一种爆炸驱动快速密封阀门的研制

胡华权，杨 军 ，于 琴，马艳军，张德志

(西北核技术研究所,西安710024)

一种爆炸驱动快速密封阀门的研制

胡华权，杨 军 ，于 琴，马艳军，张德志

(西北核技术研究所,西安710024)

利用炸药爆炸驱动技术，研制了一种爆炸驱动快速密封阀门。阀门由密封结构、驱动结构和定位结构组成，采用了双道O型圈密封结构及防回弹结构设计，可实现对管道快速有效密封。对直径φ为20 mm的阀门进行了密封实验，利用电探针法和激光多普勒位移干涉仪法对阀门封闭时间、闸板速度与位移等进行测量，并对封闭后的阀门进行了泄漏率检测。结果表明：阀门的封闭时间为0.8 ms，泄漏率小于10-10Pa·m3·s-1。

爆炸驱动；快封阀门；泄漏率

当含有危险有害介质的设施发生燃油、燃气泄漏或核废料扩散等灾难事件时，能否快速有效地密封其扩散泄漏通道，防止有害介质造成环境污染和人身伤害，是一个非常重要的技术难题。利用常规密封技术[1-2]可以实现机械设备秒量级的密封，但很难同时满足密封效果好且密封速度快的要求，而利用爆炸驱动技术能够实现管道毫秒量级甚至微秒量级的快速有效密封。

在超快速密封技术研究方面，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室为JASPER(joint actinide shock physics experimental research)装置研制了用于快速密封核材料的超快速封闭阀门系统。该系统包括爆炸压缩管道超快速封闭和快速密封两个阀门装置。其中，爆炸压缩管道超快速封闭阀门可在响应时间80 μs内封闭管道，但无法达到高效密封；快速密封阀门能够在响应时间1.5 ms内实现管道密封且长期密封的泄漏率小于10-9Pa·m3·s-1[3-4]。目前，我国在快速密封技术方面的相关研究报道较少，文献[5]研究了一种利用火药燃烧气体驱动高压聚乙烯阀门密封管道的实验装置，其密封响应时间约为15 ms。文献[6]报道了利用炸药爆炸压缩管道密封技术，该技术可实现密封响应时间在100 μs以内，泄漏率为10-2～10-3Pa·m3·s-1的技术指标。本文利用炸药爆炸驱动技术研制了一种亚毫秒量级的快速密封阀门，泄漏率小于10-10Pa·m3·s-1[7]。该阀门还可与炸药爆炸压缩管道密封技术联合应用，能够快速实现管道密封。

1 工作原理

爆炸驱动快速密封阀门的基本工作原理，如图1所示。阀门首先处于开启状态，如图1(a)所示。爆炸装置在阀门闸板上端爆炸后产生的较强冲击力驱使闸板向下运动，闸板碰撞阀门底座后停止运动，阀门实现封闭，如图1(b)所示。阀门采用双道O型密封圈和平面法兰密封原理实现阀门闸板对内外管道的隔断及密封功能。

(a)Unsealed state

(b)Sealed state 图1爆炸驱动快速密封阀门的工作原理Fig.1Schematic of the explosion driven fast-acting gate valve

2 密封阀门结构及参数设计

2.1阀门功能设计

装置爆炸后产生的强大冲击力，会对闸板造成较大破坏，影响阀门的密封性能，因此需要设计一个放置在爆炸物和阀门上端之间的驱动活塞，用以传递爆炸驱动力，同时避免爆炸冲击力直接作用于闸板。另外还设计了一个相对密封的容器，将爆炸装置放置在该容器中实施爆炸，可以有效避免爆炸冲击力对周围介质的影响，同时利用爆轰产物对驱动活塞的持续驱动作用，可提高闸板的运动速度，缩短阀门封闭时间。由于在强大冲击力作用下，闸板向下运动的速度较快，闸板与阀门底座碰撞后会产生回弹，为使闸板运动到预设位置后停止运动，需要设计防止闸板回弹装置。

为了实现阀门的上述功能，设计的爆炸驱动快速封闭阀门结构包括密封结构、驱动结构和定位结构等功能单元。结构示意图如图2所示。

1—Top of vessel;2—Explosive;3—Driven piston; 4—Flashboard;5—Limit baffle;6—Blot; 7—Outside pipeline;8—Base of valve;9—Plug; 10—Inner vessel;11—Main vessel;12—Knighthead; 13—Anti-rebounding structure;14—O-ring;15—Inside pipeline; 16—Limit bloke;17—Soleplate;18—Limit hole;19—Blowhole 图2爆炸驱动快速密封阀门基本结构示意图Fig.2Basic configuration of the explosion driven fast-acting gate valve

阀门的主体结构包括闸板、限位挡板、螺栓、内外管道法兰、阀门底座、防回弹装置、O型密封圈及限位垫块。密封结构单元的功能是实现阀门密封，它由内外管道法兰、限位垫块、闸板和密封圈构成。为确保阀门达到较好的密封效果，可通过对O型密封圈选型、设计较合适的密封圈压缩率以及优化密封结构单元设计来实现。

