胡華權(quán)，楊 軍 ，于 琴，馬艷軍，張德志

(西北核技術(shù)研究所,西安710024)

一種爆炸驅(qū)動(dòng)快速密封閥門的研制

胡華權(quán)，楊 軍 ，于 琴，馬艷軍，張德志

(西北核技術(shù)研究所,西安710024)

利用炸藥爆炸驅(qū)動(dòng)技術(shù)，研制了一種爆炸驅(qū)動(dòng)快速密封閥門。閥門由密封結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和定位結(jié)構(gòu)組成，采用了雙道O型圈密封結(jié)構(gòu)及防回彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)管道快速有效密封。對(duì)直徑φ為20 mm的閥門進(jìn)行了密封實(shí)驗(yàn)，利用電探針法和激光多普勒位移干涉儀法對(duì)閥門封閉時(shí)間、閘板速度與位移等進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)封閉后的閥門進(jìn)行了泄漏率檢測(cè)。結(jié)果表明：閥門的封閉時(shí)間為0.8 ms，泄漏率小于10-10Pa·m3·s-1。

爆炸驅(qū)動(dòng)；快封閥門；泄漏率

當(dāng)含有危險(xiǎn)有害介質(zhì)的設(shè)施發(fā)生燃油、燃?xì)庑孤┗蚝藦U料擴(kuò)散等災(zāi)難事件時(shí)，能否快速有效地密封其擴(kuò)散泄漏通道，防止有害介質(zhì)造成環(huán)境污染和人身傷害，是一個(gè)非常重要的技術(shù)難題。利用常規(guī)密封技術(shù)[1-2]可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備秒量級(jí)的密封，但很難同時(shí)滿足密封效果好且密封速度快的要求，而利用爆炸驅(qū)動(dòng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)管道毫秒量級(jí)甚至微秒量級(jí)的快速有效密封。

在超快速密封技術(shù)研究方面，美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室為JASPER(joint actinide shock physics experimental research)裝置研制了用于快速密封核材料的超快速封閉閥門系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括爆炸壓縮管道超快速封閉和快速密封兩個(gè)閥門裝置。其中，爆炸壓縮管道超快速封閉閥門可在響應(yīng)時(shí)間80 μs內(nèi)封閉管道，但無法達(dá)到高效密封；快速密封閥門能夠在響應(yīng)時(shí)間1.5 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)管道密封且長(zhǎng)期密封的泄漏率小于10-9Pa·m3·s-1[3-4]。目前，我國(guó)在快速密封技術(shù)方面的相關(guān)研究報(bào)道較少，文獻(xiàn)[5]研究了一種利用火藥燃燒氣體驅(qū)動(dòng)高壓聚乙烯閥門密封管道的實(shí)驗(yàn)裝置，其密封響應(yīng)時(shí)間約為15 ms。文獻(xiàn)[6]報(bào)道了利用炸藥爆炸壓縮管道密封技術(shù)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)密封響應(yīng)時(shí)間在100 μs以內(nèi)，泄漏率為10-2～10-3Pa·m3·s-1的技術(shù)指標(biāo)。本文利用炸藥爆炸驅(qū)動(dòng)技術(shù)研制了一種亞毫秒量級(jí)的快速密封閥門，泄漏率小于10-10Pa·m3·s-1[7]。該閥門還可與炸藥爆炸壓縮管道密封技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，能夠快速實(shí)現(xiàn)管道密封。

1 工作原理

爆炸驅(qū)動(dòng)快速密封閥門的基本工作原理，如圖1所示。閥門首先處于開啟狀態(tài)，如圖1(a)所示。爆炸裝置在閥門閘板上端爆炸后產(chǎn)生的較強(qiáng)沖擊力驅(qū)使閘板向下運(yùn)動(dòng)，閘板碰撞閥門底座后停止運(yùn)動(dòng)，閥門實(shí)現(xiàn)封閉，如圖1(b)所示。閥門采用雙道O型密封圈和平面法蘭密封原理實(shí)現(xiàn)閥門閘板對(duì)內(nèi)外管道的隔斷及密封功能。

