核電站用卡套接頭與儀表管匹配試驗(yàn)分析

□張 樂(lè) 王蘭蘭

一、引言

隨著核電的規(guī)模化和批量化發(fā)展，目前我國(guó)已進(jìn)入核設(shè)備生產(chǎn)的高峰階段，相對(duì)于核電的技術(shù)密集性和核電設(shè)備的安全可靠性來(lái)說(shuō)，我國(guó)核電設(shè)備自主化和國(guó)產(chǎn)化的基礎(chǔ)還相對(duì)薄弱，在核心技術(shù)掌握和質(zhì)量管理方面還存在較大差距，核電設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行階段仍然存在著很多問(wèn)題。

核級(jí)儀表管閥件卡套接頭在核電站使用中應(yīng)滿(mǎn)足RCC-M2、3級(jí)管閥件規(guī)定的相應(yīng)規(guī)范要求。例如卡套接頭由于加工工藝或硬度要求等原因，應(yīng)采用316/316L不銹鋼，材料的機(jī)械性能也應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。為保證卡套接頭與儀表管的匹配性能，依照ASTM F1387標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行匹配性能試驗(yàn)，主要試驗(yàn)有拉伸試驗(yàn)、靜水驗(yàn)證、氣壓試壓、水壓爆破試驗(yàn)、重復(fù)裝配試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、脈沖試驗(yàn)、彎曲疲勞試驗(yàn)和旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)。在卡套接頭產(chǎn)品鑒定時(shí)，還需增加熱循環(huán)試驗(yàn)、耐火試驗(yàn)、扭力試驗(yàn)及過(guò)擰緊試驗(yàn)等。

二、卡套接頭匹配試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及方法

(一)ASTM F1387。美標(biāo)ASTMF1387管道系統(tǒng)和配管機(jī)械連接件(MAF)性能技術(shù)規(guī)范，該規(guī)范給出了標(biāo)準(zhǔn)的卡套接頭與儀表管匹配試驗(yàn)的種類(lèi)及測(cè)試方法，是目前典型的卡套接頭與儀表管匹配性能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。通過(guò)管道配管或配件的機(jī)械形變，形成密封的約束連接，成功完成所述各種試驗(yàn)即視為完成技術(shù)的鑒定過(guò)程。在選取機(jī)械連接管件時(shí)，卡套接頭適用于類(lèi)型IV，即卡套環(huán)可以從其末端向機(jī)械連接管件主體中心伸縮“壓合”。安裝工具驅(qū)動(dòng)壓緊成型的卡套環(huán)在機(jī)械連接管件主體上，軸向前進(jìn)到一個(gè)固定的鎖止位置。壓緊成型的套環(huán)將機(jī)械連接管件壓緊到管道或配管上而形成一種金屬對(duì)金屬的密封。這種密封通過(guò)壓緊成型的套環(huán)軸向施加在密封表面上的作用力而得到永久的保持。

(二)ASME BPV Code,Section III。核電規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)核設(shè)施部件建造規(guī)則，英文描述為ASME BPV Code,Section III，該規(guī)范中NC分卷的管道設(shè)計(jì)篇中的NC-3673.2基本假設(shè)和要求給出了應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)i的概念，應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)是彈性力學(xué)的范疇，當(dāng)計(jì)算固定點(diǎn)之間管道系統(tǒng)的撓性時(shí)，應(yīng)將固定點(diǎn)之間的管道系統(tǒng)作為一個(gè)整體處理，在應(yīng)力集中處，應(yīng)力的最大值是與幾何形狀和加載方式有關(guān)的一個(gè)系數(shù)。應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)在疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定，計(jì)算公式為：iS=24,500N-0.2。其中：i:應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)；S：外加于失效部位的彎曲應(yīng)力值，單位psi(MPa)；N：失效的循環(huán)次數(shù)。i值通過(guò)計(jì)算小于等于2.3，標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為管配件的疲勞試驗(yàn)合格，滿(mǎn)足要求。

(三)SAE ARP1185 Revision B。液壓油管接頭和配件的撓曲試驗(yàn)，該方法在接頭連接處施加完全相反的彎曲應(yīng)力，同時(shí)用液壓油加壓至工作壓力。測(cè)試樣品進(jìn)行彎曲直到卡套接頭泄漏、鋼管斷裂或至少達(dá)到1,000萬(wàn)次循環(huán)，以先發(fā)生者為準(zhǔn)。管道系統(tǒng)如果持續(xù)超過(guò)1,000萬(wàn)次的測(cè)量數(shù)據(jù)，它將具有無(wú)限的壽命。

圖1

(四)部分試驗(yàn)方法介紹。核電站用卡套接頭與儀表管的匹配試驗(yàn)，一般依照ASTM F1387規(guī)定的試驗(yàn)方法及判定依據(jù)執(zhí)行。