驱动结构单元能够为闸板运动提供动力和运动方向。它由容器上盖、爆炸装置、驱动活塞、塞柱、容器内筒、容器主体、支撑杆及底板组成。通过对爆炸装置、驱动活塞和闸板结构的优化设计，可提高阀门的密封速度，缩短阀门的封闭时间。

定位结构单元能够控制闸板运动到预定位置后停止运动，它由阀门底座和防回弹装置组成。阀门底座为闸板运动的预定终止位置，能够阻止闸板继续向下运动；防回弹装置能够防止闸板撞击阀门底座后回弹。如果定位结构单元失去作用，阀门的整体密封体系就会受到破坏，影响阀门的密封效果。

总之，爆炸驱动快速密封阀门结构设计原则是确保密封功能的前提下，封闭速度越快越好。因此，阀门的密封结构单元是核心，驱动结构单元是关键，定位结构单元必不可少，三者相辅相成。

2.2关键参数设计

为确保阀门的密封性能，根据密封内外管道的内径大小选择相应的O型密封圈，设计密封圈的压缩率为20%～30%。阀门封闭过程是通过炸药爆炸推动活塞和闸板来实现，因此，增大药量、减小驱动活塞与闸板的质量，可提高闸板的运动速度，缩短阀门封闭时间。药量越大，产生的驱动力越大，阀门封闭的速度就越快。但是当爆炸冲击力过大时，可能会使闸板结构发生变形或遭到破坏，影响阀门的密封性能。因此需要选择低密度高强度的闸板材料，提高闸板抗冲击能力。因此，在不破坏闸板结构和阀门密封性能的条件下，适当增大药量，以提高阀门的封闭速度。

瞬态爆轰驱动模型是求解较复杂驱动问题近似解的有效工具。文献[8]给出的刚性侧面约束接触爆炸对刚性底面总冲量I的计算公式为

(1)

式中，m为装药质量，g;D为炸药爆轰速度, m·s-1。

假如闸板完成封闭路程为s，闸板和驱动活塞总质量为mtot，在不考虑摩擦力的情况下，阀门封闭时间t与装药质量m的关系可以用式(2)表示：

(2)

假定s为50 mm，mtot为500 g，D为7 km·s-1，在忽略摩擦力的情况下，如果阀门封闭时间在0.5 ms之内，那么所需装药质量应不小于24 g。

3 实验结果及分析

利用电探针法和激光多普勒位移干涉仪法[9]对直径φ为20 mm的密封管道阀门的封闭时间进行了测试对比，测试系统如图3所示。RDX炸药装药质量m为25 g。电探针法测试方法是由GPS同步控制起爆系统给定绝对零时，利用探针1测试雷管起爆时刻；探针2安置在阀门底座上表面，当闸板向下运动碰撞到阀门底座时，探针2导通，时间间隔测量仪给出一个脉冲信号输入记录仪器，可获得闸板封闭时刻，该时刻与绝对零时的差即为阀门封闭时间。利用电探针法测试阀门封闭时间简单有效，但该方法只能测量得到阀板运动的封闭时刻。激光多普勒位移干涉仪法是通过安装在阀门底座下的激光发射接收探头，发出一束激光穿过阀门底座中心圆孔照射到闸板下端面，激光经过端面反射后被探头接收，当闸板向下运动时，因多普勒效应反射激光的频率发生变化，通过激光多普勒位移干涉仪检测出反射激光的频移量，经转换后可得到闸板的速度和位移历程。利用激光多普勒位移干涉仪法既可以得到阀门的封闭时间，又能够根据测试结果分析在爆炸冲击作用下，闸板的受力情况及整个运动状态，从而优化阀门的结构设计。

图3 阀门封闭时间测试系统示意图Fig.3Schematic of testing system for gate valve closure

图4给出了利用电探针法测出的阀门封闭时间波形，瞬发雷管延迟时间为9.3 μs，阀门封闭时间为808 μs。

图5为采用短时傅里叶变换(STFT)计算得到的时频图，信号采样率为1.25 GS·s-1，频谱分析离散点数为1 024。图中较亮的幅值脊表示反射激光多普勒频移量随时间的变化规律，将幅值脊对应的信息提取出来，可以换算得到闸板下端面的速度历程和闸板下端面的位移历程，分别如图6和图7所示。

图4 利用电探针法测出的阀门封闭时间Fig.4Closure time of gate valve tested by electric probe

图5 短时傅里叶变换计算得到的时频图Fig.5Time-frequency spectrogram performed with STFT

图6 激光多普勒干涉仪测量得到的闸板速度历程Fig.6Velocity of flashboard got from LDDI

从图6可以看出:闸板下端面的速度变化过程可以分为4个阶段：第1阶段为保持静止阶段，时长约70 μs；第2阶段为加速阶段，速度从0增加到最大值80 m·s-1；第3阶段为速度振荡阶段，是一个逐渐降低的速度振荡变化过程，周期约为54 μs；第4阶段为减速阶段，速度急剧降至0。

