摘要：
 

　　耐火型穿地通風(fēng)密閉閥是核能、化工等行業(yè)的關(guān)鍵組件，對防止有害物質(zhì)泄漏和火勢蔓延至關(guān)重要。根據(jù)國內(nèi)外研究進(jìn)展，指出現(xiàn)有設(shè)計在高溫和高壓下的局限性，提出一種新型耐火型密閉閥。該設(shè)計采用內(nèi)部多連桿結(jié)構(gòu)與耐高溫密封材料，并利用ANSYS軟件進(jìn)行蠕變分析，驗(yàn)證蝶板在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性。耐火實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，新設(shè)計的密閉閥在高溫和壓力條件下均能保持出色的密封性能，泄漏量遠(yuǎn)低于規(guī)定上限。本研究為相關(guān)行業(yè)提供了更安全可靠的密閉閥解決方案，有效提升了工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)并促進(jìn)了環(huán)境保護(hù)。
 

　　關(guān)鍵詞：  耐火型穿地通風(fēng)密閉閥；蠕變分析；耐火測試
 

　　01
 

　　概述
 

　　在核能、化工、制藥等關(guān)鍵行業(yè)，地坑式凈化裝置對于管理和控制有害氣體排放發(fā)揮著重要作用，裝置的高效運(yùn)行直接關(guān)系到環(huán)境安全和公共健康。作為地坑式凈化系統(tǒng)中的核心組件，耐火型穿地通風(fēng)密閉閥在正常操作和緊急情況下均發(fā)揮著關(guān)鍵作用，不僅在常規(guī)運(yùn)行中確保密閉性，防止有害物質(zhì)如放射性氣溶膠的泄漏，還在火災(zāi)等緊急情況下，作為阻止火勢蔓延的防火屏障，保障整個系統(tǒng)的安全性。因此，針對耐火型穿地通風(fēng)密閉閥進(jìn)行深入研究和性能優(yōu)化，對于提升工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)、保護(hù)環(huán)境和人員健康，以及推動技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。
 

　　在范圍內(nèi)，耐火型穿地通風(fēng)密閉閥的研究重點(diǎn)在于提升其耐火性能和密封性。研究學(xué)者致力于開發(fā)新材料和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計，以增強(qiáng)閥門在高溫條件下的穩(wěn)定性和耐久性。同時，通過運(yùn)用的數(shù)值模擬技術(shù)，如ANSYS Workbench，對閥門的密封性能進(jìn)行深入分析和優(yōu)化，旨在實(shí)現(xiàn)極低泄漏率的目標(biāo)。在國內(nèi)，耐火型穿地通風(fēng)密閉閥的研究同樣受到重視，研究焦點(diǎn)包括閥門的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料選擇以及密封機(jī)制的改進(jìn)。特別是在核電領(lǐng)域，閥門的可靠性和安全性成為研究的核心。國內(nèi)學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)和模擬分析，探索閥門在高溫、高壓和腐蝕性介質(zhì)中的性能表現(xiàn)，以及在火災(zāi)等條件下的耐火性能。
 

　　盡管國內(nèi)外在耐火型穿地通風(fēng)密閉閥的研究上已取得一定進(jìn)展，但仍面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。尤其是在火災(zāi)情況下，閥門的軸和旋臂需承受高溫和沖擊，增加了故障風(fēng)險，影響了閥門的可靠性。某些制造商為了避免軸和旋臂直接暴露于高溫區(qū)域，故改變了氣流方向(見圖1)，但這種設(shè)計無法承受雙向壓力，且在常溫下實(shí)現(xiàn)零泄漏僅能承受約1000 Pa的壓力，遠(yuǎn)低于實(shí)際所需的4000 Pa密封壓力標(biāo)準(zhǔn)。此外，保持閥門在高溫條件下的密封性能也是一個技術(shù)難題，需要進(jìn)一步的研究和技術(shù)創(chuàng)新。
 

(a)                                (b)
 

　　(a)氣流從右到左  (b)氣流從左到右
 

　　圖1  國內(nèi)耐火型穿地通風(fēng)密閉閥結(jié)構(gòu)示意
 

　　隨著核電和鋼鐵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，耐火型穿地通風(fēng)密閉閥在輸送管道系統(tǒng)中的作用日益凸顯，其性能直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全性與可靠性。在高溫環(huán)境中，蝶板可能會經(jīng)歷應(yīng)力松弛，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致密封性能喪失，對設(shè)備的整體密封性能造成重大影響。因此，本研究旨在通過ANSYS Workbench軟件對耐火型穿地通風(fēng)密閉閥進(jìn)行蠕變分析，以驗(yàn)證并確保其在高溫工作條件下的穩(wěn)定性能，保障系統(tǒng)的長期安全運(yùn)行；最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計算方法的可行性，為耐火型穿地通風(fēng)密閉閥的設(shè)計和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。
 

