核行业双盖密封转运装置的设计与有限元分析

樊开霄

（中核四〇四有限公司第二项目部，甘肃嘉峪关 735100）

0 引言

物料转移是核化工后处理技术的关键过程，贯穿于整个后处理工艺。双盖转运系统在核工业领域中应用广泛，主要用于密封箱室间放射性、有毒物料的转运及放射性与非放射性环境之间的转移，是国外应用较为成熟的物料转移解决方案。目前国内应用几乎完全依靠进口，但进口件价格高、采购周期长，且供应渠道不畅，甚至部分供应商只提供模块化的部件，不零售密封圈等零配件，严重影响了设备的整体交付、使用和维护检修等。随着国际贸易环境的恶化，外购风险性越来越高，双盖密封转运装置（以下简称装置）的安全密封转运研究及零部件全面实现国产化具有重大意义。

1 结构组成

装置主要由转运接口、密封转运桶组成（图1）：转运接口由密封盖、连接法兰和锁紧圈3 部分组成，密封转运桶主要由桶体、桶法兰和桶盖组成。转运接口上的密封盖与密封转运桶的桶盖构成“双盖”结构，在保证各自封闭空间密封性的同时，保证二者外露表面不被放射性气氛沾污的情况下，将热室中的物料转运到密封转运桶中。转运接口平时处于关闭状态，可以保证箱室设备气氛密封，需要进行物料转运操作时，密封转运桶与转运接口对接啮合到位后，由连接法兰和锁紧圈配合，完成密封盖及桶盖的开合。

图1 双盖密封转运装置

2 功能设计

装置既要实现转运功能，又要满足安全密封的要求，如何实现物料的“无泄漏”安全转运是涉核材料处理的核心技术之一。

2.1 安全功能

充分考虑箱室设备内部为有放射性污染的红区，针对装置的安全功能设计了3 组机械锁紧装置，实现装置的安全互锁：①保证密封转运桶没有安装到位的情况下，密封盖不能被打开；②桶上没有桶盖的状态下，密封转运桶不能脱开；③双盖在开启状态下，密封转运桶不能脱开。

（1）机械锁1：密封盖上设计安装门锁组件，门锁组件上设计限位块，锁紧状态时，门锁组件限位块位于锁紧圈的卡槽中，锁紧圈锁紧，此时双盖不能开启。在密封转运桶与转运接口对接时，只有密封盖与桶盖啮合到位，门锁组件才能弹起，从而解锁锁紧圈。反之，如果密封盖未与桶盖啮合到位，门锁组件不能弹起，锁紧圈锁紧，双盖不能开启。

（2）机械锁2：连接法兰上设计安装锁紧组件，在密封盖与桶盖啮合到位状态下，锁紧圈解锁并转动到位，锁紧组件的弹簧被压缩，当锁紧圈转动至极限位置，锁紧组件的反馈轴伸出连接法兰的通孔并露出端部，卡住桶法兰的支耳，锁紧组件将转运接口和密封转运桶完全锁紧，此时密封转运桶不能与转运接口脱开，双盖可以开启。反之，如果锁紧圈未转动到位，密封转运桶未与转运接口完全锁紧，双盖不能开启。

（3）机械锁3：连接法兰上设计安装防转组件，在双盖开启状态下，防转挡块弹出卡住锁紧圈，防止锁紧圈转动，此时密封转运桶与转运接口依然处于锁紧状态，密封转运桶不能与转运接口脱开。防转组件将锁紧圈锁紧，保证双盖关闭过程中密封盖限位销正常落入到锁紧圈的斜槽中。

（4）解锁：物料转移到密封转运桶中后，双盖关闭，防转组件解锁锁紧圈，然后锁紧圈转动，锁紧组件的弹簧回到自然状态，锁紧组件的反馈轴缩回，桶法兰与连接法兰脱开，密封转运桶解锁，转动密封转运桶，使得密封转运桶的桶盖与桶法兰啮合到位，密封转运桶与转运接口解除啮合，门锁组件锁紧锁紧圈，此时可以卸下密封转运桶。

在转运的过程中桶盖上表面，与密封盖下表面没有直接接触污染源，污染气氛始终只是在转运桶与放射性箱室之间传播。

2.2 密封功能

装置在转运前、后和转运过程中，放射性材料都处于密闭的空间内，实现“无泄漏”“无污染”安全转移，故须保证各个阶段均具有良好的密封：①在桶法兰上设计安装伞形结构密封圈，并在桶法兰与桶之间设计安装O 形密封圈，保证了密封转运桶的密封性，即保证桶内放射性污染不泄漏到无放射性污染的环境中；②在密封盖上设计安装伞形结构密封圈，并在连接法兰与热室墙体间设计安装O 形密封圈，保证了转运接口的密封性，即保证热室内的放射性污染不会泄漏到无放射性污染的环境中；③转运接口与密封转运桶的啮合对接时，通过对角伞形结构密封圈设计，保证了转运过程中容器、桶盖、连接法兰、密封盖四者之间的相互密封；④密封圈的弯曲为局部的拉伸和压缩，传统的压缩永久变形需很大的预紧力才能提供足够的形变，不适合装置的工况条件，因此设计成伞形结构。