圖2

1.旋轉(zhuǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)(316L的3/8〞OD*3/8〞OD卡套接頭匹配3/8〞OD,1.65MM壁厚不銹鋼管)。方法1，通過(guò)ASTM F1387進(jìn)行判定：依據(jù)文件ASTM F1387：1999 A10，試驗(yàn)應(yīng)先確定加載彎矩，彎矩的加載是通過(guò)確定應(yīng)變值實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)變值(應(yīng)變=應(yīng)力/彈性模量)即§=f/σ=485×0.35×106/195,000=870.52，彎矩加載到位后，試樣加壓至3.45MPa，試樣旋轉(zhuǎn)106圈，且轉(zhuǎn)速不低于1750轉(zhuǎn)/分，在試驗(yàn)過(guò)程中觀察試壓用壓力表無(wú)變化，旋轉(zhuǎn)完成后，通水壓，無(wú)泄漏。

方法2，通過(guò)SAE ARP1185進(jìn)行判斷：將每個(gè)測(cè)試樣品連接到旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)裝置的偏移對(duì)每個(gè)樣品施加彎曲應(yīng)力。用液壓油將試樣加壓至管的工作壓力，測(cè)試樣品彎曲直到接頭泄漏，管斷裂，或達(dá)到1,000萬(wàn)次循環(huán)，以先發(fā)生者為準(zhǔn)。如果出現(xiàn)配件泄漏或管疲勞斷裂，實(shí)時(shí)壓力傳感器停止測(cè)試。如果所有樣品在測(cè)試期間未見(jiàn)泄露，則測(cè)試樣品通過(guò)旋轉(zhuǎn)彎曲測(cè)試，或證明對(duì)于給定的彎曲應(yīng)力滿(mǎn)足或超過(guò)具有應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)值i，即為合格，同時(shí)可以形成S-N曲線，繪制S-N曲線分析圖。

2.彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)(3/8〞OD*1/4〞OD卡套接頭匹配1/4〞。OD,1.65MM壁厚不銹鋼管)。依據(jù)文件ASTM F1387：1999 A16，試驗(yàn)樣品規(guī)格為1/4”O(jiān)DTUBE管和卡套接頭，應(yīng)先確定加載彎矩，彎矩的加載是通過(guò)確定應(yīng)變值實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)變值(應(yīng)變=(標(biāo)準(zhǔn)值-額定壓力產(chǎn)生的軸向內(nèi)應(yīng)力)/彈性模量)即§=(fa-S)/σ=(259-5.2)×106/195,000=1301.5，彎矩加載到位后，使用位移百分表測(cè)出自由端振幅，再將試樣調(diào)整至平衡位置，而后以測(cè)量出的振幅進(jìn)行30,000個(gè)周期的循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，無(wú)泄漏。

圖3

3.振動(dòng)實(shí)驗(yàn)(3/8〞OD*3/8〞OD卡套接頭匹配3/8〞。OD,1.65MM壁厚不銹鋼管)。依據(jù)文件ASTM F1387：1999 S8。試驗(yàn)樣品為3/8〞OD的TUBE管和卡套接頭。試驗(yàn)應(yīng)先通過(guò)探索性振動(dòng)實(shí)驗(yàn)、變頻試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)找出試樣總成的共振頻率(根據(jù)物體質(zhì)量與共振頻率之間的關(guān)系f=(√(K/m)/2π)，試樣樣品的質(zhì)量越小，共振頻率越大，在振幅為0.3mm，倍頻為1時(shí)進(jìn)行頻率掃描，沒(méi)有共振現(xiàn)象產(chǎn)生。故在標(biāo)準(zhǔn)中要求的最大33Hz的頻率下在每個(gè)方向進(jìn)行2小時(shí)的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)期間無(wú)壓力損失現(xiàn)象。

圖4

4.循環(huán)脈沖試驗(yàn)(3/8〞OD*3/8〞OD卡套接頭匹配3/8〞。OD,1.65MM壁厚不銹鋼管)。傳感器高效高壓試驗(yàn)臺(tái)采用電磁閥控制，抗沖擊能力較弱，故試驗(yàn)中采用了抗沖擊能力較強(qiáng)的機(jī)械閥門(mén)控制的脈沖試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了106次循環(huán)脈沖試驗(yàn)，且速度不超過(guò)每分鐘75周期。試驗(yàn)壓力為額定性能壓力的133%，然后減壓至壓力不大于額定性能壓力20±5%。脈沖試驗(yàn)完成后，試樣應(yīng)按要求進(jìn)行靜水壓力試驗(yàn)。脈沖測(cè)試或靜水壓力測(cè)試過(guò)程中應(yīng)無(wú)滲漏跡象。

圖5

三、結(jié)語(yǔ)

卡套接頭的使用特點(diǎn)為多次拆裝，方便更換，通過(guò)研究分析核電站用卡套接頭與儀表管的匹配試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及方法，可以更有利地保證其密封性和使用的安全性。ASTM F1387和SAE ARP1185系統(tǒng)地介紹了卡套接頭和儀表管的匹配試驗(yàn)。大多卡套接頭在設(shè)計(jì)初期或形成樣件時(shí)，都必須經(jīng)過(guò)匹配試驗(yàn)的驗(yàn)證。目前國(guó)內(nèi)核電站用的卡套接頭，從使用角度看，在設(shè)計(jì)初期就將試驗(yàn)要求和標(biāo)準(zhǔn)納入技術(shù)規(guī)范中。但考慮有時(shí)存在多品牌供貨和互相配合的情況，目前在進(jìn)一步研究具體試驗(yàn)方法和匹配模式。