某核电站设备闸门密封胶条优化改进

刘 明，胡 炜

（江苏核电有限公司，江苏连云港 222000）

0 引言

某核电站设备闸门主要用于机组大修期间大型专用工器具及备件进出安全壳以及在机组正常运行期间实现安全壳内的负压。该设备闸门为双层安全壳专设设备，两侧使用门板密封，以适用双层安全壳的结构。每个门板上有14 个电动头（其中外门板有1 个插销电动头），两个门板共有29 个。原设计的设备闸门采用全自动操作模式，可实现设备闸门的快速开关及密封泄漏自动监测功能。在正常开门过程中，首先压力平衡阀开启，门框移动至关限位触发限位开关停止，紧接着6 个密封电动头动作约2 s，密封螺母旋转约2 圈，解除门板的密封状态，然后6 个密封电动头和3 个推拉杆电动头同时动作，当门板上的3 个位置限位开关动作时，表明密封丝杠与密封螺母已经完全脱开，此时6 密封电动头停止动作，3 个推拉杆电动头继续动作，直至到达电动头的开行程限位开关停止。最后横移电动头动作，将门板移动至开限位停止，同时压力平衡阀关闭。由于匹配的电动设备精度及固有的逻辑设计问题，设备闸门在自动运行期间经常会出现卡涩及螺纹损坏故障，使闸门可靠性及可用性大大降低，严重影响机组大修的工作计划。

本文从减小故障后果出发，通过优化设备闸门胶条硬度，减少密封电动头的初始力矩设置，从而降低密封螺纹损坏的概率和密封胶条运行期间的受力状态，提高密封胶条的使用寿命。

1 设备闸门胶条密封性能计算

设备闸门单扇密封机构采用6 个辅助电动头、6 个密封电动头实现设备闸门的开关和密封功能，密封电动头设计力矩为2000 N·m。根据螺纹力矩与轴向力的短形式[1]，计算可得每个密封电动头可实现250 000 N 的轴向压力。

设备闸门胶条长度为18 695 mm，其与门板接触宽度为7 mm，胶条设计压缩率为30%，与常规橡胶静密封压缩率相近。假设忽略设备闸门的滚动摩擦，设备闸门密封螺栓的轴向力全部由凸出的胶条的反作用力承担。因此可得胶条端面压力σa、胶条端部面积Sa和轴向压力Fa关系：σa×Sa×2=Fa×6。

根据该关系式，计算可得胶条端面压力约5.73 MPa。

2 橡胶材料有线元分析Mooney-Rivlin 模型参数计算

橡胶作为一种超弹性材料，广泛应用于密封件、轮胎、吸振材料等。其应力与应变之间存在较强的非线性关系，材料的非线性和几何非线性特征导致橡胶材料的力学性能研究存在较大的困难。经过几十年的大量研究工作，目前主要利用应变能函数来描述其应力应变关系，并形成了在工程领域较为常用的二常数的Mooney-Rivlin 的二参数模型来描述其力学性能。

Mooney-Rivlin 模型几乎可以描述所有橡胶材料的力学行为，特别使用与100%的拉伸工况和30%的压缩工况。本文所述的设备闸门密封胶条在最终密封状态的胶条压缩量为30%，且仅受单向压缩工况，因此比较适和Mooney-Rivlin 模型所需的工况状态。Mooney-Rivlin 模型基本数学模型如下：

其中，C10和C01为力学常数，I1和I2为应力张量不变量，该模型可近似单纯压缩量小于30%的橡胶受力后的行为。在较小应变的情况下，橡胶材料的剪切模量G 约为弹性模量E 的1/3。另外根据相关文献所述，一般在0.05 左右时[2]，橡胶有限元计算结构与实际情况符合较好，且C10、C01、G 和E 存在如下关系：G=2（C10+C01），E=6C10（1+）。

Mooney-Rivlin 模型中存在较多参数，可根据橡胶的初始弹性模量的值确定Mooney-Rivlin 模型中的所有参数。根据工程经验，橡胶硬度越高，弹性模量也越高，相关的试验结果发现，橡胶的弹性模量与橡胶邵氏硬度存在较强的正相关关系，可使用构造指数型的二次非线性函数来模拟硬度与弹性模量的模型关系[3]：

本文所述设备闸门密封胶条的邵氏硬度为65 HA，根据该关系可得设备闸门密封胶条的初始弹性模量约为12 MPa，进而可得C01=0.1，C10=1.9。至此获得Mooney-Rivlin 模型有限元分析所有的参数。