3 抗震密封性能计算

转运接口材料选用不锈钢，本身强度、刚度较大，地震作用下密封盖与连接法兰间可保证相对位置不发生变化，密封盖本身的密封性基本不受地震作用影响。地震作用下，密封的薄弱环节为连接法兰与箱室壳体密封圈的连接结构，需对此部分进行必要的抗震分析计算。

锁紧螺钉预紧应力是保证O 形圈操作时密封性能的重要前提，预紧力通过连接法兰密封面把O 形圈压紧，O 形圈表面压应力必须达到一定的数值才能使O 形圈变形而压实，压紧面上由于机械加工形成的微隙被填满，形成初始密封条件。密封结构形成初始密封条件后，在工作状态时，介质压力降低了压紧面与O 形圈之间的压紧应力，被压缩的O 形圈回弹对分离进行补偿。如果O 形圈的回弹能力能补偿变形，使密封面压力降到不小于操作压力的m 倍（m 为垫片系数），则法兰压紧面之间能够保持较好的密封状态，否则会发生泄漏。

O 形圈材料采用丁腈橡胶，其弹性模量约7.8 MPa，泊松比为0.47，参考GB/T 150—2011《压力容器》标准，其垫片系数约为2.0。

用ANSYS Workbench 软件建模计算时，只考虑法兰与箱室壳体密封圈的连接结构部分，转运接口的密封门等其他主要部件的质量按等效方法加在法兰上，可以保证地震作用下的效果与真实情况一致。地震载荷采用频谱分析方法进行计算，对设备考虑SL-2（SSE）地震进行计算分析（图2）。

图2 SL-2 地震反应谱曲线

计算方法采用接触分析方法，初始状态下法兰与箱室壳体之间压紧密封圈，可以分析其接触状态，当地震作用时，分析计算密封圈与法兰和箱室壳体的接触状态可以评定是否保证密封效果。由于密封箱室的操作压力一般仅为几百帕，计算所得密封圈接触压力为2.4 MPa，该压力与操作压力的比值远远大于垫片系数，因此地震作用下该密封结构能够保持较好的密封状态。

4 试验验证

4.1 基本功能试验

将密封转运容器与转运接口对接，测试基本功能，双盖开启和关闭的整个过程灵活轻松无卡滞现象。

4.2 安全功能试验

试验密封转运桶在没有完全锁紧的情况下，密封盖不可以打开。试验密封转运桶上没有桶盖的情况下，密封盖不可以打开。试验密封盖开启状态时，密封转运桶不可以脱开。

4.3 密封功能试验

根据标准EJ/T 1096—1999《密封箱室密封性分级及其检验方法》，装置应为3 级密封等级，试验方法采用压力变化法中的负压法，试验设备选用氦质谱检漏仪，对要测试处的密封空间抽真空，将氦气喷至被检设备上，若设备有漏孔，则氦质谱检漏仪会有所反应，从而可知漏孔所在及泄漏率的大小。为保证各个阶段均具有良好的密封，对4 种工况进行了密封性试验，要求泄漏率应＜0.03 Pa·m3/s。

（1）密封盖与桶盖之间的密封性：测量方法为提供一个与产品相同的桶盖作为试验样件，在桶盖上焊接接头并连接氦质谱检漏仪，对区域抽真空，采用喷枪向双盖间密封圈位置喷氦气，其检测结果泄漏率为1.7×10-6Pa·m3/s，满足要求。

（2）测量密封转运桶的密封性：测量方法与（1）类似，采用喷枪向转运桶密封圈位置喷氦气，其检测结果泄漏率为6.8×10-7Pa·m3/s，满足要求。

（3）测量转运接口的密封性：测量方法是设计气密性试验工装，并与3 mm 不锈钢板工装连接，对区域抽真空，采用喷枪向密封盖密封圈位置喷氦气，其检测结果泄漏率为3.6×10-5Pa·m3/s，满足要求。

（4）测量桶与热室法兰之间的密封：测量方法与（3）类似，取消桶盖、密封门及密封门上安装的零件，采用喷枪向转运桶密封圈位置喷氦气，检测结果泄漏率为2.5×10-5Pa·m3/s，满足要求。

5 结论

综上论述，双盖密封转运装置在各工况均能满足安全、密封转运的功能要求，可在核行业后处理工艺中安全应用。