用水閘門結構設計研究

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摘要：為了適應三代核電站技術及更先進堆型的核電站發展需要，設計了能夠承受水沖擊壓力為1MPa的水閘門，對水閘門的總體結構、門框結構、門扇結構、鉸鏈結構和啟閉鎖緊機構進行了詳細設計，確保水閘門能將換料水池一分為二并實現密封，保證構件池可以維持滿水狀態以屏蔽上部堆內構件及堆內核測儀表的放射性劑量。

關鍵詞：核電站；水閘門；結構設計

核能是一種通過裂變產生的清潔高效能源，具有很高的安全性和經濟性。百萬級核電站多采用非能動型壓水堆核電站，能夠保證核電站的可靠性[1-4]。水核電站安全殼廠房的換料水池分為構件池與反應堆水池兩部分。構件池中安裝有堆內構件存放架，反應堆水池安裝有反應堆壓力容器。參考國內其他核電站的運行經驗，反應堆卸料和裝料期間，需要在水位低于壓力容器法蘭面條件下進行部分檢修工作。水閘門的功能是將換料水池一分為二并實現密封，保證構件池可以維持滿水狀態以屏蔽上部堆內構件及堆內核測儀表的放射性劑量[5-6]。

1設計要求

大型安全屏蔽門設計要求包括機械運行性能和壓力要求，具體要求為：（1）水閘門規格為2145mm（長）×1170mm（寬）×120mm（厚）；（2）水閘門主要材料為Q235-B和45鋼；（3）啟閉鎖緊機構能夠平穩運行；（4）能夠承受1MPa水沖擊壓力。

2水閘門總體結構設計

如圖1所示，核電站用水閘門主要有3個部分組成，分別是門框、門扇和啟閉鎖緊機構。該水閘門采用外開式打開方式，水閘門為常開狀態，但是在緊急狀況下，要迅速關閉水閘門起到防水效果。門上通過上下2個鉸鏈安裝在門框上，水閘門的啟閉與鎖緊均通過連桿機構實現，且為純機械式。啟閉鎖緊機構安裝在門扇上，采用多連桿方式進行傳動，連桿頭部安裝有與門框銷孔配合的鎖銷，二者相互配合實現鎖緊。1.門框2.門扇3.啟閉鎖緊機構4.鉸鏈5.手輪2.1主體結構設計。水閘門的主體結構為門框和門扇。門框的材料為Q235-B，其結構形式為常見的長方形，如圖2（a）所示。門框安裝在墻體內部，上門框通過3個螺釘固定，左右門框分別通過5個螺釘固定，且門框與墻體接觸處進行二次澆注以保證門框在受到壓力時不會脫落。門框規格為2145mm（長）×1170mm（寬）×120mm（厚）。門框通過4根矩形鋼焊接而成，門框4個側面成45°，比傳統焊接成90°的形式更加牢靠。在門框的左右兩側分別開有3個銷孔用來和鎖銷配合，且3個銷孔均布在門框上，左右銷孔對稱分布。門框的一側安裝有上下2個鉸鏈，用于連接門扇。門扇框架是屏蔽門結構中最重要的結構。水閘門門扇一共分為2層，一層為鋼板，一層為由矩形鋼焊接而成的骨架結構，且框架結構與鋼板連接為一體。門扇的選用形式，在水壓不超過2.5MPa時，經常采用平面狀；當水壓為2.5～3MPa時，經常采用扁殼狀或球殼狀。由于水閘門承受的水壓較小，小于2.5MPa，因此為了降低水閘門總重、材料費用和門扇的厚度，采用平板結構而非球殼結構。鋼板材料為45鋼，厚度為60mm；骨架材料為Q235-B，厚度為60mm。骨架由7根橫向矩形鋼和6根豎向矩形鋼焊接而成，如圖2（b）所示。采用矩形鋼焊接而成的門扇框架在保證門扇的抗彎強度的基礎上同樣可以減輕門扇的質量，降低材料費用。此外，為了提高水閘門的使用壽命，需要對門扇進行防腐處理，通常采用在外表面鍍上一層鋅膜的方式[7-8]。2.2門扇鉸鏈結構設計。鉸鏈是連接門扇與門框的重要部件，其結構如圖3所示。它的作用是為門扇的啟閉提供轉動支點以及為門扇與門框提供定位，防止水閘門無法閉合，或者閉合后，門扇與門框之間留有過大的間隙。此處采用上下2個鉸鏈，因為采用雙鉸鏈可以保證連接的可靠性，同時能夠防止水閘門在受到壓力時，門扇與門框的配合出現偏移；此外，采用雙鉸鏈可以分散門扇的質量，這樣既能保證門扇的靈活轉動，又能夠延長鉸鏈中滾動軸承的使用壽命[9]。1.軸套2.墊圈3.銷4.滾動軸承5.軸2.3啟閉鎖緊機構結構設計。如圖4所示，啟閉鎖緊機構由手輪、轉輪、齒輪、連桿、伸縮桿和鎖銷組成。手輪安裝在門扇中間，手輪與齒輪配合，3個轉輪分別安裝在門扇的上中下3個位置，且與齒輪在一條直線上；上下2個轉輪分別連接有2個連桿和1個伸縮桿，中間轉輪連接有3個連桿和1個伸縮桿；6個鎖銷均安裝在連桿的端部。其工作過程如下：手輪轉動帶動齒輪轉動；當齒輪轉動時，通過連接的伸縮桿和連桿帶動3個轉輪同步轉動，最終促使連桿端部的鎖銷左右移動，實現啟閉鎖緊[10]。

3結語

為了確保換料水池可以一分為二并實現密封，保證構件池可以維持滿水狀態以屏蔽上部堆內構件及堆內核測儀表的放射性劑量，在換料水池中安裝水閘門是必不可少的。本文對水閘門進行了總體結構、門框結構、門扇結構、鉸鏈結構和啟閉鎖緊機構設計，確保水閘門滿足機械運行性能和壓力要求。

參考文獻:

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[9]聞邦椿.機械設計手冊[M].機械工業版社,2010.[10]濮良貴.機械設計[M].高等教育出版社,2010.

作者:盧菲菲 張善文 湯淋淋 張海軍 單位:1.揚州大學機械工程學院 2.江蘇金秋竹集團有限公司