一種新型核電海水蝶閥的結構設計

董金新，孔慶曉，李 濤

（溫州職業(yè)技術學院 機械工程系，浙江 溫州 325035）

0 引 言

1 核電海水蝶閥的結構設計

依據(jù)三門核電有限公司3/4號發(fā)電機組汽機房凝汽器進出口電動蝶閥的使用工況條件與技術規(guī)范要求，對主要結構諸如閥座密封結構、蝶板密封圈結構、蝶板結構進行結構優(yōu)化設計。核電海水蝶閥結構如圖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 核電海水蝶閥結構

1.1 閥座密封結構的優(yōu)化

海水蝶閥采用浮動閥座密封結構，閥座安裝在閥體襯套內，并通過螺釘進行定位，閥座可在襯套內實現(xiàn)微量移動，閥體襯套固定連接在閥體內，閥座與蝶板橡膠密封環(huán)形成密封副。閥座密封結構如圖2所示。

圖2 閥座密封結構

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

1.2 蝶板密封圈結構的優(yōu)化

蝶板密封圈為T形結構，通過內六角調節(jié)螺釘固定在壓環(huán)與蝶板之間，如圖3所示。采用T形結構，可避免蝶板密封圈在啟閉過程中脫離。當?shù)迕芊馊δp后，可在閥體內部通過內六角調節(jié)螺釘調節(jié)蝶板密封圈進行密封補償；當?shù)迕芊馊p壞后，可在閥體內部進行更換。

圖3 蝶板密封圈結構

1.3 蝶板結構的優(yōu)化

為使蝶板在關閉狀態(tài)下具有較高的承壓能力，將蝶板外形設計為大曲率圓弧形，如圖4a所示。蝶板采用大曲率圓弧外形設計，一方面使蝶板的厚度僅為閥軸直徑的1.8倍，大大小于技術規(guī)范要求的2.25倍；另一方面使蝶閥在涂敷陶瓷涂層時具有良好的工藝性。蝶閥背面采用加強筋設計，加強筋布置方向為垂直于閥桿方向，如圖4b所示。與傳統(tǒng)的實心蝶板相比，蝶閥背面采用加強筋設計在保證結構強度的基礎上大大減少了蝶板的重量。

圖4 蝶板結構

2 核電海水蝶閥耐腐蝕材料的選擇

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

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（如德國知名品牌漢高樂泰陶瓷涂料）進行耐磨防腐處理，涂層厚達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。漢高樂泰陶瓷涂料的物理機械性能見表1。沒有涂敷陶瓷材料的海水蝶閥，其壽命會縮減為18個月。

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，且具有更高的強度，其抗拉強度σb≥800MPa，屈服強度σs≥550MPa（見表2）。

表1 漢高樂泰陶瓷涂料的物理機械性能

表2 超級雙相不銹鋼2507型材料力學性能

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，同時有防止銅毒化而使橡膠降級的阻滯劑，橡膠圈中的含蠟量不超過橡膠碳氫分子的1.5%。

對照2組在對照1組治療方法的基礎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BG33512，規(guī)格100 mg），50 mg/次，1次/d，連續(xù)使用14 d。

3 蝶板結構強度仿真分析

借助ANSYS Workbench有限元分析軟件對蝶閥結構強度進行仿真分析。該軟件具有強大的結構分析功能，能實現(xiàn)線性靜力分析、特征值屈曲分析、模態(tài)分析、諧響應分析等[8]。

在建立模型時，先對蝶閥的非關鍵部位進行簡化，利用solidworks軟件建立三維模型，再將蝶閥實體模型導入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，對蝶閥實體模型的相應部分設置材料屬性。在劃分網(wǎng)格時，對單元的尺寸參數(shù)進行設置，并進行網(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號發(fā)電機組汽機房凝汽器進出口電動蝶閥的使用工況條件與技術規(guī)范要求，蝶閥的設計壓力為0.5MPa。在對蝶板進行結構分析時，施加的壓力載荷為設計壓力的1.5倍，即0.75MPa。

對線性靜力進行分析，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，最小處在蝶板的上下兩側，這與實際情況相符。蝶板的最大形變僅為1.83mm，最小形變?yōu)?.2mm左右。

蝶板正面應力分布如圖8所示。由圖8可看出，蝶板應力最大處出現(xiàn)在曲面與平面的交界處，應力最大值為56.6MPa左右，遠小于材料屈服強度276MPa，滿足設計要求。

圖5 蝶閥實體模型

圖6 蝶閥有限元模型

圖7 蝶板的形變

圖8 蝶板正面應力分布

蝶板背面加強筋應力分布如圖9所示。由圖9可看出，蝶板加強筋處應力最大值為113MPa左右，為整個蝶板零件應力最大值，充分發(fā)揮了加強筋的作用，提高了蝶板結構強度。且蝶板加強筋處應力值同樣小于材料屈服強度276MPa，滿足設計要求。

4 結 論

圖9 蝶板背面加強筋應力分布

本文依據(jù)三門核電有限公司3/4號發(fā)電機組汽機房凝汽器進出口電動蝶閥的使用工況條件與技術規(guī)范要求，設計一種新型核電海水蝶閥結構，并根據(jù)海水的腐蝕與沖刷特性，對與海水直接接觸的閥體、閥桿、軸套、密封圈等零部件進行合理選材。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倍設計壓力載荷下蝶板的形變及應力分布情況。仿真結果表明，經(jīng)優(yōu)化設計的海水蝶閥結構合理，蝶板的形變與應力均滿足設計要求。

（1）采用浮動閥座密封結構，閥座可在襯套內實現(xiàn)微量移動，從而使蝶閥實現(xiàn)雙向承壓密封，保證密封性能可靠。

（2）蝶板密封圈為T形結構，在閥體內可通過內六角調節(jié)螺釘實現(xiàn)密封圈密封補償，以及在閥體內部進行密封圈更換。

（3）蝶板正面為大曲率圓弧外形，背面為加強筋結構，相較于傳統(tǒng)的蝶板結構，蝶板的厚度僅為閥軸直徑的1.8倍，背面加強筋結構大大提高了蝶板的結構強度，并減少了整體質量。

（4）閥體內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。