耐火型穿地通风密闭阀的设计与分析

　　摘要：
 

　　耐火型穿地通风密闭阀是核能、化工等行业的关键组件，对防止有害物质泄漏和火势蔓延至关重要。根据国内外研究进展，指出现有设计在高温和高压下的局限性，提出一种新型耐火型密闭阀。该设计采用内部多连杆结构与耐高温密封材料，并利用ANSYS软件进行蠕变分析，验证蝶板在高温环境下的稳定性。耐火实验测试结果表明，新设计的密闭阀在高温和压力条件下均能保持出色的密封性能，泄漏量远低于规定上限。本研究为相关行业提供了更安全可靠的密闭阀解决方案，有效提升了工业安全标准并促进了环境保护。
 

　　关键词：  耐火型穿地通风密闭阀；蠕变分析；耐火测试
 

　　01
 

　　概述
 

　　在核能、化工、制药等关键行业，地坑式净化装置对于管理和控制有害气体排放发挥着重要作用，装置的高效运行直接关系到环境安全和公共健康。作为地坑式净化系统中的核心组件，耐火型穿地通风密闭阀在正常操作和紧急情况下均发挥着关键作用，不仅在常规运行中确保密闭性，防止有害物质如放射性气溶胶的泄漏，还在火灾等紧急情况下，作为阻止火势蔓延的防火屏障，保障整个系统的安全性。因此，针对耐火型穿地通风密闭阀进行深入研究和性能优化，对于提升工业安全标准、保护环境和人员健康，以及推动技术进步具有重要意义。
 

　　在范围内，耐火型穿地通风密闭阀的研究重点在于提升其耐火性能和密封性。研究学者致力于开发新材料和创新结构设计，以增强阀门在高温条件下的稳定性和耐久性。同时，通过运用的数值模拟技术，如ANSYS Workbench，对阀门的密封性能进行深入分析和优化，旨在实现极低泄漏率的目标。在国内，耐火型穿地通风密闭阀的研究同样受到重视，研究焦点包括阀门的结构优化、材料选择以及密封机制的改进。特别是在核电领域，阀门的可靠性和安全性成为研究的核心。国内学者通过实验和模拟分析，探索阀门在高温、高压和腐蚀性介质中的性能表现，以及在火灾等条件下的耐火性能。
 

　　尽管国内外在耐火型穿地通风密闭阀的研究上已取得一定进展，但仍面临技术挑战。尤其是在火灾情况下，阀门的轴和旋臂需承受高温和冲击，增加了故障风险，影响了阀门的可靠性。某些制造商为了避免轴和旋臂直接暴露于高温区域，故改变了气流方向(见图1)，但这种设计无法承受双向压力，且在常温下实现零泄漏仅能承受约1000 Pa的压力，远低于实际所需的4000 Pa密封压力标准。此外，保持阀门在高温条件下的密封性能也是一个技术难题，需要进一步的研究和技术创新。
 

(a)                                (b)
 

　　(a)气流从右到左  (b)气流从左到右
 

　　图1  国内耐火型穿地通风密闭阀结构示意
 

　　随着核电和钢铁产业的发展，耐火型穿地通风密闭阀在输送管道系统中的作用日益凸显，其性能直接关系到整个系统的安全性与可靠性。在高温环境中，蝶板可能会经历应力松弛，严重时可能导致密封性能丧失，对设备的整体密封性能造成重大影响。因此，本研究旨在通过ANSYS Workbench软件对耐火型穿地通风密闭阀进行蠕变分析，以验证并确保其在高温工作条件下的稳定性能，保障系统的长期安全运行；最后，通过实验验证计算方法的可行性，为耐火型穿地通风密闭阀的设计和应用提供科学依据。
 

　　02
 

　　产品结构设计
 

　　2.1  结构介绍
 

　　本研究开发的耐火型穿地通风密闭阀(以下简称密闭阀)原型直径为400 mm，该阀主要由阀体、蝶板、轴、密封件、旋臂及辅助旋臂等关键部件构成，具体见图2。在设计上，确保蝶板与阀体之间形成一道完整的密封面，实现密封；同时，选用能够承受高于1000 ℃高温的柔性材料作为密封件，以满足在GB 15930标准下的耐火测试，即在1500 Pa的压差条件下，保持2小时内的泄漏量低于86.4 m3/(m2·h)，常温时在4000 Pa压力下实现零泄漏的性能指标。该阀的核心性能参数包括：安全等级达到RS标准，抗震性能归为I类，抗震标准符合1A要求，质量保证等级为QA2，设计承受压力高达6000 Pa，设计工作温度为65 ℃，且适用于空气介质(可承受10 kGy的辐照剂量)。
 

