磁力传动闸阀设计与分析

刘春玲

(上海阀门厂有限公司，上海 201814)

磁力传动闸阀设计与分析

刘春玲

(上海阀门厂有限公司，上海 201814)

磁力传动闸阀是一种新型的阀门产品，具有广阔的应用领域。针对核电站一回路及其辅助系统所用磁力传动闸阀进行分析研究，解析磁力传动闸阀的工作原理和结构组成，并说明了磁力传动装置输出力矩的计算过程，对核电站一回路及其辅助系统所用高温高压磁力传动闸阀的开发具有一定借鉴意义。

磁力传动闸阀；结构；原理；设计；输出力矩

0 引言

目前，在管线上使用的闸阀、截止阀、球阀、蝶阀等一系列阀门，一般采用手动、电动或气动等驱动方式，直接在阀门承压边界的外部转动阀杆来实现阀门的启闭，这就决定了阀杆密封系统只能采用填料或机械夹紧的密封形式。这种阀杆密封形式，在系统介质压力波动幅度较大、温度变化较大的情况下，由于阀杆与填料处存在相对运动，长期使用不可避免地会出现跑、冒、漏、滴等现象。系统运行时伴有的振动、冲击等影响因素，会使阀杆密封处的泄漏更严重。这不仅造成了系统的压力损失、流体的浪费，一些腐蚀性、放射性以及危害性较大的流体，还可能对电气、设备、环境等带来较为严重的影响，甚至可能引发人身安全事故。多年来，为解决阀杆密封的外泄漏问题，从事阀门设计制造工作的工程技术人员开展了多方面的研究工作，采用封闭型谐波齿轮传动、屏蔽电机传动、隔膜传动、曲轴波纹管传动屏蔽等多种技术手段，对阀门的传动装置进行技术改造，都未能取得理想的综合效果。

近年来，在磁力泵基础上发展起来一种新型非接触式阀门磁力传动装置，它运用磁力的推拉原理实现非接触传递力。阀门的阀杆无需伸出承压腔外部，将阀杆与填料之间的动密封转动变成阀体与阀盖之间的静密封，实现阀门整体无外漏，同时使阀门具有体积小、结构简单、使用寿命长、维修方便等特点。国外一些公司(如美国DRESSER公司、德国KCACS公司)已经成功将磁力阀门应用于石化等领域，在技术性能上已向微型化、大型化发展，不断采用新材料、新结构、新工艺，提高了传动效率和传动力矩。目前国内也出现了自行研制生产的磁力传动阀门，但基本都是小口径阀门，主要用于一般工况条件下的管路输送，只解决了一般条件下的密封问题，适用于高温高压及核安全级环境条件、满足核技术应用标准规范和电磁兼容性要求的相应产品，还处于开发研制阶段。

本文以核电站一回路及其辅助系统的工况条件作为磁力传动闸阀的设计输入，将已通过实例验证的磁力传动闸阀设计制造关键技术介绍给阀门设计的同行。

1 原理及结构

1.1 工作原理

核级电动装置布置在整台阀的上部，作为驱动阀门启闭的动力源。下部是按照核电站一回路工况参数设计的安全1级闸阀。与常规的闸阀不同，阀杆部位不设计填料密封，阀杆、阀杆螺母、闸板、轴承、内永磁转子等控制阀门启闭的部件，全部密闭于阀门的承压腔中。整台阀门唯一可能有外漏的部位在隔离套与阀体的中法兰连接处，而该连接处采用缠绕式垫片作密封件，可实现密封完全零泄漏。隔离套与阀体组合构成阀门的承压边界。外永磁转子安装在隔离套的外部，与电动装置的输出轴相连接；内永磁转子安装在隔离套的内部，并通过方槽与阀杆螺母连接。当阀门电动装置接收到关闭或开启信号后，电动装置运转，带动输出轴上的外永磁转子一起旋转。磁力的作用使内永磁转子随外永磁转子作同步旋转运动，并带动阀杆螺母一起旋转，从而带动阀杆和闸板作升降运动，实现阀门的启闭功能。

阀位显示器安装在阀体上，用于指示全封闭磁力传动闸阀的开启和关闭状态。通过磁性指示杆与闸板的运动相关联，将阀门开启和关闭位置的信息转换为电信号输出，在控制中心显示和控制阀门的启闭位置。

