耐火型穿地通風密閉閥的設計與分析

時間：2026/1/5閱讀：321

　　摘要：

　　耐火型穿地通風密閉閥是核能、化工等行業的關鍵組件，對防止有害物質泄漏和火勢蔓延至關重要。根據國內外研究進展，指出現有設計在高溫和高壓下的局限性，提出一種新型耐火型密閉閥。該設計采用內部多連桿結構與耐高溫密封材料，并利用ANSYS軟件進行蠕變分析，驗證蝶板在高溫環境下的穩定性。耐火實驗測試結果表明，新設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，泄漏量遠低于規定上限。本研究為相關行業提供了更安全可靠的密閉閥解決方案，有效提升了工業安全標準并促進了環境保護。

　　關鍵詞：耐火型穿地通風密閉閥；蠕變分析；耐火測試

　　概述

　　在核能、化工、制藥等關鍵行業，地坑式凈化裝置對于管理和控制有害氣體排放發揮著重要作用，裝置的高效運行直接關系到環境安全和公共健康。作為地坑式凈化系統中的核心組件，耐火型穿地通風密閉閥在正常操作和緊急情況下均發揮著關鍵作用，不僅在常規運行中確保密閉性，防止有害物質如放射性氣溶膠的泄漏，還在火災等緊急情況下，作為阻止火勢蔓延的防火屏障，保障整個系統的安全性。因此，針對耐火型穿地通風密閉閥進行深入研究和性能優化，對于提升工業安全標準、保護環境和人員健康，以及推動技術進步具有重要意義。

　　在范圍內，耐火型穿地通風密閉閥的研究重點在于提升其耐火性能和密封性。研究學者致力于開發新材料和創新結構設計，以增強閥門在高溫條件下的穩定性和耐久性。同時，通過運用的數值模擬技術，如ANSYS Workbench，對閥門的密封性能進行深入分析和優化，旨在實現極低泄漏率的目標。在國內，耐火型穿地通風密閉閥的研究同樣受到重視，研究焦點包括閥門的結構優化、材料選擇以及密封機制的改進。特別是在核電領域，閥門的可靠性和安全性成為研究的核心。國內學者通過實驗和模擬分析，探索閥門在高溫、高壓和腐蝕性介質中的性能表現，以及在火災等條件下的耐火性能。

　　盡管國內外在耐火型穿地通風密閉閥的研究上已取得一定進展，但仍面臨技術挑戰。尤其是在火災情況下，閥門的軸和旋臂需承受高溫和沖擊，增加了故障風險，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域，故改變了氣流方向(見圖1)，但這種設計無法承受雙向壓力，且在常溫下實現零泄漏僅能承受約1000 Pa的壓力，遠低于實際所需的4000 Pa密封壓力標準。此外，保持閥門在高溫條件下的密封性能也是一個技術難題，需要進一步的研究和技術創新。

(a) (b)

　　(a)氣流從右到左 (b)氣流從左到右

　　圖1 國內耐火型穿地通風密閉閥結構示意

　　隨著核電和鋼鐵產業的發展，耐火型穿地通風密閉閥在輸送管道系統中的作用日益凸顯，其性能直接關系到整個系統的安全性與可靠性。在高溫環境中，蝶板可能會經歷應力松弛，嚴重時可能導致密封性能喪失，對設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密閉閥進行蠕變分析，以驗證并確保其在高溫工作條件下的穩定性能，保障系統的長期安全運行；最后，通過實驗驗證計算方法的可行性，為耐火型穿地通風密閉閥的設計和應用提供科學依據。

　　產品結構設計

　　2.1 結構介紹

　　本研究開發的耐火型穿地通風密閉閥(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鍵部件構成，具體見圖2。在設計上，確保蝶板與閥體之間形成一道完整的密封面，實現密封；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標準下的耐火測試，即在1500 Pa的壓差條件下，保持2小時內的泄漏量低于86.4 m3/(m2·h)，常溫時在4000 Pa壓力下實現零泄漏的性能指標。該閥的核心性能參數包括：安全等級達到RS標準，抗震性能歸為I類，抗震標準符合1A要求，質量保證等級為QA2，設計承受壓力高達6000 Pa，設計工作溫度為65 ℃，且適用于空氣介質(可承受10 kGy的輻照劑量)。

圖2 耐火型穿地通風密閉閥閥體結構示意圖

　　2.2 設計原理

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

　　當火災發生時，火焰通常會順著氣流方向擴散。在這種緊急情況下，密閉閥迅速關閉，形成一道堅固的屏障。即使位于耐火區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，能夠繼續執行關閉蝶板的操作，故確保了背火區的安全不受火災影響。