图2  耐火型穿地通风密闭阀阀体结构示意图
 

　　2.2  设计原理
 

　　本文所设计的密闭阀在关闭状态下，能够有效地将阀体两侧划分为背火区和承压耐火区。具体来说，轴和主旋臂均布置在相对安全的背火区，而辅助旋臂则位于直接面对火势的承压耐火区。这种布局是为了在发生火灾等紧急情况下能够确保阀门的关键操作部件不受火焰直接威胁。
 

　　当火灾发生时，火焰通常会顺着气流方向扩散。在这种紧急情况下，密闭阀迅速关闭，形成一道坚固的屏障。即使位于耐火区的辅助旋臂或其部件因高温而受损，但由于主旋臂和轴仍安全地位于背火区，能够继续执行关闭蝶板的操作，故确保了背火区的安全不受火灾影响。
 

　　这种设计不仅提高了密闭阀在火灾情况下的可靠性，还增强了整个系统的安全性。通过将操作部件隔离在不同区域，即使部分部件受损，阀门仍能保持其密封性能，防止火势和热量的蔓延，从而保护背火区及人员与设备的安全。这种创新的设计思路为耐火型穿地通风密闭阀的性能提升和安全保障提供了新的解决方案。
 

　　2.3  启闭动作原理
 

　　本文所设计的密闭阀采用精密的操作机构，通过驱动轴的旋转来联动主旋臂和辅助旋臂，实现对蝶板的精确控制。这一控制机制包括两个关键动作：平移和90°旋转。
 

　　(1)平移控制
 

　　操作机构通过驱动轴的旋转带动主旋臂进行线性运动，即平移。这一平移动作使蝶板在阀体内部沿轴线方向进行精确的位置调整，确保蝶板与阀座之间的接触位置准确无误。
 

　　(2)90°旋转控制
 

　　在平移的基础上，操作机构进一步通过辅助旋臂实现蝶板的90°旋转。这种旋转动作是蝶板开关的关键，确保蝶板能够从开启状态平滑过渡到关闭状态，或者反之。通过精确控制旋转角度，保证蝶板在关闭时与阀座形成密封面，实现零泄漏的目标。
 

　　这种复合运动控制机制不仅提高了蝶板动作的精确性和可靠性，还增强了密闭阀的操作灵活性。通过精确调控蝶板的平移与旋转，确保在各种工况下，蝶板均能迅速而准确地响应操作指令，实现高效密封。这种设计对于提高密闭阀的密封性能和延长其使用寿命具有重要意义。
 

　　03
 

　　蠕变分析
 

　　蠕变现象描述了材料在持续应力作用下，即使应力未超出其屈服点，也会随时间推移而逐渐发生塑性变形。尽管所有材料都会经历蠕变，但在高温环境中，这一现象尤为明显，这是由于高温环境加快了材料内部微观结构的演变。对于耐火型穿地通风密闭阀这类在高温条件下运行的设备，蠕变理论的应用至关重要。蠕变理论能够预测和评估在持续高温和应力条件下密闭阀材料的性能变化和长期稳定性，基于此设计出更为安全、可靠的密闭阀，确保其在温度和压力下仍能保持所需的密封性能和结构完整性。这种深入的理论支持和精确的设计计算，对于保障密闭阀在关键工业应用中的耐用性和安全性至关重要。
 

　　3.1  蠕变模型选择
 

　　为了满足GB 15930标准下的耐火测试要求，本模型设计承受1500 Pa的压差，并确保在2小时内的泄漏量不超过86.4 m3/(m2·h)。在此条件下，模型设定在600 ℃的高温下进行时间硬化隐式蠕变分析。选择此温度的原因在于，模型机的材质为304L不锈钢，其耐热极限温度为800 ℃。由于研究时间和资源的限制，目前尚未对模型机在800 ℃或更高温度下进行额外的实验验证，也未能获得该温度范围内的蠕变实验数据。此外，公开资料中也缺乏304L不锈钢在800 ℃至1000 ℃温度区间的蠕变特性方程。因此，本研究参考304不锈钢在600 ℃下的时间硬化隐式蠕变方程，以模拟和预测材料行为，表达式如下：
 