1.2 主要结构组成

磁力传动闸阀主要由闸阀、磁力传动装置、电动装置、阀位显示器4部分组成。闸阀主要由阀体、闸板、阀杆、阀杆螺母、承压隔离套等组成，磁力传动装置主要由内永磁转子和外永磁转子等组成，阀位显示器主要由屏蔽套、磁性指示杆、弹簧、磁电转换开关、密封插头座、外罩等零部件组成。

1.2.1 闸阀

闸阀结构如图1所示。

图1 闸阀结构图

1.2.1.1 闸阀设计与选材

闸阀按照ASME BPV Ⅲ进行设计与制造。为了在最小外形尺寸下得到较大内、外永磁转子相互间的磁作用力，应在满足承压要求的前提下最小化设计承压隔离套的壁厚。在既要保证闸板的安装尺寸又要最小化设计承压隔离套壁厚的情况下，采取了闸板下装式结构的阀体设计。阀体上部的开孔仅需满足阀杆通过和轴承安装要求即可，最大限度地减小了承压隔离套内外径和壁厚尺寸。

阀体等主体材质选用核1级SA182 F321锻件，具有较高许用应力强度、耐腐蚀性能，还具有绝磁性，在使用中不会受到磁力转子的磁干扰；密封面按ASME规范控制含钴成分材料的使用，防止钴颗粒与放射性物质接触产生污染，因此，阀门密封面选取EDCrNi-B铁基合金，不含钴成分，又具有较高的耐磨性。

阀杆及阀杆螺母选用了高许用应力强度的17-4PH和14Cr17Ni2，并经热处理提高了材料的表面硬度，具有良好的力学性能、耐腐蚀性以及较低的摩擦系数。缩小了阀杆直径和螺距尺寸，减小了阀门的操作扭矩，从而使磁力传动装置和电动装置的结构尺寸得到了进一步优化。

由于轴承密闭于阀门内部，直接与介质接触，其防腐蚀性能及耐磨性能将直接影响阀门的使用寿命及运行稳定性。铜材不适用于核电站一回路及其辅助系统的工况，设计选用了不锈钢轴承，满足了轴承的防腐蚀及耐磨性能要求。

1.2.1.2 承压隔离套设计与制造

承压隔离套与阀体组合构成整台阀门的压力边界，是磁力传动闸阀设计的关键技术之一。承压隔离套安装在内、外磁转子之间，磁场须穿过隔离套才能起传递磁力的作用，因此对于隔离套的材料首先要求非磁性。隔离套起承受内部压力的作用，一旦破裂会造成灾难性的危害，因此选择强度高的材料。由于磁力转子在运转时，金属隔离套会切割磁力线而产生涡流，材料电阻越小，涡流就越大，涡流会转变成热量，需依靠自身部分介质带走，因此隔离套不能太厚，才能保证较高的传动效率。另外，承压隔离套必须能耐介质的腐蚀及符合设计温度、压力要求，并具有良好的抗震、抗冲击性能。经综合考虑，设计选择了强度高、耐介质腐蚀性好、电阻率高、并具有较好的冲击韧性的HC276作为隔离套的材料。

1.2.2 磁力传动装置

磁力传动装置由内永磁转子、外永磁转子组成，如图2所示。

图2 磁力传动装置结构图

磁力传动装置输出力必须满足启闭阀门所需要的最大力矩。在一回路及辅助系统高温高压工况和辐照环境下，设计结构需考虑高温适宜性和辐照影响。普通的磁力传动装置上磁钢采用的是胶粘固定方式，考虑到高温和辐照情况对粘胶的影响，为防止磁钢在磁座上轴向打滑，设计增加了防转片。径向上由于磁力传动装置转速很低，故不需要考虑磁钢与磁座之间的径向固定，依靠磁本身的吸力就可以了。从运行的可靠性上，再补加无机耐高温胶填充制造误差形成的缝隙。在磁钢组装完成后，用薄壁不锈钢包封套套上，再在两端进行焊接密封，保护内部零件不受介质腐蚀。由于薄壁不锈钢套承受的是外压，因此外部的压力要通过磁钢作用在磁座上，也就是磁钢之间不能有缝隙。设计时磁钢之间采用紧密排列，而外永磁转子由于处于空气中，且温度较低，因此采用无机耐高温胶与机械固定防转相结合的办法，在端部用挡环辅助固定。