　　02
 

　　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計
 

　　2.1  結(jié)構(gòu)介紹
 

　　本研究開發(fā)的耐火型穿地通風(fēng)密閉閥(以下簡稱密閉閥)原型直徑為400 mm，該閥主要由閥體、蝶板、軸、密封件、旋臂及輔助旋臂等關(guān)鍵部件構(gòu)成，具體見圖2。在設(shè)計上，確保蝶板與閥體之間形成一道完整的密封面，實(shí)現(xiàn)密封；同時，選用能夠承受高于1000 ℃高溫的柔性材料作為密封件，以滿足在GB 15930標(biāo)準(zhǔn)下的耐火測試，即在1500 Pa的壓差條件下，保持2小時內(nèi)的泄漏量低于86.4 m3/(m2·h)，常溫時在4000 Pa壓力下實(shí)現(xiàn)零泄漏的性能指標(biāo)。該閥的核心性能參數(shù)包括：安全等級達(dá)到RS標(biāo)準(zhǔn)，抗震性能歸為I類，抗震標(biāo)準(zhǔn)符合1A要求，質(zhì)量保證等級為QA2，設(shè)計承受壓力高達(dá)6000 Pa，設(shè)計工作溫度為65 ℃，且適用于空氣介質(zhì)(可承受10 kGy的輻照劑量)。
 

圖2  耐火型穿地通風(fēng)密閉閥閥體結(jié)構(gòu)示意圖
 

　　2.2  設(shè)計原理
 

　　本文所設(shè)計的密閉閥在關(guān)閉狀態(tài)下，能夠有效地將閥體兩側(cè)劃分為背火區(qū)和承壓耐火區(qū)。具體來說，軸和主旋臂均布置在相對安全的背火區(qū)，而輔助旋臂則位于直接面對火勢的承壓耐火區(qū)。這種布局是為了在發(fā)生火災(zāi)等緊急情況下能夠確保閥門的關(guān)鍵操作部件不受火焰直接威脅。
 

　　當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，火焰通常會順著氣流方向擴(kuò)散。在這種緊急情況下，密閉閥迅速關(guān)閉，形成一道堅固的屏障。即使位于耐火區(qū)的輔助旋臂或其部件因高溫而受損，但由于主旋臂和軸仍安全地位于背火區(qū)，能夠繼續(xù)執(zhí)行關(guān)閉蝶板的操作，故確保了背火區(qū)的安全不受火災(zāi)影響。
 

　　這種設(shè)計不僅提高了密閉閥在火災(zāi)情況下的可靠性，還增強(qiáng)了整個系統(tǒng)的安全性。通過將操作部件隔離在不同區(qū)域，即使部分部件受損，閥門仍能保持其密封性能，防止火勢和熱量的蔓延，從而保護(hù)背火區(qū)及人員與設(shè)備的安全。這種創(chuàng)新的設(shè)計思路為耐火型穿地通風(fēng)密閉閥的性能提升和安全保障提供了新的解決方案。
 

　　2.3  啟閉動作原理
 

　　本文所設(shè)計的密閉閥采用精密的操作機(jī)構(gòu)，通過驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)來聯(lián)動主旋臂和輔助旋臂，實(shí)現(xiàn)對蝶板的精確控制。這一控制機(jī)制包括兩個關(guān)鍵動作：平移和90°旋轉(zhuǎn)。
 

　　(1)平移控制
 

　　操作機(jī)構(gòu)通過驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)帶動主旋臂進(jìn)行線性運(yùn)動，即平移。這一平移動作使蝶板在閥體內(nèi)部沿軸線方向進(jìn)行精確的位置調(diào)整，確保蝶板與閥座之間的接觸位置準(zhǔn)確無誤。
 

　　(2)90°旋轉(zhuǎn)控制
 

　　在平移的基礎(chǔ)上，操作機(jī)構(gòu)進(jìn)一步通過輔助旋臂實(shí)現(xiàn)蝶板的90°旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)動作是蝶板開關(guān)的關(guān)鍵，確保蝶板能夠從開啟狀態(tài)平滑過渡到關(guān)閉狀態(tài)，或者反之。通過精確控制旋轉(zhuǎn)角度，保證蝶板在關(guān)閉時與閥座形成密封面，實(shí)現(xiàn)零泄漏的目標(biāo)。
 