(a)Unsealed state

(b)Sealed state 圖1爆炸驅(qū)動(dòng)快速密封閥門的工作原理Fig.1Schematic of the explosion driven fast-acting gate valve

2 密封閥門結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1閥門功能設(shè)計(jì)

裝置爆炸后產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力，會(huì)對(duì)閘板造成較大破壞，影響閥門的密封性能，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)放置在爆炸物和閥門上端之間的驅(qū)動(dòng)活塞，用以傳遞爆炸驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)避免爆炸沖擊力直接作用于閘板。另外還設(shè)計(jì)了一個(gè)相對(duì)密封的容器，將爆炸裝置放置在該容器中實(shí)施爆炸，可以有效避免爆炸沖擊力對(duì)周圍介質(zhì)的影響，同時(shí)利用爆轟產(chǎn)物對(duì)驅(qū)動(dòng)活塞的持續(xù)驅(qū)動(dòng)作用，可提高閘板的運(yùn)動(dòng)速度，縮短閥門封閉時(shí)間。由于在強(qiáng)大沖擊力作用下，閘板向下運(yùn)動(dòng)的速度較快，閘板與閥門底座碰撞后會(huì)產(chǎn)生回彈，為使閘板運(yùn)動(dòng)到預(yù)設(shè)位置后停止運(yùn)動(dòng)，需要設(shè)計(jì)防止閘板回彈裝置。

為了實(shí)現(xiàn)閥門的上述功能，設(shè)計(jì)的爆炸驅(qū)動(dòng)快速封閉閥門結(jié)構(gòu)包括密封結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和定位結(jié)構(gòu)等功能單元。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1—Top of vessel;2—Explosive;3—Driven piston; 4—Flashboard;5—Limit baffle;6—Blot; 7—Outside pipeline;8—Base of valve;9—Plug; 10—Inner vessel;11—Main vessel;12—Knighthead; 13—Anti-rebounding structure;14—O-ring;15—Inside pipeline; 16—Limit bloke;17—Soleplate;18—Limit hole;19—Blowhole 圖2爆炸驅(qū)動(dòng)快速密封閥門基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2Basic configuration of the explosion driven fast-acting gate valve

閥門的主體結(jié)構(gòu)包括閘板、限位擋板、螺栓、內(nèi)外管道法蘭、閥門底座、防回彈裝置、O型密封圈及限位墊塊。密封結(jié)構(gòu)單元的功能是實(shí)現(xiàn)閥門密封，它由內(nèi)外管道法蘭、限位墊塊、閘板和密封圈構(gòu)成。為確保閥門達(dá)到較好的密封效果，可通過對(duì)O型密封圈選型、設(shè)計(jì)較合適的密封圈壓縮率以及優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)單元能夠?yàn)殚l板運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)方向。它由容器上蓋、爆炸裝置、驅(qū)動(dòng)活塞、塞柱、容器內(nèi)筒、容器主體、支撐桿及底板組成。通過對(duì)爆炸裝置、驅(qū)動(dòng)活塞和閘板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可提高閥門的密封速度，縮短閥門的封閉時(shí)間。

定位結(jié)構(gòu)單元能夠控制閘板運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置后停止運(yùn)動(dòng)，它由閥門底座和防回彈裝置組成。閥門底座為閘板運(yùn)動(dòng)的預(yù)定終止位置，能夠阻止閘板繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)；防回彈裝置能夠防止閘板撞擊閥門底座后回彈。如果定位結(jié)構(gòu)單元失去作用，閥門的整體密封體系就會(huì)受到破壞，影響閥門的密封效果。

