劉春玲

(上海閥門廠有限公司，上海 201814)

磁力傳動閘閥設計與分析

劉春玲

(上海閥門廠有限公司，上海 201814)

磁力傳動閘閥是一種新型的閥門產品，具有廣闊的應用領域。針對核電站一回路及其輔助系統所用磁力傳動閘閥進行分析研究，解析磁力傳動閘閥的工作原理和結構組成，并說明了磁力傳動裝置輸出力矩的計算過程，對核電站一回路及其輔助系統所用高溫高壓磁力傳動閘閥的開發(fā)具有一定借鑒意義。

磁力傳動閘閥；結構；原理；設計；輸出力矩

0 引言

目前，在管線上使用的閘閥、截止閥、球閥、蝶閥等一系列閥門，一般采用手動、電動或氣動等驅動方式，直接在閥門承壓邊界的外部轉動閥桿來實現閥門的啟閉，這就決定了閥桿密封系統只能采用填料或機械夾緊的密封形式。這種閥桿密封形式，在系統介質壓力波動幅度較大、溫度變化較大的情況下，由于閥桿與填料處存在相對運動，長期使用不可避免地會出現跑、冒、漏、滴等現象。系統運行時伴有的振動、沖擊等影響因素，會使閥桿密封處的泄漏更嚴重。這不僅造成了系統的壓力損失、流體的浪費，一些腐蝕性、放射性以及危害性較大的流體，還可能對電氣、設備、環(huán)境等帶來較為嚴重的影響，甚至可能引發(fā)人身安全事故。多年來，為解決閥桿密封的外泄漏問題，從事閥門設計制造工作的工程技術人員開展了多方面的研究工作，采用封閉型諧波齒輪傳動、屏蔽電機傳動、隔膜傳動、曲軸波紋管傳動屏蔽等多種技術手段，對閥門的傳動裝置進行技術改造，都未能取得理想的綜合效果。

近年來，在磁力泵基礎上發(fā)展起來一種新型非接觸式閥門磁力傳動裝置，它運用磁力的推拉原理實現非接觸傳遞力。閥門的閥桿無需伸出承壓腔外部，將閥桿與填料之間的動密封轉動變成閥體與閥蓋之間的靜密封，實現閥門整體無外漏，同時使閥門具有體積小、結構簡單、使用壽命長、維修方便等特點。國外一些公司(如美國DRESSER公司、德國KCACS公司)已經成功將磁力閥門應用于石化等領域，在技術性能上已向微型化、大型化發(fā)展，不斷采用新材料、新結構、新工藝，提高了傳動效率和傳動力矩。目前國內也出現了自行研制生產的磁力傳動閥門，但基本都是小口徑閥門，主要用于一般工況條件下的管路輸送，只解決了一般條件下的密封問題，適用于高溫高壓及核安全級環(huán)境條件、滿足核技術應用標準規(guī)范和電磁兼容性要求的相應產品，還處于開發(fā)研制階段。

本文以核電站一回路及其輔助系統的工況條件作為磁力傳動閘閥的設計輸入，將已通過實例驗證的磁力傳動閘閥設計制造關鍵技術介紹給閥門設計的同行。

1 原理及結構

1.1 工作原理

核級電動裝置布置在整臺閥的上部，作為驅動閥門啟閉的動力源。下部是按照核電站一回路工況參數設計的安全1級閘閥。與常規(guī)的閘閥不同，閥桿部位不設計填料密封，閥桿、閥桿螺母、閘板、軸承、內永磁轉子等控制閥門啟閉的部件，全部密閉于閥門的承壓腔中。整臺閥門唯一可能有外漏的部位在隔離套與閥體的中法蘭連接處，而該連接處采用纏繞式墊片作密封件，可實現密封完全零泄漏。隔離套與閥體組合構成閥門的承壓邊界。外永磁轉子安裝在隔離套的外部，與電動裝置的輸出軸相連接；內永磁轉子安裝在隔離套的內部，并通過方槽與閥桿螺母連接。當閥門電動裝置接收到關閉或開啟信號后，電動裝置運轉，帶動輸出軸上的外永磁轉子一起旋轉。磁力的作用使內永磁轉子隨外永磁轉子作同步旋轉運動，并帶動閥桿螺母一起旋轉，從而帶動閥桿和閘板作升降運動，實現閥門的啟閉功能。

閥位顯示器安裝在閥體上，用于指示全封閉磁力傳動閘閥的開啟和關閉狀態(tài)。通過磁性指示桿與閘板的運動相關聯，將閥門開啟和關閉位置的信息轉換為電信號輸出，在控制中心顯示和控制閥門的啟閉位置。