1.2.2.2 材料选择

磁力传动装置是通过磁场作用来非接触传递动力的类似于联轴器的器件，因此材料的选用要考虑磁场设计的需要。由于在高温下工作，因此选择的材料要具有耐高温特性。而磁力传动装置所在环境也使得其要具有一定的耐腐蚀性，材料要耐辐照，特别是内永磁转子。

磁力传动装置由磁阀座、磁钢座、磁钢、包封套以及外磁钢挡环等组成。其中内永磁转子浸没于介质中，需要采用耐腐蚀的不锈钢材料，该设计选用0Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢。作为磁力传动装置的功能材料，选用的磁钢既要有较高的磁性能，又要有较低的温升退磁率和较高的允许工作温度，按照设计温度要求选择了S28H钐钴磁钢。

1.2.2.3 关键技术

(1) 电磁兼容性。磁力传动装置应防止磁场对周围环境及其他电气设备产生影响。设计时，磁力传动装置中的磁路结构应考虑内部磁路的闭合，因此在通常情况下从磁力传动装置中漏出的磁场也极少。少量漏磁主要在外永磁转子的端面，但漏磁磁场强度很低，且离开磁力转子越远强度下降越快，到外面连接架筒体外表面时几乎没有。当然，为避免漏磁带来不必要的麻烦，从设计上采取了2种解决途径：一是将外永磁转子端部的导磁基体延长，使端面部分漏磁在导磁体上自行闭合；二是外永磁转子外面的连接架采用导磁材料，使漏磁在连接架上闭合不外泄。通过以上措施解决了磁场外泄问题。

(2) 磁性材料的保护与辐射影响评估。由于磁力转子内的磁性材料采用钐钴合金Sm2Co17，必须与反应堆冷却剂可靠隔离，因此利用一层薄的包封套通过焊接方法将磁性材料与介质隔离。由于一般焊接产生的温度会很高，如传导到磁铁的温度超过磁铁许用温度将会引起磁钢退磁，因此必须采用快速低电流的自熔焊。为保证良好的焊合性及焊接后的一体化，包封套材料选择与内磁座相同的非磁性材料。为保证绝对可靠的焊缝熔合，一般的手工氩弧焊已不能满足需要，要采用自动氩弧焊或激光焊机进行焊接，依靠设备来保证焊接质量。期间需调整适当的工艺参数进行试验，最终使焊缝达到熔合可靠、外形美观的要求。由于用一般的方法无法验证是否有渗漏，因此需在内磁座端部打一个小孔，使其与装磁钢处相通，用氦气检漏的方法来验证磁钢的包封是否可靠。如确实无泄漏，则在检漏后将小孔用氩弧焊焊住，这样就确保了磁性材料包封的安全可靠。

“正常人”最可贵的品质在“自知之明”。他对自己的才能才华，兴趣特长，有着清醒的认识。他深知自己内心之所思所想，他遵循自我意愿而绝不轻易从众随俗。他认为：生命是自己的，做自己喜欢且能做的事，乃生命价值之真正所在！

由于内永磁转子在核辐射环境下运行，磁性材料必须能经受核辐照而不发生不可接受的性能改变，为此需用试验来验证。一方面用磁力阀样机到现有核三级条件的非重要工位但有较大放射性的场合进行应用运行试验；另一方面将磁钢样品经性能测试后，放在核辐射的环境中，累计吸收预定的放射剂量后，取出重新测试其磁性能及相关其他性能。通过辐照前后的性能对比可以判断出核辐照是否对磁钢性能产生影响及影响程度，并据此作为决定磁性材料适用性及设计磁力传动装置的依据。

1.2.3 电动装置

该电动闸阀需要在上方配置一个多回转阀门电动装置。且由于所处的环境条件，必须符合核级阀门的要求。另外，在该电动装置内，还需设计有位置指示、行程控制和转矩控制装置，以保证阀门启闭的可靠性。由于尺寸的限制，电动装置的设计必须实现小型化；特殊的应用环境还使得内部机件必须能承受冲击。