式中  ζ——蠕变应变(或蠕变应变速率)
 

　　σ——施加的恒定应力，MPa
 

　　t——载荷作用时间，h
 

　　T——温度，K
 

　　此方程为当前研究提供了一定的科学基础，用以评估304L不锈钢在高温条件下的蠕变行为，尽管是在低于极限工作温度的条件下提出，但未来工作将致力于这一数据空白，通过实验研究获取304L不锈钢在更高温度下的蠕变特性，以便更准确地预测和评估耐火型穿地通风密闭阀在条件下的性能。
 

　　3.2  判断准则
 

　　设计流程如图3所示，蝶板与密封件之间的压缩量设定为1 mm，这一参数对于确保阀门在高温环境下的密封性能至关重要。具体而言，在长达2小时(即7200 s)的高温暴露期间内，蝶板相对于密封件的变形量不超过1 mm，以满足严格的高温泄漏控制标准。为了实现这一目标，必须对蝶板在不同温度条件下的变形行为进行精确的计算和分析。
 

图3  蝶板密封性能设计流程图
 

　　首先，对蝶板在预期工作温度范围内的变形量进行详细评估，包括在正常工作温度及可能遇到的温度条件下蝶板材料的热膨胀和蠕变行为，以预测蝶板在长时间高温作用下的变形量，并确保这一变形量在安全范围内。
 

　　其次，对蝶板在不同温度下的材料强度进行校核，包括对蝶板材料在高温下的屈服强度、抗拉强度及其他相关的力学性能参数的评估。通过强度校核，确保蝶板在高温环境下不仅能够保持其密封性能，还能承受内部压力和外部环境所带来的机械应力。
 

　　综上所述，本设计不仅关注了蝶板与密封件之间的压缩量，还全面考虑了蝶板在不同温度条件下的变形和强度特性。通过综合分析，优化蝶板的设计，确保耐火型穿地通风密闭阀在高温环境下的可靠性和安全性，并满足工业应用中的高温泄漏要求。
 

　　3.3  分析输入
 

　　本模型专注于对蝶板进行分析计算，选取的材料为304L不锈钢。该材质在不同温度下的热膨胀系数遵循特定的变化曲线，如图4所示。分析计算分为四个阶段，每个阶段对应不同的时间和分析参数设置。
 

　　阶段(0.1 s)：在此初始阶段，模型开启大变形分析，但不考虑蠕变效应，该步骤主要用于捕捉蝶板在瞬时加载下的响应。
 

　　第二阶段(0.1~480 s)：此阶段模型关闭大变形，开启蠕变分析，模拟蝶板在持续应力作用下的长期行为，蠕变极限设置为10。
 

　　第三阶段(480~2700 s)：此阶段继续进行蠕变分析，进一步观察蝶板在更长时间尺度下的蠕变行为。
 

　　第四阶段(2700~7200 s)：此阶段为分析的最后阶段，继续进行蠕变分析，评估蝶板在整个高温暴露期间的稳定性和耐久性。
 

图4  304L材料线热膨胀系数曲线
 

　　温度对蝶板的作用同样遵循GB/T 9978.1-2008《建筑构件耐火试验方法》的温升曲线，分四个阶段输入模型，即0 s-20 ℃、480 s-720 ℃、2700 s-925 ℃、7200 s-1060 ℃，具体如图5所示。该曲线完整刻画了蝶板升温全过程，为热膨胀与蠕变耦合模拟提供精确边界。
 

图5  温升曲线
 

　　通过这种分段方法，模型能够细致地捕捉蝶板在不同条件下的行为，从而为设计提供可靠的数据支持，并有助于蝶板在高温环境下的性能满足工业应用中的严格要求，尤其是耐火型穿地通风密闭阀这类关键组件。
 

　　3.4  结果与分析
 

　　图6~图9为蠕变分析的结果，对比了辅助旋臂是否损坏两种情况下的分析结果，特别关注了蝶板在长达两小时(7200 s)高温暴露后的性能指标。
 

　　在对蝶板应力分析时，发现在辅助旋臂未受损害的条件下，蝶板承受的应力为15.2 MPa，而辅助旋臂损坏的蝶板应力为14.81 MPa，结果详见图6。该应力水平显著低于304L不锈钢的屈服强度，确保了蝶板在高温环境中的结构稳定性和安全性。具体而言，各温度阶段的等效应力值均未超出304L不锈钢的许用应力范围，具体数据如图7所示，表明在持续的高温作用下，蝶板能够维持其结构的完整性，并具备充足的安全余量以应对可能的应力挑战(即使辅助旋臂受损的情况也能满足)。因此，在高温工作条件下，该蝶板的设计是可靠的，能够满足耐火型穿地通风密闭阀在严苛环境下的长期运行要求。
 

