水壓試驗快速接頭的設計及研究

鄭 艷 奇

(中國核工業二三建設有限公司，北京 101300)

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水壓試驗快速接頭的設計及研究

鄭 艷 奇

(中國核工業二三建設有限公司，北京 101300)

介紹了水壓試驗快速接頭的結構，對快速接頭的主要部件進行了受力分析和強度驗算，并通過試驗驗證了快速接頭的密封性與便捷性，滿足了屏蔽冷卻水系統壓力試驗要求。

水壓試驗，快速接頭，密封性，受力分析

0 引言

目前市場上有許多試壓專用工裝，主要分為內脹式和外卡式兩種，為防止內脹式試壓管件因操作不當或損壞致使其內部結構落入垂直的試壓管道內無法取出，本文重點對外卡式試壓快速接頭進行設計研究，主要解決水壓試驗過程中快速接頭的快速連接、密封性和可靠性問題。

1 設計概況

屏蔽冷卻水系統是高溫氣冷堆核電站工程關鍵系統之一，該系統由φ38×4無縫鋼管組成豎向垂直分布于反應堆艙室和蒸發器艙室內壁混凝土屏蔽墻內，用于保證混凝土屏蔽墻溫度在反應堆運行期間不超過設計限值，管道中心間距175 mm，每一個模塊水壓試驗時有多達160個φ38×4 mm管端向上的管口需要封堵，采用傳統堵板焊接封堵在試驗合格后切堵板會產生廢渣，掉落到管道內不易清除，同時現場施工時簡化操作、保證施工工期，設計了該外卡式水壓試壓快速接頭用于屏蔽冷卻水系統水壓試驗工作。

屏蔽冷卻水模塊外示意圖如圖1所示。

2 快速接頭結構設計

該快速接頭結構主要部件由管道密封壓蓋、法蘭夾緊結構以及連接螺栓三部分組成，水壓試驗快速接頭結構設計如圖2所示。為滿足本工裝結構和經濟性的要求，快速接頭的密封壓蓋、夾緊法蘭材料選用Q235A材質，主要緊固件(螺栓、螺母)選用35CrMoA,30CrMoA等高強度合金鋼材料制成。

此快速接頭結構原理是法蘭夾緊結構對準管道凹槽通過緊固螺栓夾緊后，可產生徑向力使夾緊法蘭帶齒紋的內表面貼緊管道外壁部分，產生的摩擦力抵抗管道內壓對密封壓蓋的推力，密封壓蓋和管道之間用O型密封圈進行填充，滿足系統管道水壓試驗在受力平衡狀態下的密封試驗要求，也能滿足在試驗結束后系統內壁充氮氣保護的要求。

2.1 密封法蘭壓蓋結構

作為水壓試驗快速接頭的核心部件，密封法蘭壓蓋必須能夠承受足夠的軸向力，它與密封溝槽內的O型密封膠圈，在一定外力作用下形成嚴密的靜態密封結構。

2.1.1 法蘭蓋尺寸

法蘭壓蓋作為水壓試驗快速接頭主要受力部件，必須能夠承受足夠的軸向力，為此其厚度須經過設計計算確定，密封壓蓋的受力厚度計算公式如下：

(1)

其中，S為堵板厚度，mm；K為條件系數，K=0.4；D為壓蓋直徑，90 mm；[σ]為材料許用應力，當材質為Q235A時，[σ]=113 MPa；P內為快速接頭試驗內壓力，取4.5 MPa。

按照上述條件代入式(1)可得，密封壓蓋主要受力部位厚度為：S=7.2 mm。

本文中法蘭壓蓋主要受力部位厚度值S≈8.0 mm,滿足受力部位厚度要求。

法蘭密封壓蓋半徑根據屏蔽冷卻水管中心距為175 mm,根據試壓管道外徑及M8六角頭連接螺栓尺寸(螺栓參考國標GB/T 5782—2000)，考慮螺栓擰緊及拆卸操作要求,確定法蘭密封壓蓋尺寸如圖3所示，經實測密封壓蓋尺寸能夠滿足現場操作和管道間距要求。