1.2 主要結構組成

磁力傳動閘閥主要由閘閥、磁力傳動裝置、電動裝置、閥位顯示器4部分組成。閘閥主要由閥體、閘板、閥桿、閥桿螺母、承壓隔離套等組成，磁力傳動裝置主要由內永磁轉子和外永磁轉子等組成，閥位顯示器主要由屏蔽套、磁性指示桿、彈簧、磁電轉換開關、密封插頭座、外罩等零部件組成。

1.2.1 閘閥

閘閥結構如圖1所示。

圖1 閘閥結構圖

1.2.1.1 閘閥設計與選材

閘閥按照ASME BPV Ⅲ進行設計與制造。為了在最小外形尺寸下得到較大內、外永磁轉子相互間的磁作用力，應在滿足承壓要求的前提下最小化設計承壓隔離套的壁厚。在既要保證閘板的安裝尺寸又要最小化設計承壓隔離套壁厚的情況下，采取了閘板下裝式結構的閥體設計。閥體上部的開孔僅需滿足閥桿通過和軸承安裝要求即可，最大限度地減小了承壓隔離套內外徑和壁厚尺寸。

閥體等主體材質選用核1級SA182 F321鍛件，具有較高許用應力強度、耐腐蝕性能，還具有絕磁性，在使用中不會受到磁力轉子的磁干擾；密封面按ASME規(guī)范控制含鈷成分材料的使用，防止鈷顆粒與放射性物質接觸產生污染，因此，閥門密封面選取EDCrNi-B鐵基合金，不含鈷成分，又具有較高的耐磨性。

閥桿及閥桿螺母選用了高許用應力強度的17-4PH和14Cr17Ni2，并經熱處理提高了材料的表面硬度，具有良好的力學性能、耐腐蝕性以及較低的摩擦系數?？s小了閥桿直徑和螺距尺寸，減小了閥門的操作扭矩，從而使磁力傳動裝置和電動裝置的結構尺寸得到了進一步優(yōu)化。

由于軸承密閉于閥門內部，直接與介質接觸，其防腐蝕性能及耐磨性能將直接影響閥門的使用壽命及運行穩(wěn)定性。銅材不適用于核電站一回路及其輔助系統的工況，設計選用了不銹鋼軸承，滿足了軸承的防腐蝕及耐磨性能要求。

1.2.1.2 承壓隔離套設計與制造

承壓隔離套與閥體組合構成整臺閥門的壓力邊界，是磁力傳動閘閥設計的關鍵技術之一。承壓隔離套安裝在內、外磁轉子之間，磁場須穿過隔離套才能起傳遞磁力的作用，因此對于隔離套的材料首先要求非磁性。隔離套起承受內部壓力的作用，一旦破裂會造成災難性的危害，因此選擇強度高的材料。由于磁力轉子在運轉時，金屬隔離套會切割磁力線而產生渦流，材料電阻越小，渦流就越大，渦流會轉變成熱量，需依靠自身部分介質帶走，因此隔離套不能太厚，才能保證較高的傳動效率。另外，承壓隔離套必須能耐介質的腐蝕及符合設計溫度、壓力要求，并具有良好的抗震、抗沖擊性能。經綜合考慮，設計選擇了強度高、耐介質腐蝕性好、電阻率高、并具有較好的沖擊韌性的HC276作為隔離套的材料。

1.2.2 磁力傳動裝置

磁力傳動裝置由內永磁轉子、外永磁轉子組成，如圖2所示。

圖2 磁力傳動裝置結構圖

磁力傳動裝置輸出力必須滿足啟閉閥門所需要的最大力矩。在一回路及輔助系統高溫高壓工況和輻照環(huán)境下，設計結構需考慮高溫適宜性和輻照影響。普通的磁力傳動裝置上磁鋼采用的是膠粘固定方式，考慮到高溫和輻照情況對粘膠的影響，為防止磁鋼在磁座上軸向打滑，設計增加了防轉片。徑向上由于磁力傳動裝置轉速很低，故不需要考慮磁鋼與磁座之間的徑向固定，依靠磁本身的吸力就可以了。從運行的可靠性上，再補加無機耐高溫膠填充制造誤差形成的縫隙。在磁鋼組裝完成后，用薄壁不銹鋼包封套套上，再在兩端進行焊接密封，保護內部零件不受介質腐蝕。由于薄壁不銹鋼套承受的是外壓，因此外部的壓力要通過磁鋼作用在磁座上，也就是磁鋼之間不能有縫隙。設計時磁鋼之間采用緊密排列，而外永磁轉子由于處于空氣中，且溫度較低，因此采用無機耐高溫膠與機械固定防轉相結合的辦法，在端部用擋環(huán)輔助固定。