(a)                                (b)
 

　　(a)辅助旋臂完整  (b)辅助旋臂损坏
 

　　图6  两种情况下蝶板的等效应力分布云图
 

图7  各温度时间段的等效应力值
 

　　在对蝶板进行变形量分析时，辅助旋臂损坏时的蝶板变形量为0.895 mm(注：此处为值+最小值，不同方向变形量的叠加，即0.256+0.639=0.895 mm)，显著低于设计允许的压缩量1 mm，如图8所示；此外，各温度阶段的变形量均低于1 mm，如图9所示。该结果表明蝶板与密封件之间的密封性能在高温环境下不会因过度变形而受到影响，维持了系统的整体密封性和可靠性。因此，在条件下该蝶板的设计仍能有效防止泄漏，保证耐火型穿地通风密闭阀的正常运行。
 

(a)                                (b)
 

　　(a)辅助旋臂完整  (b)辅助旋臂损坏
 

　　图8  两种情况下蝶板的定向应变分布云图
 

图9  各温度时间段的变形量
 

　　由图10可知，蠕变应变随时间增加而增加，但增速逐渐减小。这一趋势表明在长期高温作用下，蝶板材料会发生持续的塑性变形，但变形速率随时间延长而降低，最后材料的蠕变行为将趋于稳定。
 

图10  不同温度下304L等效蠕变应变曲线
 

　　04
 

　　耐火实验测试
 

　　为了对理论计算结果进行验证，确保耐火型穿地通风密闭阀Ф400规格样机的耐火性能符合预期，对该样机进行了全面的耐火性能测试，两台样机的测试系统如图11所示。
 

(a)                                (b)
 

　　(a)耐火试验系统  (b)耐火试验现场
 

　　图11  两台样机耐火试验系统及现场图
 

　　测试严格按照GB 15930标准执行，在1500 Pa的压差条件下进行，模拟高温环境下密闭阀的工作状态。泄漏装置(即流量测试)满足GB/T 1236标准，在长达2小时的耐火性能测试中，记录到泄漏量为33 m3/(m2·h)，远低于规定的86.4 m3/(m2·h)泄漏量上限，甚至低于NB/T 20039.2附录A中的I级泄漏值44.9 m3/(m2·h)，达到低泄漏阀要求，相关数据如图12所示。
 

　　测试结果表明，在高温和高压条件下，Ф400规格的耐火型穿地通风密闭阀能够保持出色的密封性能，泄漏量控制在要求范围内。该测试结果进一步验证了理论计算的准确性及密闭阀设计的安全性与可靠性，为密闭阀在实际工程中的应用提供了有力的支持。尽管测试结果满足相关要求，但应持续监测密闭阀的性能，根据测试反馈进行必要的设计优化，以确保产品在各种工况下均能保持标准的耐火性能。
 

　　综上所述，耐火性能测试结果为设计提供了宝贵的实测数据，证实了耐火型穿地通风密闭阀设计的合理性和有效性，为产品的进一步开发和应用奠定了坚实的基础。
 

　　05
 

　　结语
 

　　本文设计了一种新型耐火型穿地通风密闭阀，该阀能够在高温和压力条件下维持其密封性能。通过结构设计、蠕变分析和耐火实验测试，验证了该密闭阀在高温环境下的可靠性和安全性，并揭示了该结构在高温环境下的性能表现。随着时间推移，蝶板变形量逐渐增大，而耐火试验数据表明蝶板泄漏量逐渐减小，证明该结构在高温高压环境下更有利于闭合，有效解决了在高温条件下保持阀门密封性能的技术挑战。
 

　　这项研究不仅304L不锈钢在高温蠕变特性研究的空白，还为核电和化工等行业提供了一种高性能的耐火型密闭阀解决方案。未来应进一步优化设计、降低成本及扩展应用范围，以满足更广泛的工业需求。通过持续的技术创新和实验验证，耐火型穿地通风密闭阀将在保障工业安全和环境保护方面发挥更加重要的作用。