2.1.2 快速接頭排氣管及密封溝槽

水壓試驗快速接頭排氣管在密封壓蓋結構中主要起到與壓蓋主體構成密封溝槽，并有效防止有破損的O型密封圈在取下密封壓蓋時落入試壓管道內部，作為排氣閥或壓力表安裝的連接管，其外形圖如圖4所示。為了防止排氣管在使用過程中產生銹蝕影響其使用功能，排氣管及帶內螺紋的管接頭材質均選用不銹鋼1Cr18Ni9進行加工制作。

該密封結構按照管道壁厚尺寸和密封圈的壓縮變形量進行密封溝槽形狀及尺寸設計，同時在密封溝槽設計時還參照軸向密封溝槽尺寸表見表1。

表1 軸向密封溝槽尺寸表 mm

密封溝槽外徑尺寸按照GB/T 3452.3—2005中5.2.2條公式d7≤d1+2d2進行計算，且當D=d7時(D為密封溝槽軸向外徑)，可得軸向密封溝槽的外徑尺寸D≤d1+2d2。

2.2 法蘭夾緊結構

法蘭夾緊結構由兩個法蘭內壁帶卡槽的半法蘭和四個緊固螺栓組成，具體見圖5，當使用該工具夾緊試壓管道時，應先將半法蘭上的凸肋對準試驗管道外壁上的卡槽，對準后旋緊緊固螺栓和螺母，此時可產生一定的徑向力，使法蘭夾緊結構帶齒紋的內壁貼緊試驗管道外壁，法蘭夾緊結構與管道產生摩擦力，該摩擦力用來抵抗四根連接螺栓對法蘭夾緊結構的軸向拉力F,試壓管道外壁上的卡槽與凸肋相互作用將為法蘭夾緊結構提供當摩擦力不足時接螺栓對法蘭夾緊結構的拉力。

3 受力分析及計算

為保證屏蔽冷卻水系統快速接頭水壓試驗安全，該快速接頭需要滿足管道內部壓力與摩擦力達到受力平衡的條件(即p=fm)，為此作用在密封壓蓋上的合力都應不大于夾緊法蘭與管道外壁間的摩擦力，快速接頭整體受力簡圖如圖6所示。

3.1 密封壓蓋、對夾法蘭受力分析及驗算

1)密封壓蓋受力分析及計算。

以密封壓蓋為研究對象,其主要受到管道內壓力和連接螺栓的拉力作用，在受力平衡狀態下其關系式如下：

fmin=P=n·f拉

(2)

(3)

由式(2)，式(3)可導出：

(4)

(5)

其中，d為管道內徑，mm;P內為水壓試驗壓強，MPa；f拉為連接螺栓對密封壓蓋的作用力；fmin為密封法蘭所需要的最小拉力；n為連接螺栓數量,n=4。

連接螺栓按受到拉力作用進行強度校核，則應滿足式(6)：

(6)

其中，[σ]為螺栓抗拉許用應力，取275 MPa。

2)對夾法蘭受力分析。

以對夾法蘭為主要研究對象,其主要受到法蘭內壁與管道外壁連接處摩擦力作用以及緊固螺栓的拉力作用，摩擦力的大小在摩擦系數一定的情況下，與正壓力N成正比，而正壓力N的變化則取決于緊固螺栓與螺母旋緊的程度，其關系式如下：

F摩擦力=fmin

(7)

F摩擦力=f·N

(8)

N=4N1

(9)

由上述公式可得出緊固螺栓擰緊力大小：

(10)

(11)

其中，N1為緊固螺栓與螺母所受拉力；f為對夾法蘭與管道外壁連接處摩擦系數，有齒紋時，取0.2。

低碳經濟就是利用技術創新、新能源開發、制度創新和產業轉型優化等方式，最大限度控制空氣中溫室氣體的含量，逐漸達到生態環境保護和社會高速發展平衡的經濟發展狀態。

對夾法蘭上凸肋與管道外壁卡槽咬合后，主要防止摩擦力不足時，對夾法蘭位置發生滑動，水壓試驗快速接頭密封失效的情況發生，為此假設當摩擦力F摩擦力=0時，密封壓蓋受到的軸向作用力全部由法蘭內壁凸肋和卡槽之間所受剪力提供，為此對夾緊法蘭凸肋進行受力分析:

