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用水闸门结构设计研究

摘要:为了适应三代核电站技术及更先进堆型的核电站发展需要,设计了能够承受水冲击压力为1MPa的水闸门,对水闸门的总体结构、门框结构、门扇结构、铰链结构和启闭锁紧机构进行了详细设计,确保水闸门能将换料水池一分为二并实现密封,保证构件池可以维持满水状态以屏蔽上部堆内构件及堆内核测仪表的放射性剂量。

关键词:核电站;水闸门;结构设计

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[1-4]。水核电站安全壳厂房的换料水池分为构件池与反应堆水池两部分。构件池中安装有堆内构件存放架,反应堆水池安装有反应堆压力容器。参考国内其他核电站的运行经验,反应堆卸料和装料期间,需要在水位低于压力容器法兰面条件下进行部分检修工作。水闸门的功能是将换料水池一分为二并实现密封,保证构件池可以维持满水状态以屏蔽上部堆内构件及堆内核测仪表的放射性剂量[5-6]。

1设计要求

大型安全屏蔽门设计要求包括机械运行性能和压力要求,具体要求为:(1)水闸门规格为2145mm(长)×1170mm(宽)×120mm(厚);(2)水闸门主要材料为Q235-B和45钢;(3)启闭锁紧机构能够平稳运行;(4)能够承受1MPa水冲击压力。

2水闸门总体结构设计

如图1所示,核电站用水闸门主要有3个部分组成,分别是门框、门扇和启闭锁紧机构。该水闸门采用外开式打开方式,水闸门为常开状态,但是在紧急状况下,要迅速关闭水闸门起到防水效果。门上通过上下2个铰链安装在门框上,水闸门的启闭与锁紧均通过连杆机构实现,且为纯机械式。启闭锁紧机构安装在门扇上,采用多连杆方式进行传动,连杆头部安装有与门框销孔配合的锁销,二者相互配合实现锁紧。1.门框2.门扇3.启闭锁紧机构4.铰链5.手轮2.1主体结构设计。水闸门的主体结构为门框和门扇。门框的材料为Q235-B,其结构形式为常见的长方形,如图2(a)所示。门框安装在墙体内部,上门框通过3个螺钉固定,左右门框分别通过5个螺钉固定,且门框与墙体接触处进行二次浇注以保证门框在受到压力时不会脱落。门框规格为2145mm(长)×1170mm(宽)×120mm(厚)。门框通过4根矩形钢焊接而成,门框4个侧面成45°,比传统焊接成90°的形式更加牢靠。在门框的左右两侧分别开有3个销孔用来和锁销配合,且3个销孔均布在门框上,左右销孔对称分布。门框的一侧安装有上下2个铰链,用于连接门扇。门扇框架是屏蔽门结构中最重要的结构。水闸门门扇一共分为2层,一层为钢板,一层为由矩形钢焊接而成的骨架结构,且框架结构与钢板连接为一体。门扇的选用形式,在水压不超过2.5MPa时,经常采用平面状;当水压为2.5~3MPa时,经常采用扁壳状或球壳状。由于水闸门承受的水压较小,小于2.5MPa,因此为了降低水闸门总重、材料费用和门扇的厚度,采用平板结构而非球壳结构。钢板材料为45钢,厚度为60mm;骨架材料为Q235-B,厚度为60mm。骨架由7根横向矩形钢和6根竖向矩形钢焊接而成,如图2(b)所示。采用矩形钢焊接而成的门扇框架在保证门扇的抗弯强度的基础上同样可以减轻门扇的质量,降低材料费用。此外,为了提高水闸门的使用寿命,需要对门扇进行防腐处理,通常采用在外表面镀上一层锌膜的方式[7-8]。2.2门扇铰链结构设计。铰链是连接门扇与门框的重要部件,其结构如图3所示。它的作用是为门扇的启闭提供转动支点以及为门扇与门框提供定位,防止水闸门无法闭合,或者闭合后,门扇与门框之间留有过大的间隙。此处采用上下2个铰链,因为采用双铰链可以保证连接的可靠性,同时能够防止水闸门在受到压力时,门扇与门框的配合出现偏移;此外,采用双铰链可以分散门扇的质量,这样既能保证门扇的灵活转动,又能够延长铰链中滚动轴承的使用寿命[9]。1.轴套2.垫圈3.销4.滚动轴承5.轴2.3启闭锁紧机构结构设计。如图4所示,启闭锁紧机构由手轮、转轮、齿轮、连杆、伸缩杆和锁销组成。手轮安装在门扇中间,手轮与齿轮配合,3个转轮分别安装在门扇的上中下3个位置,且与齿轮在一条直线上;上下2个转轮分别连接有2个连杆和1个伸缩杆,中间转轮连接有3个连杆和1个伸缩杆;6个锁销均安装在连杆的端部。其工作过程如下:手轮转动带动齿轮转动;当齿轮转动时,通过连接的伸缩杆和连杆带动3个转轮同步转动,最终促使连杆端部的锁销左右移动,实现启闭锁紧[10]。

3结语

为了确保换料水池可以一分为二并实现密封,保证构件池可以维持满水状态以屏蔽上部堆内构件及堆内核测仪表的放射性剂量,在换料水池中安装水闸门是必不可少的。本文对水闸门进行了总体结构、门框结构、门扇结构、铰链结构和启闭锁紧机构设计,确保水闸门满足机械运行性能和压力要求。

参考文献:

[1]周跃民,王明利.先进压水堆关键技术研究与开发[J].核动力工程,2002(1):1-4.

[2]张森如.先进压水堆核电站关键技术研究开发综述[J].核动力工程,2002(S1):1-6.

[3]臧明昌.第三代核电和西屋公司AP1000评述[J].核科学与工程,2005,25(2):106-155.

[4]西屋电气公司.西屋公司的AP1000先进非能动型核电厂[M].现代电力,2006,23(5):55-65.

[5]于志成.AP1000核电机组增加换料水池水闸门必要性分析[J].科技视界,2016(9):29-30.

[6]朱雪锋.水闸门分段式设计[J].机械工程师,2016(6):63-64.

[7]汤淋淋,贺强,张善文,等.核电站用大型安全屏蔽门结构设计[J].机械工程与自动化,2017(4):83-84.

[8]郑鹏,马晴川.大型钢析架结构设计与分析[J].机械工程与自动化,2016(5):102-103.

[9]闻邦椿.机械设计手册[M].机械工业版社,2010.[10]濮良贵.机械设计[M].高等教育出版社,2010.

作者:卢菲菲 张善文 汤淋淋 张海军 单位:1.扬州大学机械工程学院 2.江苏金秋竹集团有限公司

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