總之，爆炸驅(qū)動(dòng)快速密封閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則是確保密封功能的前提下，封閉速度越快越好。因此，閥門的密封結(jié)構(gòu)單元是核心，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)單元是關(guān)鍵，定位結(jié)構(gòu)單元必不可少，三者相輔相成。

2.2關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

為確保閥門的密封性能，根據(jù)密封內(nèi)外管道的內(nèi)徑大小選擇相應(yīng)的O型密封圈，設(shè)計(jì)密封圈的壓縮率為20%～30%。閥門封閉過程是通過炸藥爆炸推動(dòng)活塞和閘板來實(shí)現(xiàn)，因此，增大藥量、減小驅(qū)動(dòng)活塞與閘板的質(zhì)量，可提高閘板的運(yùn)動(dòng)速度，縮短閥門封閉時(shí)間。藥量越大，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力越大，閥門封閉的速度就越快。但是當(dāng)爆炸沖擊力過大時(shí)，可能會(huì)使閘板結(jié)構(gòu)發(fā)生變形或遭到破壞，影響閥門的密封性能。因此需要選擇低密度高強(qiáng)度的閘板材料，提高閘板抗沖擊能力。因此，在不破壞閘板結(jié)構(gòu)和閥門密封性能的條件下，適當(dāng)增大藥量，以提高閥門的封閉速度。

瞬態(tài)爆轟驅(qū)動(dòng)模型是求解較復(fù)雜驅(qū)動(dòng)問題近似解的有效工具。文獻(xiàn)[8]給出的剛性側(cè)面約束接觸爆炸對(duì)剛性底面總沖量I的計(jì)算公式為

(1)

式中，m為裝藥質(zhì)量，g;D為炸藥爆轟速度, m·s-1。

假如閘板完成封閉路程為s，閘板和驅(qū)動(dòng)活塞總質(zhì)量為mtot，在不考慮摩擦力的情況下，閥門封閉時(shí)間t與裝藥質(zhì)量m的關(guān)系可以用式(2)表示：

(2)

假定s為50 mm，mtot為500 g，D為7 km·s-1，在忽略摩擦力的情況下，如果閥門封閉時(shí)間在0.5 ms之內(nèi)，那么所需裝藥質(zhì)量應(yīng)不小于24 g。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用電探針法和激光多普勒位移干涉儀法[9]對(duì)直徑φ為20 mm的密封管道閥門的封閉時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比，測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。RDX炸藥裝藥質(zhì)量m為25 g。電探針法測(cè)試方法是由GPS同步控制起爆系統(tǒng)給定絕對(duì)零時(shí)，利用探針1測(cè)試?yán)坠芷鸨瑫r(shí)刻；探針2安置在閥門底座上表面，當(dāng)閘板向下運(yùn)動(dòng)碰撞到閥門底座時(shí)，探針2導(dǎo)通，時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x給出一個(gè)脈沖信號(hào)輸入記錄儀器，可獲得閘板封閉時(shí)刻，該時(shí)刻與絕對(duì)零時(shí)的差即為閥門封閉時(shí)間。利用電探針法測(cè)試閥門封閉時(shí)間簡(jiǎn)單有效，但該方法只能測(cè)量得到閥板運(yùn)動(dòng)的封閉時(shí)刻。激光多普勒位移干涉儀法是通過安裝在閥門底座下的激光發(fā)射接收探頭，發(fā)出一束激光穿過閥門底座中心圓孔照射到閘板下端面，激光經(jīng)過端面反射后被探頭接收，當(dāng)閘板向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，因多普勒效應(yīng)反射激光的頻率發(fā)生變化，通過激光多普勒位移干涉儀檢測(cè)出反射激光的頻移量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后可得到閘板的速度和位移歷程。利用激光多普勒位移干涉儀法既可以得到閥門的封閉時(shí)間，又能夠根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析在爆炸沖擊作用下，閘板的受力情況及整個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而優(yōu)化閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖3 閥門封閉時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.3Schematic of testing system for gate valve closure