　　這種復(fù)合運(yùn)動控制機(jī)制不僅提高了蝶板動作的精確性和可靠性，還增強(qiáng)了密閉閥的操作靈活性。通過精確調(diào)控蝶板的平移與旋轉(zhuǎn)，確保在各種工況下，蝶板均能迅速而準(zhǔn)確地響應(yīng)操作指令，實(shí)現(xiàn)高效密封。這種設(shè)計對于提高密閉閥的密封性能和延長其使用壽命具有重要意義。
 

　　03
 

　　蠕變分析
 

　　蠕變現(xiàn)象描述了材料在持續(xù)應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力未超出其屈服點(diǎn)，也會隨時間推移而逐漸發(fā)生塑性變形。盡管所有材料都會經(jīng)歷蠕變，但在高溫環(huán)境中，這一現(xiàn)象尤為明顯，這是由于高溫環(huán)境加快了材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的演變。對于耐火型穿地通風(fēng)密閉閥這類在高溫條件下運(yùn)行的設(shè)備，蠕變理論的應(yīng)用至關(guān)重要。蠕變理論能夠預(yù)測和評估在持續(xù)高溫和應(yīng)力條件下密閉閥材料的性能變化和長期穩(wěn)定性，基于此設(shè)計出更為安全、可靠的密閉閥，確保其在溫度和壓力下仍能保持所需的密封性能和結(jié)構(gòu)完整性。這種深入的理論支持和精確的設(shè)計計算，對于保障密閉閥在關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)用中的耐用性和安全性至關(guān)重要。
 

　　3.1  蠕變模型選擇
 

　　為了滿足GB 15930標(biāo)準(zhǔn)下的耐火測試要求，本模型設(shè)計承受1500 Pa的壓差，并確保在2小時內(nèi)的泄漏量不超過86.4 m3/(m2·h)。在此條件下，模型設(shè)定在600 ℃的高溫下進(jìn)行時間硬化隱式蠕變分析。選擇此溫度的原因在于，模型機(jī)的材質(zhì)為304L不銹鋼，其耐熱極限溫度為800 ℃。由于研究時間和資源的限制，目前尚未對模型機(jī)在800 ℃或更高溫度下進(jìn)行額外的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也未能獲得該溫度范圍內(nèi)的蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，公開資料中也缺乏304L不銹鋼在800 ℃至1000 ℃溫度區(qū)間的蠕變特性方程。因此，本研究參考304不銹鋼在600 ℃下的時間硬化隱式蠕變方程，以模擬和預(yù)測材料行為，表達(dá)式如下：
 

式中  ζ——蠕變應(yīng)變(或蠕變應(yīng)變速率)
 

　　σ——施加的恒定應(yīng)力，MPa
 

　　t——載荷作用時間，h
 

　　T——溫度，K
 

　　此方程為當(dāng)前研究提供了一定的科學(xué)基礎(chǔ)，用以評估304L不銹鋼在高溫條件下的蠕變行為，盡管是在低于極限工作溫度的條件下提出，但未來工作將致力于這一數(shù)據(jù)空白，通過實(shí)驗(yàn)研究獲取304L不銹鋼在更高溫度下的蠕變特性，以便更準(zhǔn)確地預(yù)測和評估耐火型穿地通風(fēng)密閉閥在條件下的性能。
 

　　3.2  判斷準(zhǔn)則
 

　　設(shè)計流程如圖3所示，蝶板與密封件之間的壓縮量設(shè)定為1 mm，這一參數(shù)對于確保閥門在高溫環(huán)境下的密封性能至關(guān)重要。具體而言，在長達(dá)2小時(即7200 s)的高溫暴露期間內(nèi)，蝶板相對于密封件的變形量不超過1 mm，以滿足嚴(yán)格的高溫泄漏控制標(biāo)準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須對蝶板在不同溫度條件下的變形行為進(jìn)行精確的計算和分析。
 

圖3  蝶板密封性能設(shè)計流程圖
 

　　首先，對蝶板在預(yù)期工作溫度范圍內(nèi)的變形量進(jìn)行詳細(xì)評估，包括在正常工作溫度及可能遇到的溫度條件下蝶板材料的熱膨脹和蠕變行為，以預(yù)測蝶板在長時間高溫作用下的變形量，并確保這一變形量在安全范圍內(nèi)。
 

　　其次，對蝶板在不同溫度下的材料強(qiáng)度進(jìn)行校核，包括對蝶板材料在高溫下的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及其他相關(guān)的力學(xué)性能參數(shù)的評估。通過強(qiáng)度校核，確保蝶板在高溫環(huán)境下不僅能夠保持其密封性能，還能承受內(nèi)部壓力和外部環(huán)境所帶來的機(jī)械應(yīng)力。
 

