礎(chǔ)上加用小劑量阿司匹林腸溶膠囊（拜耳醫(yī)藥保健有限公司，批號(hào)BG33512，規(guī)格100 mg），50 mg/次，1次/d，連續(xù)使用14 d。

3 蝶板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析

借助ANSYS Workbench有限元分析軟件對(duì)蝶閥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析。該軟件具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析功能，能實(shí)現(xiàn)線性靜力分析、特征值屈曲分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析等[8]。

在建立模型時(shí)，先對(duì)蝶閥的非關(guān)鍵部位進(jìn)行簡(jiǎn)化，利用solidworks軟件建立三維模型，再將蝶閥實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元分析軟件中，如圖5所示。根據(jù)各零部件的材料要求，對(duì)蝶閥實(shí)體模型的相應(yīng)部分設(shè)置材料屬性。在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)單元的尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到蝶閥有限元模型，如圖6所示。根據(jù)三門核電有限公司3/4號(hào)發(fā)電機(jī)組汽機(jī)房凝汽器進(jìn)出口電動(dòng)蝶閥的使用工況條件與技術(shù)規(guī)范要求，蝶閥的設(shè)計(jì)壓力為0.5MPa。在對(duì)蝶板進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，施加的壓力載荷為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍，即0.75MPa。

對(duì)線性靜力進(jìn)行分析，得到蝶板的形變，如圖7所示。由圖7可看出，蝶板的形變最大處在蝶板的左右兩側(cè)，最小處在蝶板的上下兩側(cè)，這與實(shí)際情況相符。蝶板的最大形變僅為1.83mm，最小形變?yōu)?.2mm左右。

蝶板正面應(yīng)力分布如圖8所示。由圖8可看出，蝶板應(yīng)力最大處出現(xiàn)在曲面與平面的交界處，應(yīng)力最大值為56.6MPa左右，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度276MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 蝶閥實(shí)體模型

圖6 蝶閥有限元模型

圖7 蝶板的形變

圖8 蝶板正面應(yīng)力分布

蝶板背面加強(qiáng)筋應(yīng)力分布如圖9所示。由圖9可看出，蝶板加強(qiáng)筋處應(yīng)力最大值為113MPa左右，為整個(gè)蝶板零件應(yīng)力最大值，充分發(fā)揮了加強(qiáng)筋的作用，提高了蝶板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。且蝶板加強(qiáng)筋處應(yīng)力值同樣小于材料屈服強(qiáng)度276MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

圖9 蝶板背面加強(qiáng)筋應(yīng)力分布

本文依據(jù)三門核電有限公司3/4號(hào)發(fā)電機(jī)組汽機(jī)房凝汽器進(jìn)出口電動(dòng)蝶閥的使用工況條件與技術(shù)規(guī)范要求，設(shè)計(jì)一種新型核電海水蝶閥結(jié)構(gòu)，并根據(jù)海水的腐蝕與沖刷特性，對(duì)與海水直接接觸的閥體、閥桿、軸套、密封圈等零部件進(jìn)行合理選材。利用ANSYS Workbench有限元分析軟件建立新型核電海水蝶閥仿真模型，分析在1.5倍設(shè)計(jì)壓力載荷下蝶板的形變及應(yīng)力分布情況。仿真結(jié)果表明，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的海水蝶閥結(jié)構(gòu)合理，蝶板的形變與應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求。

（1）采用浮動(dòng)閥座密封結(jié)構(gòu)，閥座可在襯套內(nèi)實(shí)現(xiàn)微量移動(dòng)，從而使蝶閥實(shí)現(xiàn)雙向承壓密封，保證密封性能可靠。

（2）蝶板密封圈為T形結(jié)構(gòu)，在閥體內(nèi)可通過內(nèi)六角調(diào)節(jié)螺釘實(shí)現(xiàn)密封圈密封補(bǔ)償，以及在閥體內(nèi)部進(jìn)行密封圈更換。

（3）蝶板正面為大曲率圓弧外形，背面為加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)的蝶板結(jié)構(gòu)，蝶板的厚度僅為閥軸直徑的1.8倍，背面加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)大大提高了蝶板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并減少了整體質(zhì)量。

（4）閥體內(nèi)腔及蝶板表面使用陶瓷涂覆工藝，顯著提高了蝶閥的抗腐蝕與抗沖刷的性能。