1.2.4 阀位显示器

闸阀的阀体上安装有2个阀位指示器，分别用于显示阀门的全开启位置和全关闭位置(图3)。开阀时，闸板向上升高至设定位时，设置在闸板上的凸轮机构触动开阀位显示器的磁性指示杆，并逐渐压缩磁性指示杆复位弹簧，推动磁性指示杆外伸。当磁性指示杆向外运动约5～6.3 mm时磁电转换开关接通，电路导通，信号传输至控制箱，开阀位指示灯亮起。同时，切断电动装置的控制电源，电装停止转动。关阀时，闸板离开上限位，磁性指示杆在复位弹簧的作用下离开磁电转换开关，从而使磁电转换开关触点脱开，断开电路，开阀位指示灯熄灭。当阀关至设定位置时，关阀位设计有关阀位显示器，当闸板下降至完全关闭阀门位置时，关阀位显示器的磁性指示杆在闸板上的凸轮机构作用下，使关阀位磁电转换开关接通，电路导通，信号传输至控制箱，关阀位指示灯亮起。同时，切断电动装置的控制电源，电装停止转动。

图3 阀位显示

2 磁力传动装置输出力矩计算

2.1 基本参数的选定

由于磁力传动装置磁路尺寸与磁隙有关，而磁隙又与中间隔离套的壁厚有关，因此，首先需确定隔离套的直径大小，并选择高强度耐腐蚀的隔离套材料，以减少壁厚需求。隔离套直径可按所需传动的扭矩大小初步确定，并考虑结构长度和对隔离套壁厚的影响。

根据该设计，磁力传动装置的计算直径为97.5 mm，隔离套的壁厚为4 mm。根据磁力阀门的结构和性能特点，确定磁力传动装置与隔离套的间隙及保护套的壁厚。由于磁力阀门中的磁力传动装置是低速运转，因此，旋转引起的离心力及变形极小，可忽略不计，内永磁转子与隔离套之间又没有流动的介质所导致的可能的固体颗粒，因此可取较小的磁隙。设计取1 mm的内间隙与外间隙。内磁包封套厚度取1 mm；外磁包封套处于空气中，取0.5 mm壁厚。这样，该设计磁力传动装置磁隙累计为7.5 mm。按经验，磁钢径向厚度为7.5～8 mm。

2.2 最大静磁力矩计算

该阀门磁力传动的磁路采用“拉推磁路”理论设计，根据磁力传动力矩计算公式：

式中，K为系数，本设计中取1.6；(BH)max为最大磁能积，本设计选用28MG0e的钐钴磁钢；E为内、外磁钢间隙；b为磁钢宽度；R为内、外磁钢间隙计算半径；L为磁钢总长度，估算为97 mm；h为磁钢厚度，取7.5 mm。

该设计堵转转矩≥90 N·m，因此，最大设计磁力传动力矩Tmax=90 N·m。

计算得：

=1 490.5 kg·cm=146 N·m

以上计算为常温下的磁力传动力矩，考虑到高温工况下会产生一定比例的退磁，要核算高温下的磁力矩是否满足要求。

根据温升退磁率，每温升100 ℃，约退磁4%，因此按温升330 ℃计算，约退磁13.2%，也就是此时的磁钢磁能积约为常温时的0.8682=75%。因此修正到高温工况，MGmax=146×0.75=109.5 N·m>90 N·m。结果满足设计堵转转矩的需求。

以上为理论计算，实际由于磁力阀门结构上传热和散热的影响，磁力传动装置上的温度会明显低于设计温度，因此实际磁力扭矩余量会大得多。

3 结语

该磁力传动闸阀通过了冷态和热态模拟工况运行条件下的性能试验、抗震抗冲击试验、电磁兼容性试验等试验验证。结论认为：研究开发的磁力传动闸阀使核动力装置磁力传动阀在核反应堆一回路系统条件下能够安全可靠地运行，无故障工作时间可达到10 000 h以上。在国内开创了磁力传动阀取代普通机械密封阀并应用于核反应堆一回路系统的先例，其研究开发成果处于国内领先水平。将成果应用于核反应堆一回路及其辅助系统，将大大提高核反应堆一回路系统的可靠性，并使维修性及保障性得到显著提高，具有广阔的应用前景。

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2014-06-03

刘春玲(1982—)，女，河南人，助理工程师，研究方向：阀门设计开发。