　　綜上所述，本設(shè)計不僅關(guān)注了蝶板與密封件之間的壓縮量，還全面考慮了蝶板在不同溫度條件下的變形和強(qiáng)度特性。通過綜合分析，優(yōu)化蝶板的設(shè)計，確保耐火型穿地通風(fēng)密閉閥在高溫環(huán)境下的可靠性和安全性，并滿足工業(yè)應(yīng)用中的高溫泄漏要求。
 

　　3.3  分析輸入
 

　　本模型專注于對蝶板進(jìn)行分析計算，選取的材料為304L不銹鋼。該材質(zhì)在不同溫度下的熱膨脹系數(shù)遵循特定的變化曲線，如圖4所示。分析計算分為四個階段，每個階段對應(yīng)不同的時間和分析參數(shù)設(shè)置。
 

　　階段(0.1 s)：在此初始階段，模型開啟大變形分析，但不考慮蠕變效應(yīng)，該步驟主要用于捕捉蝶板在瞬時加載下的響應(yīng)。
 

　　第二階段(0.1~480 s)：此階段模型關(guān)閉大變形，開啟蠕變分析，模擬蝶板在持續(xù)應(yīng)力作用下的長期行為，蠕變極限設(shè)置為10。
 

　　第三階段(480~2700 s)：此階段繼續(xù)進(jìn)行蠕變分析，進(jìn)一步觀察蝶板在更長時間尺度下的蠕變行為。
 

　　第四階段(2700~7200 s)：此階段為分析的最后階段，繼續(xù)進(jìn)行蠕變分析，評估蝶板在整個高溫暴露期間的穩(wěn)定性和耐久性。
 

圖4  304L材料線熱膨脹系數(shù)曲線
 

　　溫度對蝶板的作用同樣遵循GB/T 9978.1-2008《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》的溫升曲線，分四個階段輸入模型，即0 s-20 ℃、480 s-720 ℃、2700 s-925 ℃、7200 s-1060 ℃，具體如圖5所示。該曲線完整刻畫了蝶板升溫全過程，為熱膨脹與蠕變耦合模擬提供精確邊界。
 

圖5  溫升曲線
 

　　通過這種分段方法，模型能夠細(xì)致地捕捉蝶板在不同條件下的行為，從而為設(shè)計提供可靠的數(shù)據(jù)支持，并有助于蝶板在高溫環(huán)境下的性能滿足工業(yè)應(yīng)用中的嚴(yán)格要求，尤其是耐火型穿地通風(fēng)密閉閥這類關(guān)鍵組件。
 

　　3.4  結(jié)果與分析
 

　　圖6~圖9為蠕變分析的結(jié)果，對比了輔助旋臂是否損壞兩種情況下的分析結(jié)果，特別關(guān)注了蝶板在長達(dá)兩小時(7200 s)高溫暴露后的性能指標(biāo)。
 

　　在對蝶板應(yīng)力分析時，發(fā)現(xiàn)在輔助旋臂未受損害的條件下，蝶板承受的應(yīng)力為15.2 MPa，而輔助旋臂損壞的蝶板應(yīng)力為14.81 MPa，結(jié)果詳見圖6。該應(yīng)力水平顯著低于304L不銹鋼的屈服強(qiáng)度，確保了蝶板在高溫環(huán)境中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性。具體而言，各溫度階段的等效應(yīng)力值均未超出304L不銹鋼的許用應(yīng)力范圍，具體數(shù)據(jù)如圖7所示，表明在持續(xù)的高溫作用下，蝶板能夠維持其結(jié)構(gòu)的完整性，并具備充足的安全余量以應(yīng)對可能的應(yīng)力挑戰(zhàn)(即使輔助旋臂受損的情況也能滿足)。因此，在高溫工作條件下，該蝶板的設(shè)計是可靠的，能夠滿足耐火型穿地通風(fēng)密閉閥在嚴(yán)苛環(huán)境下的長期運(yùn)行要求。
 

(a)                                (b)
 