图7 激光多普勒干涉仪测量得到的闸板位移历程Fig.7Displacement of flashboard got from LDDI

分析闸板的受力情况和闸板下端面的速度历程，可以看出：闸板下端面从零时到开始运动的时间为雷管延迟时间、炸药爆轰时间和应力波从驱动活塞上端面传播到闸板下端面的时间之和。雷管延迟时间约为9.3 μs；长度为50 mm的RDX炸药爆轰时间，经计算约为7.1 μs；驱动活塞和闸板总长为255 mm，假定应力波在金属中传播速度为5 km·s-1，计算得到应力波传播时间为51 μs，三者时间之和为67.4 μs。与测试得到的时间70 μs基本一致。

闸板速度变化的第2阶段为闸板加速阶段。从图6中可看出，闸板几乎是匀加速运动直到速度最大值，表明这段时间闸板受到的持续推动力基本不变。

闸板速度变化的第3阶段是速度振荡阶段，这是一个逐渐降低的速度振荡变化过程，周期约为54 μs。闸板长度为131 mm，计算得到应力波在闸板两端反射传播周期为52.4 μs，与测试结果基本一致。因此，速度周期性变化是应力波在闸板上下端来回反射产生的。闸板的速度逐渐降低表明，闸板受到的推动力小于所受摩擦力。图8为驱动活塞与容器内筒实验后局部图。从图8可以看出，实验后，驱动活塞上端和容器内筒紧紧黏贴在一起。这表明在炸药冲击作用下，驱动活塞上端发生了膨胀变形，变形量超过了驱动活塞和容器内筒之间的滑动间隙，因此，在相对运动过程中产生的摩擦力，阻碍了驱动活塞的运动，降低了活塞对闸板的推动作用。当摩擦力大于爆炸产物对驱动活塞的持续驱动力时，闸板速度逐渐降低。利用阀门的实验参数和式(2)计算，得到阀门封闭时间约为500 μs，这与实测的阀门封闭时间800 μs相差较大，这表明，爆炸后产生的摩擦力对阀门封闭时间影响很大。因此，需要对驱动活塞结构和密封容器内筒间的匹配关系进行优化设计，减少甚至完全消除摩擦力，提高闸板封闭速度，减少阀门封闭时间。

图8 实验后驱动活塞与容器内筒局部图Fig.8Local structure of driven piston and inner vessel after test

闸板速度变化的第4阶段为减速阶段，速度急剧降低直至为0。测试结果还表明，阀门中的定位结构和防回弹结构实现了设计功能，当闸板运动到达预定位置时，会快速停止，不再上下运动。

从图7可以看出：闸板运动位移为47 mm时，阀门封闭时间约为800 μs，这与利用电探针法测到阀门封闭时间808 μs相当。闸板又向下运动5 mm，这与闸板防回弹结构中的设计距离5 mm完全吻合，这表明利用激光多普勒位移干涉测试技术测试闸板运动历程的方法是合理的，测试数据准确。

利用真空-氦罩法检测阀门封闭后的密封效果，将阀门内外通道分别连接真空检漏仪，抽气30 min，保持近似真空，然后对阀门整体包氦罩并持续20 min，分别检测阀门内外两侧的密封效果。实验结果表明: 阀门的泄漏率小于10-10Pa·m3·s-1。

4 结论

利用爆炸驱动技术研制了一种快速密封阀门, 可以实现对直径为20 mm管道的有效密封。测试结果表明：阀门的封闭时间为0.8 ms，泄漏率小于10-10Pa·m3·s-1。通过修改阀门相应的结构尺寸， 可以满足不同直径的管道密封工程的需求。下一步通过优化驱动活塞和密封容器内筒结构设计，减小或消除闸板运动时受到的较大摩擦力，进一步缩短阀门的封闭时间。

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Development of an Explosion Driven Fast-Acting Gate Valve

HU Hua-quan,YANG Jun,YU Qin,MA Yan-jun,ZHANG De-zhi

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China)

A fast-acting gate valve is developed based on the explosion driven technology. The gate valve is composed of a sealing structure, a driving structure, and a positioning structure. The gate valve has two O-rings fixed between valve body and flashboard, and an anti-rebounding structure which could prevent the flashboard hitting the base of valve. With the electric contact probe and laser Doppler displacement interferometer, we measured the closing time of the valve, the velocities and displacements of the flashboard, and the leakage rate of the valve. The results show that the closing time of valve is 0.8 ms, and the leakage rate is less than 10-10Pa·m3·s-1.

explosion driven;fast-acting gate valve;leakage rate

2016-04-21；

2016-11-10

胡华权(1976- )，男，重庆忠县人，助理研究员，硕士，主要从事爆炸力学研究。

E-mail：huhuaquan@nint.ac.cn

O383.3

A

2095-6223(2016)041001(5)