圖4給出了利用電探針法測(cè)出的閥門封閉時(shí)間波形，瞬發(fā)雷管延遲時(shí)間為9.3 μs，閥門封閉時(shí)間為808 μs。

圖5為采用短時(shí)傅里葉變換(STFT)計(jì)算得到的時(shí)頻圖，信號(hào)采樣率為1.25 GS·s-1，頻譜分析離散點(diǎn)數(shù)為1 024。圖中較亮的幅值脊表示反射激光多普勒頻移量隨時(shí)間的變化規(guī)律，將幅值脊對(duì)應(yīng)的信息提取出來，可以換算得到閘板下端面的速度歷程和閘板下端面的位移歷程，分別如圖6和圖7所示。

圖4 利用電探針法測(cè)出的閥門封閉時(shí)間Fig.4Closure time of gate valve tested by electric probe

圖5 短時(shí)傅里葉變換計(jì)算得到的時(shí)頻圖Fig.5Time-frequency spectrogram performed with STFT

圖6 激光多普勒干涉儀測(cè)量得到的閘板速度歷程Fig.6Velocity of flashboard got from LDDI

從圖6可以看出:閘板下端面的速度變化過程可以分為4個(gè)階段：第1階段為保持靜止階段，時(shí)長(zhǎng)約70 μs；第2階段為加速階段，速度從0增加到最大值80 m·s-1；第3階段為速度振蕩階段，是一個(gè)逐漸降低的速度振蕩變化過程，周期約為54 μs；第4階段為減速階段，速度急劇降至0。

圖7 激光多普勒干涉儀測(cè)量得到的閘板位移歷程Fig.7Displacement of flashboard got from LDDI

分析閘板的受力情況和閘板下端面的速度歷程，可以看出：閘板下端面從零時(shí)到開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為雷管延遲時(shí)間、炸藥爆轟時(shí)間和應(yīng)力波從驅(qū)動(dòng)活塞上端面?zhèn)鞑サ介l板下端面的時(shí)間之和。雷管延遲時(shí)間約為9.3 μs；長(zhǎng)度為50 mm的RDX炸藥爆轟時(shí)間，經(jīng)計(jì)算約為7.1 μs；驅(qū)動(dòng)活塞和閘板總長(zhǎng)為255 mm，假定應(yīng)力波在金屬中傳播速度為5 km·s-1，計(jì)算得到應(yīng)力波傳播時(shí)間為51 μs，三者時(shí)間之和為67.4 μs。與測(cè)試得到的時(shí)間70 μs基本一致。

閘板速度變化的第2階段為閘板加速階段。從圖6中可看出，閘板幾乎是勻加速運(yùn)動(dòng)直到速度最大值，表明這段時(shí)間閘板受到的持續(xù)推動(dòng)力基本不變。

閘板速度變化的第3階段是速度振蕩階段，這是一個(gè)逐漸降低的速度振蕩變化過程，周期約為54 μs。閘板長(zhǎng)度為131 mm，計(jì)算得到應(yīng)力波在閘板兩端反射傳播周期為52.4 μs，與測(cè)試結(jié)果基本一致。因此，速度周期性變化是應(yīng)力波在閘板上下端來回反射產(chǎn)生的。閘板的速度逐漸降低表明，閘板受到的推動(dòng)力小于所受摩擦力。圖8為驅(qū)動(dòng)活塞與容器內(nèi)筒實(shí)驗(yàn)后局部圖。從圖8可以看出，實(shí)驗(yàn)后，驅(qū)動(dòng)活塞上端和容器內(nèi)筒緊緊黏貼在一起。這表明在炸藥沖擊作用下，驅(qū)動(dòng)活塞上端發(fā)生了膨脹變形，變形量超過了驅(qū)動(dòng)活塞和容器內(nèi)筒之間的滑動(dòng)間隙，因此，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的摩擦力，阻礙了驅(qū)動(dòng)活塞的運(yùn)動(dòng)，降低了活塞對(duì)閘板的推動(dòng)作用。當(dāng)摩擦力大于爆炸產(chǎn)物對(duì)驅(qū)動(dòng)活塞的持續(xù)驅(qū)動(dòng)力時(shí)，閘板速度逐漸降低。利用閥門的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和式(2)計(jì)算，得到閥門封閉時(shí)間約為500 μs，這與實(shí)測(cè)的閥門封閉時(shí)間800 μs相差較大，這表明，爆炸后產(chǎn)生的摩擦力對(duì)閥門封閉時(shí)間影響很大。因此，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)和密封容器內(nèi)筒間的匹配關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少甚至完全消除摩擦力，提高閘板封閉速度，減少閥門封閉時(shí)間。