凸肋受剪面積計算S2：

S2=π·D·δ

(12)

其中，D為試驗管道外徑，取38 mm；δ為凸肋寬度,取5 mm。

則S2=0.000 596 m2。凸肋在連接螺栓拉力作用下強度σ′計算：

(13)

3.2 受力校核

管徑為φ38×4的無縫鋼管用快速接頭進行水壓試驗，該快速接頭試驗壓力為4.5 MPa，管道材質為20號鋼，選用的連接螺栓和緊固螺栓為M8×120 mm，材料為30CrMoA，其許用應力為[σ]=275 MPa。連接螺栓和緊固螺栓數量各4個，對夾法蘭內壁齒紋間距S=2.5 mm,齒紋頂部寬度為1 mm，對夾法蘭與管道內壁接觸長度L=54 mm。20號鋼管在常溫下的許用應力[σb]=(1.7～2.0)σ=220 MPa，各部分強度驗證校核。

2)螺栓受到拉伸力f拉：

連接螺栓強度校核：

σ1<[σ]。

3)對夾法蘭緊固螺栓強度校核：

σ2<[σ]。

4)夾緊法蘭內壁凸肋在連接螺栓拉力作用下受剪力強度σ′計算：

經過驗證，以上各項均滿足強度條件，設計尺寸符合水壓試驗要求。

4 快速接頭試驗

4.1 快速接頭壓力及密封性能試驗

為了驗證水壓試驗快速接頭的密封性能，快速接頭的設計壓力按3.0 MPa計，水壓試驗壓力4.5 MPa，試驗溫度為常溫。試壓時應緩慢升壓達到試驗壓力后穩壓時間為10 min,再將試驗壓力降至設計壓力，穩壓時間為30 min,以壓力表不降或快速接頭各個部件無泄漏為合格。為驗證該快速接頭的使用性能進行水壓試驗次數為10次，試驗流程圖如圖7所示。

經測試在試驗壓力為4.5 MPa，穩壓時間10 min內無泄漏、壓力表讀數無變化；在壓力降至設計壓力3.0 MPa,穩壓時間30 min內無泄漏、壓力表讀數無變化。該快速試壓接頭密封性能可靠，各部件尺寸設計合理。

4.2 快速接頭壓力及密封性能試驗

為驗證該快速接頭的便捷性能，進行10次連續不間斷的安裝到試驗完成全過程，4.5 MPa時和3.0 MPa時觀察時間各縮短為3 min，拆裝時間詳見表2。

表2 水壓試驗快速接頭拆裝試驗時間記錄表 min

經實測安裝時間平均為4 min，拆卸時間平均為1.5 min，達到預期快速拆裝的設計要求。

5 結語

水壓試驗快速接頭結構設計合理，使用方便，經過受力分析和強度計算及密封性能試驗的檢驗，證明水壓試驗快速接頭能夠滿足屏蔽冷卻水系統壓力試驗要求并安全可靠。在水壓試驗快速接頭重復使用過程中，注意檢查O型密封圈是否完好，如發現破損、裂口及時進行更換，防止因密封圈損壞導致密封結構失效。

[1] 陳鳳娟,龍友松,李鐵民.水壓試驗內脹塞的計算及應用[J].壓力容器,2001，8(5)：27-28.

[2] 吳孝儉,肖祥正.泄漏檢測[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3] GB/T 3452.1—2005,液壓氣動用O形橡膠密封圈 第1部分尺寸系列及公差[S].

[4] GB/T 3452.3—2005,液壓氣動用O形橡膠密封圈 溝槽尺寸[S].

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[7] 化工管路手冊[M].北京：化學工業出版社,1988.

The design and research on water pressure test quick joint

Zheng Yanqi

(ChinaNuclearIndustry23ConstructionLimitedCompany,Beijing101300,China)

This paper introduced the structure of water pressure test quick joint, made stress analysis and strength check to the main parts of quick joint, and through the test verified the leak tightness and convenience of quick joint, to meet the pressure test requirements of shielding cooling water system.

water pressure test, quick joint, leak tightness, stress analysis

1009-6825(2017)09-0108-03

2017-01-15

鄭艷奇(1983- )，男，工程師

TU991

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