特种水闸门密封性能分析及试验研究

朱 建，汤淋淋，王胜男

（1.江苏雪梅制冷设备有限公司，江苏 泰州 225300；2.硅湖职业技术学院，江苏 昆山 215300；3.昆山市天翔技工学校，江苏 昆山 215300）

0 引 言

核能是一种通过裂变产生的清洁高效能源，具有很高的安全性和经济性。百万级核电站多采用非能动型压水堆核电站，能够保证核电站的可靠性[1-2]。水闸门为核电站机组汽轮机厂房地下廊道水闸门，为了保证地下廊道被水淹没时，用来隔断汽轮机厂房与地下廊道之间的联系，保证水无法漫到核电站机组汽轮机厂房中，保护厂房内设备[3-4]。本文建立了特种水闸门密封结构有限元模型，对水闸门密封性能进行分析研究，通过数值模拟和试验研究两种方法进行密封性能的判断，确定该种结构是否满足密封性能要求，为以后的特种水闸门设计提供参考以及作为同类型特种门可靠性判定的依据。

1 密封性能分析

1.1 前处理

本文先通过Solidworks 软件建立了水闸门的几何模型，在确保计算结构精确性、总体结构和结构危险部位不变的情况下，为了减少计算量，只建立局部密封模型，具体如图1 所示。

图1 水闸门密封结构示意图

1.1.1 材料属性定义

本文计算的特种水闸门所用材料为Q235-B 和橡胶。Q235-B 的弹性模量为210 GPa，泊松比为0.274，密度为 7 830 kg/m3，屈服强度为 235 MPa，抗拉强度为375 MPa；橡胶的弹性模量2.820 MPa，泊松比 μ=0.499 67；橡胶 Mooney-Rivlin 常数 C10=0.293 MPa，C01=0.177 MPa。

1.1.2 接触及载荷的添加

在密封结构中主要是面面接触，这里的面面接触均为绑定接触，具体接触如图2 所示。

图2 水闸门密封处结构接触

在密封结构中只需对门框背面添加固定约束即可，在门扇正面施加5.5 mm 的位移载荷，同样在密封圈的侧边施加0.1 MPa 的压力，如图3 所示。

图3 载荷及边界条件示意图

1.1.3 网格划分

对密封结构进行网格划分，采用六面体网格，网格大小为2 mm，共有9 921 个网格单元，46 652 个节点，其网格模型如图4 所示。

图4 网格模型示意图

1.2 结果分析

密封圈在载荷作用下最大应力为1.89 MPa，主要应力发生在密封圈上，密封圈呈椭圆形变形，门框与门扇上的应力很小，可忽略不计。密封圈接触面上的平均接触应力为0.97 MPa，该值远大于所受到的水压0.10 MPa，密封圈呈椭圆形变形，满足设计要求。

2 密封性试验研究

2.1 试验设备

本次试验为水闸门的密封性试验，主要验证水闸门在9 000 mm 高水注的情况下，门扇与门框四周密封处的密封性能，满足水闸门的泄漏量≤10 L/h。在试验中使用的主要设备、型号及其用途详见表1所示。

表1 试验设备、型号及其用途

2.2 试样规格

根据试验设计及试验要求，确定采用的试样为水闸门原型，其具体尺寸规格为：2 145 mm×1 170 mm×101 mm，主要材料为Q235-B 和45 钢，门的总体质量约为730 kg。试件为门框、门扇、铰链和锁紧系统在内的组合体（不包含电器系统）。表2详述了各部件的构成以及具体规格。

表2 试样规格详述

2.3 试验步骤

（1）将试验底座平放在水平台上并固定好，如图5 所示。

图5 水闸门试验底座安装示意图

（2）吊起试验门框移至底座上方，缓缓放下，并用螺栓将门框固定在底座上。装好斜撑，门框周边均设有密封条，如图6 所示。

图6 水闸门门框安装示意图

（3）吊起门扇，将水闸门装在门框上，启闭无卡滞，转动灵活。关闭状态下，门扇需压紧密封条。

（4）吊起试验水箱移至底座上方，靠紧门框，缓缓放下，用螺栓将水箱固定在底座上，同时与门框连接好，缝隙处打上密封胶。此时，形成一个相对密闭的空间，如图7 所示。

图7 应力分析

图7 水闸门试验水箱安装示意图

（5）吊起注水管移至水箱上方，缓缓放下，用螺栓将法兰连接好，在标高9 000 mm 处设有液位计。

（6）检查各试验部件，安装需到位。

（7）水管置于注水管内，打开水阀，水位上升至标高9 000 mm 处停止供水。

（8）观察门框与水箱连接处的渗水情况。如渗水量大，打开止水阀，排尽水箱内的水。门框与水箱缝隙处打上密封胶，再次注水至标高9 000 mm 处，缝隙处不渗水后才能试验门的渗水情况。

（9）集水槽置于门框下方，收集渗出来的水，试压直至有水出，取出集水槽，如图8 所示。

图8 位移分析

图8 水闸门水密实验图

（10）试验结束后，打开止水阀，排尽水箱内的水。

2.4 结果分析

水闸门在9 m 水深的静压力下保持15 min，未出现泄漏，远小于标准泄漏量10 L/h，且其密封条未出现变形、损坏等现象，试件的使用功能不受影响，因此该水闸门的水密性能符合要求，且水密等级达到 I 级。

3 结 语

本文对水闸门密封结构进行了密封性能分析研究，得到如下结论：（1）密封圈接触面上的平均接触应力为0.97 MPa，该值远大于所受到的水压0.10 MPa，密封圈呈椭圆形变形，满足设计要求；（2）水闸门在9 m 水深的静压力下保持15 min，未出现泄漏，远小于标准泄漏量10 L/h，因此该水闸门的水密性能符合要求。