　　(a)輔助旋臂完整  (b)輔助旋臂損壞
 

　　圖6  兩種情況下蝶板的等效應(yīng)力分布云圖
 

圖7  各溫度時間段的等效應(yīng)力值
 

　　在對蝶板進(jìn)行變形量分析時，輔助旋臂損壞時的蝶板變形量為0.895 mm(注：此處為值+最小值，不同方向變形量的疊加，即0.256+0.639=0.895 mm)，顯著低于設(shè)計允許的壓縮量1 mm，如圖8所示；此外，各溫度階段的變形量均低于1 mm，如圖9所示。該結(jié)果表明蝶板與密封件之間的密封性能在高溫環(huán)境下不會因過度變形而受到影響，維持了系統(tǒng)的整體密封性和可靠性。因此，在條件下該蝶板的設(shè)計仍能有效防止泄漏，保證耐火型穿地通風(fēng)密閉閥的正常運(yùn)行。
 

(a)                                (b)
 

　　(a)輔助旋臂完整  (b)輔助旋臂損壞
 

　　圖8  兩種情況下蝶板的定向應(yīng)變分布云圖
 

圖9  各溫度時間段的變形量
 

　　由圖10可知，蠕變應(yīng)變隨時間增加而增加，但增速逐漸減小。這一趨勢表明在長期高溫作用下，蝶板材料會發(fā)生持續(xù)的塑性變形，但變形速率隨時間延長而降低，最后材料的蠕變行為將趨于穩(wěn)定。
 

圖10  不同溫度下304L等效蠕變應(yīng)變曲線
 

　　04
 

　　耐火實(shí)驗(yàn)測試
 

　　為了對理論計算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，確保耐火型穿地通風(fēng)密閉閥Ф400規(guī)格樣機(jī)的耐火性能符合預(yù)期，對該樣機(jī)進(jìn)行了全面的耐火性能測試，兩臺樣機(jī)的測試系統(tǒng)如圖11所示。
 

(a)                                (b)
 

　　(a)耐火試驗(yàn)系統(tǒng)  (b)耐火試驗(yàn)現(xiàn)場
 

　　圖11  兩臺樣機(jī)耐火試驗(yàn)系統(tǒng)及現(xiàn)場圖
 

　　測試嚴(yán)格按照GB 15930標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，在1500 Pa的壓差條件下進(jìn)行，模擬高溫環(huán)境下密閉閥的工作狀態(tài)。泄漏裝置(即流量測試)滿足GB/T 1236標(biāo)準(zhǔn)，在長達(dá)2小時的耐火性能測試中，記錄到泄漏量為33 m3/(m2·h)，遠(yuǎn)低于規(guī)定的86.4 m3/(m2·h)泄漏量上限，甚至低于NB/T 20039.2附錄A中的I級泄漏值44.9 m3/(m2·h)，達(dá)到低泄漏閥要求，相關(guān)數(shù)據(jù)如圖12所示。
 

　　測試結(jié)果表明，在高溫和高壓條件下，Ф400規(guī)格的耐火型穿地通風(fēng)密閉閥能夠保持出色的密封性能，泄漏量控制在要求范圍內(nèi)。該測試結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了理論計算的準(zhǔn)確性及密閉閥設(shè)計的安全性與可靠性，為密閉閥在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了有力的支持。盡管測試結(jié)果滿足相關(guān)要求，但應(yīng)持續(xù)監(jiān)測密閉閥的性能，根據(jù)測試反饋進(jìn)行必要的設(shè)計優(yōu)化，以確保產(chǎn)品在各種工況下均能保持標(biāo)準(zhǔn)的耐火性能。
 

　　綜上所述，耐火性能測試結(jié)果為設(shè)計提供了寶貴的實(shí)測數(shù)據(jù)，證實(shí)了耐火型穿地通風(fēng)密閉閥設(shè)計的合理性和有效性，為產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。
 

　　05
 

　　結(jié)語
 

　　本文設(shè)計了一種新型耐火型穿地通風(fēng)密閉閥，該閥能夠在高溫和壓力條件下維持其密封性能。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、蠕變分析和耐火實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證了該密閉閥在高溫環(huán)境下的可靠性和安全性，并揭示了該結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下的性能表現(xiàn)。隨著時間推移，蝶板變形量逐漸增大，而耐火試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明蝶板泄漏量逐漸減小，證明該結(jié)構(gòu)在高溫高壓環(huán)境下更有利于閉合，有效解決了在高溫條件下保持閥門密封性能的技術(shù)挑戰(zhàn)。
 

　　這項(xiàng)研究不僅304L不銹鋼在高溫蠕變特性研究的空白，還為核電和化工等行業(yè)提供了一種高性能的耐火型密閉閥解決方案。未來應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計、降低成本及擴(kuò)展應(yīng)用范圍，以滿足更廣泛的工業(yè)需求。通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，耐火型穿地通風(fēng)密閉閥將在保障工業(yè)安全和環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮更加重要的作用。