　　這種設計不僅提高了密閉閥在火災情況下的可靠性，還增強了整個系統的安全性。通過將操作部件隔離在不同區域，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，從而保護背火區及人員與設備的安全。這種創新的設計思路為耐火型穿地通風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

　　本文所設計的密閉閥采用精密的操作機構，通過驅動軸的旋轉來聯動主旋臂和輔助旋臂，實現對蝶板的精確控制。這一控制機制包括兩個關鍵動作：平移和90°旋轉。

　　(1)平移控制

　　操作機構通過驅動軸的旋轉帶動主旋臂進行線性運動，即平移。這一平移動作使蝶板在閥體內部沿軸線方向進行精確的位置調整，確保蝶板與閥座之間的接觸位置準確無誤。

　　(2)90°旋轉控制

　　在平移的基礎上，操作機構進一步通過輔助旋臂實現蝶板的90°旋轉。這種旋轉動作是蝶板開關的關鍵，確保蝶板能夠從開啟狀態平滑過渡到關閉狀態，或者反之。通過精確控制旋轉角度，保證蝶板在關閉時與閥座形成密封面，實現零泄漏的目標。

　　這種復合運動控制機制不僅提高了蝶板動作的精確性和可靠性，還增強了密閉閥的操作靈活性。通過精確調控蝶板的平移與旋轉，確保在各種工況下，蝶板均能迅速而準確地響應操作指令，實現高效密封。這種設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。

　　蠕變分析

　　蠕變現象描述了材料在持續應力作用下，即使應力未超出其屈服點，也會隨時間推移而逐漸發生塑性變形。盡管所有材料都會經歷蠕變，但在高溫環境中，這一現象尤為明顯，這是由于高溫環境加快了材料內部微觀結構的演變。對于耐火型穿地通風密閉閥這類在高溫條件下運行的設備，蠕變理論的應用至關重要。蠕變理論能夠預測和評估在持續高溫和應力條件下密閉閥材料的性能變化和長期穩定性，基于此設計出更為安全、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構完整性。這種深入的理論支持和精確的設計計算，對于保障密閉閥在關鍵工業應用中的耐用性和安全性至關重要。

　　3.1 蠕變模型選擇

　　為了滿足GB 15930標準下的耐火測試要求，本模型設計承受1500 Pa的壓差，并確保在2小時內的泄漏量不超過86.4 m3/(m2·h)。在此條件下，模型設定在600 ℃的高溫下進行時間硬化隱式蠕變分析。選擇此溫度的原因在于，模型機的材質為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，目前尚未對模型機在800 ℃或更高溫度下進行額外的實驗驗證，也未能獲得該溫度范圍內的蠕變實驗數據。此外，公開資料中也缺乏304L不銹鋼在800 ℃至1000 ℃溫度區間的蠕變特性方程。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，以模擬和預測材料行為，表達式如下：

(1)

式中 ζ——蠕變應變(或蠕變應變速率)

　　σ——施加的恒定應力，MPa

　　t——載荷作用時間，h

　　T——溫度，K

　　此方程為當前研究提供了一定的科學基礎，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據空白，通過實驗研究獲取304L不銹鋼在更高溫度下的蠕變特性，以便更準確地預測和評估耐火型穿地通風密閉閥在條件下的性能。

　　3.2 判斷準則

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

圖3 蝶板密封性能設計流程圖

　　首先，對蝶板在預期工作溫度范圍內的變形量進行詳細評估，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。

　　其次，對蝶板在不同溫度下的材料強度進行校核，包括對蝶板材料在高溫下的屈服強度、抗拉強度及其他相關的力學性能參數的評估。通過強度校核，確保蝶板在高溫環境下不僅能夠保持其密封性能，還能承受內部壓力和外部環境所帶來的機械應力。

　　綜上所述，本設計不僅關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度特性。通過綜合分析，優化蝶板的設計，確保耐火型穿地通風密閉閥在高溫環境下的可靠性和安全性，并滿足工業應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行分析計算，選取的材料為304L不銹鋼。該材質在不同溫度下的熱膨脹系數遵循特定的變化曲線，如圖4所示。分析計算分為四個階段，每個階段對應不同的時間和分析參數設置。

　　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，該步驟主要用于捕捉蝶板在瞬時加載下的響應。

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

　　第三階段(480~2700 s)：此階段繼續進行蠕變分析，進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，繼續進行蠕變分析，評估蝶板在整個高溫暴露期間的穩定性和耐久性。

