引言

蝶阀在核电厂的海水冷却系统中有着广泛的应用，如循泵出口海水蝶阀用于运行和检修时连通或切断循环水系统，避免海水大量倒灌，减少水锤危害。由于海水中氯离子、硫酸盐、微生物及固体颗粒含量较高，海水蝶阀受到的腐蚀和冲刷较为严重，面临失效的风险。海水蝶阀失效主要由海水的腐蚀、海水中颗粒物的冲刷、强度与应力作用引起的密封泄漏三方面原因引起。为延长海水蝶阀的使用寿命，针对海水的腐蚀、海水中颗粒物的冲刷，

海水蝶阀选用的材料应具有高耐腐蚀、耐磨损的性能；针对强度与应力作用引起的密封泄漏，可从结构设计上进行优化，使蝶阀所受应力减小。在海水蝶阀耐腐蚀研究方面，龚代涛等对核电厂国产海水蝶阀的螺栓腐蚀进行分析，并对设计方案和材料进行优化；黄高杨等分析国内海水蝶阀的失效原因，针对阀门的腐蚀提出相应的改进方案。在结构设计方面，王建新等分析蝶阀设计时需要考虑的因素；王挺等针对三偏心蝶阀的回转中心进行快速优化设计；邵亚雄针对三偏心蝶阀的力学特性进行结构优化。

可见，现有研究基本未涉及核电海水蝶阀的结构设计及材料选择。本文以三门核电有限公司 3/4 号发电机组汽机房凝汽器进出口海水蝶阀为研究对象，围绕海水蝶阀的结构设计及材料选择研究，并借助 ANSYS Workbench 有限元分析软件对海水蝶阀的结构强度进行仿真分析。

1、核电海水蝶阀的结构设计

依据三门核电有限公司 3/4 号发电机组汽机房凝汽器进出口电动蝶阀的使用工况条件与技术规范要求，对主要结构诸如阀座密封结构、蝶板密封圈结构、蝶板结构进行结构优化设计，核电海水蝶阀结构如图 1 所示。核电海水蝶阀由阀体、蝶板、阀杆、阀体衬套、阀座、密封环、蝶板压环、上轴套、下轴套、双向止推轴承、填料、填料压套、填料压盖、支架等组成。

图1 核电海水蝶阀结构

1.1阀座密封结构的优化

海水蝶阀采用浮动阀座密封结构，阀座安装在阀体衬套内，并通过螺钉进行定位，阀座可在衬套内实现微量移动，阀体衬套固定连接在阀体内，阀座与蝶板橡胶密封环形成密封副。阀座密封结构如图 2 所示。

图2 阀座密封结构

当介质正向流动时，蝶板偏心距使密封面越关越紧，实现正向密封；当介质反向流动时，介质作用于阀座上的力使阀座可沿衬套内孔作微量轴向移动，使阀座与密封圈紧密贴合，在阀座与密封圈之间达到密封所需的密封比压，使阀门可靠实现反向密封，从而使蝶阀实现双向承压密封，保证密封性能可靠。

1.2蝶板密封圈结构的优化

蝶板密封圈为 T 形结构，通过内六角螺钉固定在压环与蝶板之间，如图 3 所示。采用 T形结构，可避免蝶板密封圈在启闭过程中脱离。当蝶板密封圈磨损后，可在阀体内部通过内六角调节螺钉调节蝶板密封圈进行密封补偿；当蝶板密封圏损坏后，可在阀体内部进行更换。

图 3 蝶板密封圈结构

1.3 蝶板结构的优化

为使蝶板在关闭状态下具有较高的承压能力，将蝶板外形设计为大曲率圆弧形，如图 4a 所示。蝶板采用大曲率圆弧外形设计，一方面使蝶板的厚度仅为阀轴直径的 1.8 倍，大大小于技术规范要求的 2.25 倍；另一方面使蝶阀在涂敷陶瓷涂层时具有良好的工艺性。

蝶阀背面采用加强筋设计，加强筋布置方向为垂直于阀杆方向，如图 4b 所示。与传统的实心蝶板相比，蝶阀背面采用加强筋设计在保证结构强度的基础上大大减少了蝶板的重量。

a.蝶板大曲率圆弧外形 b.蝶板背面加强筋设计

2 核电海水蝶阀耐腐蚀材料的选择

为防止海水对蝶阀的腐蚀与冲刷，蝶阀应选择正确的防腐蚀材料。其材料的选择应考虑耐腐蚀、耐磨损、加工工艺及海水的性质，同时还要兼顾材料的经济性。

2.1 阀体与蝶板材料

阀体与蝶板均采用 ASTM A536 Gr.60-40-18 球墨铸铁材料整体铸造而成。蝶阀阀体内腔与蝶板表面等与海水接触的过流部位涂敷陶瓷材料（如德国知名品牌汉高乐泰陶瓷涂料）进行耐磨防腐处理，涂层厚达 3 mm 以上，能显著提高阀体与蝶板的耐海水腐蚀、冲刷磨损的能力，使蝶阀整体寿命更长。陶瓷涂层的机械性能见表 1。对于没有涂敷陶瓷材料的海水蝶阀，其寿命会缩减到 18 个月。