2 设备闸门密封胶条的有限元分析

通过二维软件建立设备闸门密封胶条与设备闸门门板密封的二维简化模型，导入Workbench 分析计算模块。利用Mooney-Rivlin 模型计算可得密封胶条与门板接触位置的受力状况如图1～图2 所示。

图1 65 HA 胶条上端面应力

图2 65 HA 胶条下端面应力

分析该受力云图发现，上端面平均接触应力约为6 MPa，与手算计算结果相近，可认定本次Workbench 分析中采用的橡胶本构模型及算法是合理的。另外通过本次计算还发现，下端面平均接触应力约为3.5 MPa 左右，与胶条上端面密封压力的一半相当。由于上下端面均为密封边界，因此过高的上端面密封压力不仅没有必要，也对胶条性能产生不利的影响。

另外，设备闸门采用双层密封胶条结构，在两道设备闸门密封胶条之间存在0.1 MPa 的空气压力，用于监测设备闸门两道密封胶条的完整性。设备闸门密封胶条仅需要实现0.1 MPa 的空气压力密封即可，目前设备闸门密封胶条端面压力约为密封介质压力的60 多倍，密封比压过大。

综上所述，原厂设备闸门密封胶条硬度性能参数设计存在缺陷，不仅导致胶条端面应力及上下端面密封压力差距及设备闸门密封胶条密封比压值过大，还造成设备闸门密封电动头选型出现问题，必须使用具有较大输出力矩的电动头，才能完成设计的压缩量。而较大输出力矩的电动头在设备闸门门板卡涩故障时，极易导致密封螺栓和密封螺母损坏，目前，该型号设备闸门已多次出现密封螺母和密封螺丝损坏的缺陷。

3 设备闸门密封胶条优化改进方案

根据以上的分析结可知，必须优化替代现有的密封胶条硬度参数，以消除由于其硬度性能参数选择缺陷导致其他关键部件选型错误，降低设备闸门卡涩缺陷的后果。目前常用的密封胶条为邵氏硬度为56 HA。根据该数值，计算可得对应的弹性模量E 为0.931 MPa，C01=0.007 388 9，C10=0.147 78。同理，可计算得密封胶条与门板接触位置的受力状况（图3～图4）。

图3 56 HA 胶条上端面应力

图4 56 HA 胶条下端面应力

从计算结果可以发现，密封胶条的上端面应力大幅减小，平均应力值仅约0.5 MPa，下端面平均密封应力在0.4 MPa 左右，上下应力值趋于一致，且仅为密封介质压力的4 倍，更加合理。

根据螺纹力矩与轴向力的短关系式可知，56 HA 的设备闸门密封胶条完成30%的压缩率时，每个密封电动头所需力矩仅需约200 N·m，远小于原选型设计（2000 N·m）。选择更加小型的密封电动头不仅可以降低设备成本，在设备闸门卡涩缺陷故障时还可大大降低密封螺母和密封螺纹损坏的可能性。

为了验证在该橡胶材料能否实现设备闸门的密封功能，对胶条侧面施加了0.1 MPa 的载荷加载后，密封胶条的界面应力不仅没有缩小反而变的更大，上部端面的平均应力约为0.65 MPa，下端平均应力约为0.5 MPa。这表明在外部介质的作用下，橡胶材料的密封元件会通过自身变形来增强密封效果。因此采用56 HA 的密封胶条足以实现0.1 MPa 的空气压力的密封性能，且性能参数更加合理。

4 反馈及建议

综上所述，某核电站设备闸门密封胶条设计带来的经验反馈主要有4 条：

（1）该型设备闸门胶条硬度选取过大，使得要达到目标压缩量时，锁紧螺母所需力矩过大、接近2000 N·m，容易加重设备闸门在开关操作中产生的故障后果，降低设备闸门的可用性时间。

（2）该型设备闸门密封胶条上下端面应力差值较大，使得上端面过大应力值处于无效状态。

（3）设备闸门密封胶条等关键部件参数选择时应慎重考虑其使用需求，否则可能导致其他相关联部件选型错误，降低设备可靠性及可用性，加重设备的故障后果。

（4）设备闸门密封胶条应力过大，加速设备闸门密封胶条蠕变、老化，对设备闸门密封性能存在不利影响。

使用56 HA 的密封胶条，不仅可以实现密封，还有以下3个优势：①大大减少密封锁紧螺母的力矩，大大降低在设备闸门卡涩缺陷故障后果，提高设备闸门运行的可靠性；②密封胶条上下端面应力趋于一致，减少上端面的无效应力；③密封胶条上下端面的应力约0.5 MPa，是原设备闸门密封胶条端面压力的约1/12，有利于延长设备闸门密封胶条寿命。