1.2.2.2 材料選擇

磁力傳動裝置是通過磁場作用來非接觸傳遞動力的類似于聯軸器的器件，因此材料的選用要考慮磁場設計的需要。由于在高溫下工作，因此選擇的材料要具有耐高溫特性。而磁力傳動裝置所在環(huán)境也使得其要具有一定的耐腐蝕性，材料要耐輻照，特別是內永磁轉子。

磁力傳動裝置由磁閥座、磁鋼座、磁鋼、包封套以及外磁鋼擋環(huán)等組成。其中內永磁轉子浸沒于介質中，需要采用耐腐蝕的不銹鋼材料，該設計選用0Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼。作為磁力傳動裝置的功能材料，選用的磁鋼既要有較高的磁性能，又要有較低的溫升退磁率和較高的允許工作溫度，按照設計溫度要求選擇了S28H釤鈷磁鋼。

1.2.2.3 關鍵技術

(1) 電磁兼容性。磁力傳動裝置應防止磁場對周圍環(huán)境及其他電氣設備產生影響。設計時，磁力傳動裝置中的磁路結構應考慮內部磁路的閉合，因此在通常情況下從磁力傳動裝置中漏出的磁場也極少。少量漏磁主要在外永磁轉子的端面，但漏磁磁場強度很低，且離開磁力轉子越遠強度下降越快，到外面連接架筒體外表面時幾乎沒有。當然，為避免漏磁帶來不必要的麻煩，從設計上采取了2種解決途徑：一是將外永磁轉子端部的導磁基體延長，使端面部分漏磁在導磁體上自行閉合；二是外永磁轉子外面的連接架采用導磁材料，使漏磁在連接架上閉合不外泄。通過以上措施解決了磁場外泄問題。

(2) 磁性材料的保護與輻射影響評估。由于磁力轉子內的磁性材料采用釤鈷合金Sm2Co17，必須與反應堆冷卻劑可靠隔離，因此利用一層薄的包封套通過焊接方法將磁性材料與介質隔離。由于一般焊接產生的溫度會很高，如傳導到磁鐵的溫度超過磁鐵許用溫度將會引起磁鋼退磁，因此必須采用快速低電流的自熔焊。為保證良好的焊合性及焊接后的一體化，包封套材料選擇與內磁座相同的非磁性材料。為保證絕對可靠的焊縫熔合，一般的手工氬弧焊已不能滿足需要，要采用自動氬弧焊或激光焊機進行焊接，依靠設備來保證焊接質量。期間需調整適當的工藝參數進行試驗，最終使焊縫達到熔合可靠、外形美觀的要求。由于用一般的方法無法驗證是否有滲漏，因此需在內磁座端部打一個小孔，使其與裝磁鋼處相通，用氦氣檢漏的方法來驗證磁鋼的包封是否可靠。如確實無泄漏，則在檢漏后將小孔用氬弧焊焊住，這樣就確保了磁性材料包封的安全可靠。

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由于內永磁轉子在核輻射環(huán)境下運行，磁性材料必須能經受核輻照而不發(fā)生不可接受的性能改變，為此需用試驗來驗證。一方面用磁力閥樣機到現有核三級條件的非重要工位但有較大放射性的場合進行應用運行試驗；另一方面將磁鋼樣品經性能測試后，放在核輻射的環(huán)境中，累計吸收預定的放射劑量后，取出重新測試其磁性能及相關其他性能。通過輻照前后的性能對比可以判斷出核輻照是否對磁鋼性能產生影響及影響程度，并據此作為決定磁性材料適用性及設計磁力傳動裝置的依據。

1.2.3 電動裝置

該電動閘閥需要在上方配置一個多回轉閥門電動裝置。且由于所處的環(huán)境條件，必須符合核級閥門的要求。另外，在該電動裝置內，還需設計有位置指示、行程控制和轉矩控制裝置，以保證閥門啟閉的可靠性。由于尺寸的限制，電動裝置的設計必須實現小型化；特殊的應用環(huán)境還使得內部機件必須能承受沖擊。