表1 汉高乐泰陶瓷涂料的机械性能

2.2  阀杆与轴套材料

蝶阀的上下阀杆及轴套由 ASTM A182 F53 双相不锈钢 2507 型材料制成。该双相不锈钢材料比目前一般的材料双相不锈钢 2205 型（F51）材料具有更优异的耐海水腐蚀和冲刷性能，且具有更高的强度，其抗拉强度 σb≥800MPa,屈服强度 σs≥550MPa（见表 2）。

表 2 超级双相不锈钢 2507 型力学性能

2.3  密封圈材料

蝶板橡胶密封圈选用氯丁橡胶材料制成，氯丁橡胶具有很好的耐海水性、抗腐蚀性、抗塑变性、抗冲击性、抗臭氧及抗微生物腐蚀性。氯丁橡胶密封圈中的铜离子含量≤8ppm，同时有防止铜毒化而使橡胶降级的阻滞剂，橡胶圈中的含蜡量不超过橡胶碳氢分子的1.5％。

3  蝶板结构强度仿真分析

借助 ANSYS Workbench 有限元分析软件对蝶阀结构强度进行仿真分析。该软件具有强大的结构分析功能，能实现线性静力分析、特征值屈曲分析、模态分析、谐响应分析等。

在建立模型时，首先对蝶阀的非关键部位进行简化，利用 solidworks 软件建立三维模型，再将蝶阀实体模型导入 ANSYS Workbench 有限元分析软件中，如图 5 所示。根据各零部件的材料要求，对蝶阀实体模型的相应部分设置材料属性。在划分网格时，对单元的尺寸参数进行设置，并进行网格划分得到蝶阀有限元模型，如图 6 所示。根据三门核电有限公司3/4 号发电机组汽机房凝汽器进出口电动蝶阀的使用工况条件与技术规范要求，蝶阀的设计压力为0.5MPa。在对蝶板进行结构分析时，施加的压力载荷为设计压力的1.5倍，即0.75MPa。

对线性静力进行分析，得到蝶板的形变，如图 7 所示。由图 7 可看出，蝶板的变形最大处在蝶板的左右两侧，最小在上下两侧，这与实际情况相符合。蝶板的最大形变仅为 1.83mm，最小形变为 0.2mm 左右。

图 7 蝶板的形变

蝶板正面应力分布如图 8 所示。由图 8 可看出，蝶板的应力最大处出现在曲面与平面的交界处，应力最大值为 56.6MPa 左右，远小于材料屈服强度 276MPa，满足设计要求。

图 8 蝶板正面应力分布

蝶板背面加强筋应力分布如图 9 所示。由图 9 可看出，加强筋处应力最大值为 113MPa左右，为整个蝶板零件应力最大值，充分发挥了加强筋的作用，提高了蝶板的结构强度。且加强筋处的应力值同样小于材料屈服强度 276MPa，满足设计要求。

图 9 蝶板背面加强筋应力分布

4  结 论

本文依据三门核电有限公司 3/4 号发电机组汽机房凝汽器进出口电动蝶阀的使用工况条件与技术规范要求，设计一种新型核电海水蝶阀结构，并根据海水的腐蚀与冲刷特性，对与海水直接接触的阀体、阀杆、轴套、密封圈等零部件进行合理选材。利用 ANSYS Workbench有限元分析软件建立新型核电海水蝶阀仿真模型，分析在 1.5 倍设计压力载荷下蝶板的形变及应力分布情况。仿真结果表明，经优化设计的海水蝶阀结构合理，蝶板的形变与应力均满足设计要求。

（1）采用浮动阀座密封结构，阀座可在衬套内实现微量移动，从而使蝶阀实现双向承压密封，保证密封性能可靠。

（2）蝶板密封圈为 T 形结构，在阀体内通过内六角调节螺钉实现密封圈进行密封补偿，以及在阀体内部进行密封圈更换。

（3）蝶板正面为大曲率圆弧外形，背面为加强筋结构，相较于传统的蝶板结构，蝶板的厚度仅为阀轴直径的 1.8 倍，背面加强筋结构大大提高了蝶板的结构强度并减少整体质量。

（4）阀体内腔及蝶板表面使用陶瓷涂覆工艺，显著提高了蝶阀的抗腐蚀与抗冲刷的能力。