圖4 304L材料線熱膨脹系數曲線

　　溫度對蝶板的作用同樣遵循GB/T 9978.1-2008《建筑構件耐火試驗方法》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，模型能夠細致地捕捉蝶板在不同條件下的行為，從而為設計提供可靠的數據支持，并有助于蝶板在高溫環境下的性能滿足工業應用中的嚴格要求，尤其是耐火型穿地通風密閉閥這類關鍵組件。

　　3.4 結果與分析

　　圖6~圖9為蠕變分析的結果，對比了輔助旋臂是否損壞兩種情況下的分析結果，特別關注了蝶板在長達兩小時(7200 s)高溫暴露后的性能指標。

　　在對蝶板應力分析時，發現在輔助旋臂未受損害的條件下，蝶板承受的應力為15.2 MPa，而輔助旋臂損壞的蝶板應力為14.81 MPa，結果詳見圖6。該應力水平顯著低于304L不銹鋼的屈服強度，確保了蝶板在高溫環境中的結構穩定性和安全性。具體而言，各溫度階段的等效應力值均未超出304L不銹鋼的許用應力范圍，具體數據如圖7所示，表明在持續的高溫作用下，蝶板能夠維持其結構的完整性，并具備充足的安全余量以應對可能的應力挑戰(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，該蝶板的設計是可靠的，能夠滿足耐火型穿地通風密閉閥在嚴苛環境下的長期運行要求。

(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力分布云圖

圖7 各溫度時間段的等效應力值

　　在對蝶板進行變形量分析時，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。該結果表明蝶板與密封件之間的密封性能在高溫環境下不會因過度變形而受到影響，維持了系統的整體密封性和可靠性。因此，在條件下該蝶板的設計仍能有效防止泄漏，保證耐火型穿地通風密閉閥的正常運行。

(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，蝶板材料會發生持續的塑性變形，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定。

圖10 不同溫度下304L等效蠕變應變曲線

　　耐火實驗測試

　　為了對理論計算結果進行驗證，確保耐火型穿地通風密閉閥Ф400規格樣機的耐火性能符合預期，對該樣機進行了全面的耐火性能測試，兩臺樣機的測試系統如圖11所示。

(a) (b)

　　(a)耐火試驗系統 (b)耐火試驗現場

　　圖11 兩臺樣機耐火試驗系統及現場圖

　　測試嚴格按照GB 15930標準執行，在1500 Pa的壓差條件下進行，模擬高溫環境下密閉閥的工作狀態。泄漏裝置(即流量測試)滿足GB/T 1236標準，在長達2小時的耐火性能測試中，記錄到泄漏量為33 m3/(m2·h)，遠低于規定的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)，達到低泄漏閥要求，相關數據如圖12所示。

圖12 兩臺樣機在耐火試驗過程中的泄漏值

　　測試結果表明，在高溫和高壓條件下，Ф400規格的耐火型穿地通風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。該測試結果進一步驗證了理論計算的準確性及密閉閥設計的安全性與可靠性，為密閉閥在實際工程中的應用提供了有力的支持。盡管測試結果滿足相關要求，但應持續監測密閉閥的性能，根據測試反饋進行必要的設計優化，以確保產品在各種工況下均能保持標準的耐火性能。

　　綜上所述，耐火性能測試結果為設計提供了寶貴的實測數據，證實了耐火型穿地通風密閉閥設計的合理性和有效性，為產品的進一步開發和應用奠定了堅實的基礎。

　　結語

　　本文設計了一種新型耐火型穿地通風密閉閥，該閥能夠在高溫和壓力條件下維持其密封性能。通過結構設計、蠕變分析和耐火實驗測試，驗證了該密閉閥在高溫環境下的可靠性和安全性，并揭示了該結構在高溫環境下的性能表現。隨著時間推移，蝶板變形量逐漸增大，而耐火試驗數據表明蝶板泄漏量逐漸減小，證明該結構在高溫高壓環境下更有利于閉合，有效解決了在高溫條件下保持閥門密封性能的技術挑戰。

　　這項研究不僅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提供了一種高性能的耐火型密閉閥解決方案。未來應進一步優化設計、降低成本及擴展應用范圍，以滿足更廣泛的工業需求。通過持續的技術創新和實驗驗證，耐火型穿地通風密閉閥將在保障工業安全和環境保護方面發揮更加重要的作用。

耐火型穿地通風密閉閥的設計與分析

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