承压气密门设计及强度分析

李 鑫，赵 磊，费石繁，牛 铮

（1. 无锡海核装备科技有限公司，江苏无锡 214101；2. 合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

承压气密门在核反应堆、舰船燃料舱、耐压气密设备等领域应用广泛[1]。船用反应堆可通过承压气密门连接反应堆安全壳的边界，在保证反应堆安全工作的前提下，保障人员和物资顺利进出安全壳。

承压气密门通过内、外2 道门及连接两门的通道实现人员和设备的进出，两门之间存在联锁关系。作为承压结构的一部分，承压气密门不仅要达到强度指标，还要满足承压性、气密性和耐温性的要求。为控制结构变形、保证承压气密门的强度和密封性，需要对承压气密门进行有限元分析[2-3]。本文基于ANSYS 软件对承压气密门进行有限元分析，并对其结构强度及完整性进行校核。

1 主要参数

承压气密门结构示意图见图1。承压气密门为横卧圆筒状，筒体通过焊接与舱壁相连接。承压气密门采用双层耐压结构，当一扇承压气密门开启时，另外应保持关闭状态，每道承压气密门均应能够独立保证完整性和密封性。2 扇承压气密门均开向朝内，筒体外径和长度均为3 000 mm，气密门通孔的高度和宽度分别为2 000 mm 和1 400 mm。外侧气密门和内侧气密门需要进行单独制造，再进行整体组装。承压气密门的主要参数见表1。

表1 承压气密门主要参数

2 关键技术

2.1 保证承压气密门完整性的措施

为保证承压气密门的完整性，需要采用以下具体措施：

1）使用Q345R 作为主要材料。

2）采用圆形筒体，既能有效避免应力集中现象，还能减小筒体内部压强，减轻筒体质量。

2.2 保证承压气密门密封性的措施

承压气密门的气体泄漏率要低于设计要求，有效控制内部气溶胶和气体的外泄，具体措施如下：

1）密封材料选用硅橡胶或三元乙丙橡胶[4-5]。

2）通过多组试验确定橡胶条的结构形式、硬度及弹性。

3）考虑加工、制造、装配精度，以及密封面的平面度和粗糙度对密封性能的影响。

4）承压气密门采用双道密封橡胶条结构，在双道密封条的空腔部分设置测压口，可随时检测密封条的气密性能。

3 有限元分析

3.1 模型建立

承压气密门为横卧圆筒状，具有对称性，故对一半结构建模即可。承压气密门主要包括3 部分：1）门框结构，主要包括筒体门框和加强筋组件；2）门板结构，主要包括密封门板、门板加强筋、门板围栏等；3）密封结构，主要包括内外两道密封圈。各结构均按照设计要求预留腐蚀裕量。在有限元分析中，结构采用实体单元，门框与密封圈、门板与密封圈之间的接触类型为非线性接触。

承压气密门的相对刚度要高于主结构连接板，考虑到刚度平衡，需要在主结构连接板的相应位置设置附加加强筋以增强连接板的刚度、降低局部应力水平。

有限元模型及网格划分情况分别见图2和图3。

图2 承压气密门有限元模型

图3 承压气密门结构网格划分情况

3.2 计算结果

设计工况下承压气密门应力云图见图4。最大应力为335.9 MPa，出现在加强筋5、加强筋6 与连接板焊缝处的内表面。承压气密门和连接板主要出现4 个高应力区域，具体位置如下：1）加强筋5、加强筋6 与连接板焊缝处的内表面；2）连接板上端与主结构加强筋的连接处；3）加强筋5、加强筋6与连接板的焊缝处；4）气密筒体与连接板的焊缝处。

图4 设计工况下承压气密门应力云图

续图4 设计工况下承压气密门应力云图

如图5 和图6 所示，与连接板相比，承压气密门门板结构与门框结构的受力情况要好很多。门板结构的最大应力为187.97 MPa，出现在门板加强筋的表面；门框结构的最大应力为174.56 MPa，出现在门框加强筋与筒体连接处。

图5 设计工况下承压气密门板结构应力云图

图6 设计工况下承压气密门框结构应力云图

设计工况下承压气密门密封结构应变云图见图7，密封圈的密封功能良好。

图7 设计工况下承压气密门密封结构应变云图

4 结论

强度和密封性对承压气密门非常重要，本文利用ANSYS 软件对承压气密门进行有限元分析，结果表明：承压气密门强度符合要求，密封性能良好。希望本研究可为承压气密门的设计和校核提供一定参考。