1.2.4 閥位顯示器

閘閥的閥體上安裝有2個閥位指示器，分別用于顯示閥門的全開啟位置和全關閉位置(圖3)。開閥時，閘板向上升高至設定位時，設置在閘板上的凸輪機構觸動開閥位顯示器的磁性指示桿，并逐漸壓縮磁性指示桿復位彈簧，推動磁性指示桿外伸。當磁性指示桿向外運動約5～6.3 mm時磁電轉換開關接通，電路導通，信號傳輸至控制箱，開閥位指示燈亮起。同時，切斷電動裝置的控制電源，電裝停止轉動。關閥時，閘板離開上限位，磁性指示桿在復位彈簧的作用下離開磁電轉換開關，從而使磁電轉換開關觸點脫開，斷開電路，開閥位指示燈熄滅。當閥關至設定位置時，關閥位設計有關閥位顯示器，當閘板下降至完全關閉閥門位置時，關閥位顯示器的磁性指示桿在閘板上的凸輪機構作用下，使關閥位磁電轉換開關接通，電路導通，信號傳輸至控制箱，關閥位指示燈亮起。同時，切斷電動裝置的控制電源，電裝停止轉動。

圖3 閥位顯示

2 磁力傳動裝置輸出力矩計算

2.1 基本參數的選定

由于磁力傳動裝置磁路尺寸與磁隙有關，而磁隙又與中間隔離套的壁厚有關，因此，首先需確定隔離套的直徑大小，并選擇高強度耐腐蝕的隔離套材料，以減少壁厚需求。隔離套直徑可按所需傳動的扭矩大小初步確定，并考慮結構長度和對隔離套壁厚的影響。

根據該設計，磁力傳動裝置的計算直徑為97.5 mm，隔離套的壁厚為4 mm。根據磁力閥門的結構和性能特點，確定磁力傳動裝置與隔離套的間隙及保護套的壁厚。由于磁力閥門中的磁力傳動裝置是低速運轉，因此，旋轉引起的離心力及變形極小，可忽略不計，內永磁轉子與隔離套之間又沒有流動的介質所導致的可能的固體顆粒，因此可取較小的磁隙。設計取1 mm的內間隙與外間隙。內磁包封套厚度取1 mm；外磁包封套處于空氣中，取0.5 mm壁厚。這樣，該設計磁力傳動裝置磁隙累計為7.5 mm。按經驗，磁鋼徑向厚度為7.5～8 mm。

2.2 最大靜磁力矩計算

該閥門磁力傳動的磁路采用“拉推磁路”理論設計，根據磁力傳動力矩計算公式：

式中，K為系數，本設計中取1.6；(BH)max為最大磁能積，本設計選用28MG0e的釤鈷磁鋼；E為內、外磁鋼間隙；b為磁鋼寬度；R為內、外磁鋼間隙計算半徑；L為磁鋼總長度，估算為97 mm；h為磁鋼厚度，取7.5 mm。

該設計堵轉轉矩≥90 N·m，因此，最大設計磁力傳動力矩Tmax=90 N·m。

計算得：

=1 490.5 kg·cm=146 N·m

以上計算為常溫下的磁力傳動力矩，考慮到高溫工況下會產生一定比例的退磁，要核算高溫下的磁力矩是否滿足要求。

根據溫升退磁率，每溫升100 ℃，約退磁4%，因此按溫升330 ℃計算，約退磁13.2%，也就是此時的磁鋼磁能積約為常溫時的0.8682=75%。因此修正到高溫工況，MGmax=146×0.75=109.5 N·m>90 N·m。結果滿足設計堵轉轉矩的需求。

以上為理論計算，實際由于磁力閥門結構上傳熱和散熱的影響，磁力傳動裝置上的溫度會明顯低于設計溫度，因此實際磁力扭矩余量會大得多。

3 結語

該磁力傳動閘閥通過了冷態(tài)和熱態(tài)模擬工況運行條件下的性能試驗、抗震抗沖擊試驗、電磁兼容性試驗等試驗驗證。結論認為：研究開發(fā)的磁力傳動閘閥使核動力裝置磁力傳動閥在核反應堆一回路系統條件下能夠安全可靠地運行，無故障工作時間可達到10 000 h以上。在國內開創(chuàng)了磁力傳動閥取代普通機械密封閥并應用于核反應堆一回路系統的先例，其研究開發(fā)成果處于國內領先水平。將成果應用于核反應堆一回路及其輔助系統，將大大提高核反應堆一回路系統的可靠性，并使維修性及保障性得到顯著提高，具有廣闊的應用前景。

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2014-06-03

劉春玲(1982—)，女，河南人，助理工程師，研究方向：閥門設計開發(fā)。