圖8 實(shí)驗(yàn)后驅(qū)動(dòng)活塞與容器內(nèi)筒局部圖Fig.8Local structure of driven piston and inner vessel after test

閘板速度變化的第4階段為減速階段，速度急劇降低直至為0。測(cè)試結(jié)果還表明，閥門中的定位結(jié)構(gòu)和防回彈結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能，當(dāng)閘板運(yùn)動(dòng)到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，會(huì)快速停止，不再上下運(yùn)動(dòng)。

從圖7可以看出：閘板運(yùn)動(dòng)位移為47 mm時(shí)，閥門封閉時(shí)間約為800 μs，這與利用電探針法測(cè)到閥門封閉時(shí)間808 μs相當(dāng)。閘板又向下運(yùn)動(dòng)5 mm，這與閘板防回彈結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)距離5 mm完全吻合，這表明利用激光多普勒位移干涉測(cè)試技術(shù)測(cè)試閘板運(yùn)動(dòng)歷程的方法是合理的，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

利用真空-氦罩法檢測(cè)閥門封閉后的密封效果，將閥門內(nèi)外通道分別連接真空檢漏儀，抽氣30 min，保持近似真空，然后對(duì)閥門整體包氦罩并持續(xù)20 min，分別檢測(cè)閥門內(nèi)外兩側(cè)的密封效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 閥門的泄漏率小于10-10Pa·m3·s-1。

4 結(jié)論

利用爆炸驅(qū)動(dòng)技術(shù)研制了一種快速密封閥門, 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直徑為20 mm管道的有效密封。測(cè)試結(jié)果表明：閥門的封閉時(shí)間為0.8 ms，泄漏率小于10-10Pa·m3·s-1。通過修改閥門相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸， 可以滿足不同直徑的管道密封工程的需求。下一步通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)活塞和密封容器內(nèi)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小或消除閘板運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的較大摩擦力，進(jìn)一步縮短閥門的封閉時(shí)間。

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Development of an Explosion Driven Fast-Acting Gate Valve

HU Hua-quan,YANG Jun,YU Qin,MA Yan-jun,ZHANG De-zhi

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China)

A fast-acting gate valve is developed based on the explosion driven technology. The gate valve is composed of a sealing structure, a driving structure, and a positioning structure. The gate valve has two O-rings fixed between valve body and flashboard, and an anti-rebounding structure which could prevent the flashboard hitting the base of valve. With the electric contact probe and laser Doppler displacement interferometer, we measured the closing time of the valve, the velocities and displacements of the flashboard, and the leakage rate of the valve. The results show that the closing time of valve is 0.8 ms, and the leakage rate is less than 10-10Pa·m3·s-1.

explosion driven;fast-acting gate valve;leakage rate

2016-04-21；

2016-11-10

胡華權(quán)(1976- )，男，重慶忠縣人，助理研究員，碩士，主要從事爆炸力學(xué)研究。

E-mail：huhuaquan@nint.ac.cn

O383.3

A

2095-6223(2016)041001(5)