核電廠國產化核級儀表卡套接頭低溫滲碳裝置研究

吳利杰，吳其堯，馬若群，張其先，薛 源，劉金貴，張玉林

（1.中廣核工程有限公司，深圳 518116；2.江蘇科維儀表控制工程有限公司，鹽城 224001；3.生態環境部核與輻射安全中心，北京 100082）

卡套連接是一種可靠、易于拆卸安裝的連接方式［1］，同時又具備良好的密封、耐高溫高壓及重復拆裝性能，在核電站的小口徑儀表管線系統中得到廣泛應用。

核級儀表卡套接頭屬于重要的儀表管閥件安裝材料，大量應用于RCV、RCP等帶有反應堆冷卻劑或硼酸的一回路及二回路系統，如果卡套接頭連接的密封性不好，將會導致儀表管線發生泄漏，儀表失效，無法監測系統工作情況，進而影響系統的正常運行，因此其在核電項目中具有十分重要的地位。以往核電項目核級儀表卡套接頭均由國外公司壟斷供貨，其供貨進度和成本壓力居高不下，因此在役機組的安全運行及在建機組均存在卡脖子問題。

對比CPR1000技術路線，按照三代核電標準設計建造的華龍一號核電項目，其設計壓力及溫度提升，進一步增加了國產化的研發難度。

國產的卡套接頭普遍存在密封性能不佳和可靠性差的問題，卡套容易失效［2］。如何提升自主研發的核級儀表卡套接頭的密封性及可靠性，成為國產化研發過程中需解決的關鍵問題。

1 核級儀表卡套接頭的結構及密封原理

1.1 核級儀表卡套接頭的結構形式

卡套接頭按卡套結構形式可分為單卡套接頭和雙卡套接頭。

單卡套接頭在完成與鋼管的裝配后，產生塑形變形，重復拆裝后由于接頭體與卡套之間沒有裝配補償量導致容易泄漏。雙卡套接頭對比單卡套接頭具有更加良好的的抗沖擊、溫差補償、重復拆裝及密封性能［3］。

核級儀表卡套接頭采用雙卡套接頭結構形式，由前卡套、后卡套、接頭本體和螺母四個部分組成，見圖1。其中卡套是起連接和密封作用的關鍵元件。

圖1 儀表卡套接頭結構圖Fig.1 Instrument Tube Fitting structure drawing

雙卡套可形成夾箍式抱緊結構，并實現兩級緊固密封。

1.2 核級儀表卡套接頭的密封原理

如圖2所示，裝配時將儀表管插入卡套接頭中并擰緊螺母，螺母推進后卡套向前移動，然后前卡套被后卡套推著向軸線運動，在螺旋力作用下，前卡套開始變形擴張，導致接頭本體的內錐面與前卡套的外錐面進行貼合，同時儀表管被擠壓進而同前卡套刃口構成有效密封區域。

圖2 儀表卡套接頭密封原理圖Fig.2 Instrument Tube Fitting Sealing schematic drawing

隨著螺母繼續擰緊，前卡套的尾部被后卡套擠壓的程度增大，造成前卡套發生傘狀變形，本體內錐面和前卡套外錐面也將繼續擴大接觸面積，導致面密封的形成。同時前卡套的刃口在徑向力的作用下繼續產生徑向收縮［4］，與儀表管外壁的間隙將進一步消除，在前卡套和儀表管間形成第一道緊固密封。

后卡套擠壓前卡套時，其外錐面支撐住前卡套尾端，刃口沿徑向收縮且夾緊儀表管，使儀表管發生變形，形成第二道緊固密封。

鋼管的管壁被卡套的刃口切入形成閉口環槽，卡套刃口嵌入環槽內，起到抗脫拔和內密封作用。

2 核級儀表卡套接頭國產化研發的技術要求

HAF 102-2004《核動力廠設計安全規定》主要基于國家原子能機構（簡稱IAEA）的安全標準文件編制［5］，國產化研發規格書符合HAF 102的要求。

2.1 主要技術要求

工作介質為反應堆冷卻劑或硼酸溶液；

（1）卡套接頭接口尺寸：1/4"、3/8"、1/2"OD，接頭型式：直通、彎通、三通、四通；

（2）核安全2級或3級，質保等級為Q1、Q2、Q3，抗震級別為SSE1/I。

2.2 材料要求

核級儀表卡套接頭材料采用Z2CND17-12（316L），Z5CND17-12（316）不銹鋼，使用RCCM之外的材料其標準應不低于RCC-M的要求。

2.3 鑒定要求

對于核級儀表卡套接頭，研發單位需依據ASTM F1387的要求完成如下鑒定試驗：

（1）氣壓試驗；

（2）水壓爆破試驗；

（3）水壓試驗；

（4）拉伸試驗；

（5）脈沖試驗；

（6）彎曲疲勞試驗；

（7）重復裝配試驗；

（8）旋轉彎曲試驗；

（9）振動試驗。

3 核級儀表卡套接頭裝配過程有限元仿真

3.1 裝配工藝

裝配前需去除鋼管端口毛刺，端面需平整并與軸線保持垂直。鋼管表面保持光滑，無劃痕、碰傷等缺陷。

如圖3所示，依次將螺母、后卡套、前卡套套在鋼管上，然后將鋼管插入接頭本體底部，用手旋緊螺母。此時在螺母與接頭之間做一個標記，一邊用扳手夾持住接頭本體，一邊用另一個扳手旋轉螺母1-1/4圈，上述安裝過程完畢后即可實現卡套接頭可靠密封。

圖3 安裝示意圖Fig.3 Installation drawing

3.2 裝配過程有限元仿真分析

本文采用ANSYS有限元分析軟件來分析核級儀表卡套接頭在裝配過程中的應力和應變情況。建模和分析計算的步驟如下：

3.2.1 分析設置

（1）輸入材料參數：前后卡套和螺母材質采用不銹鋼316，接頭本體材質采用不銹鋼316L，在模型中輸入相應材質的彈性模量、密度和泊松比等材料參數。

（2）模型的簡化：有效簡化需要分析的模型，去掉不需要的倒角及本體、螺母含有的螺紋，方便有效計算。

（3）接觸對的設置：接頭各個部位的接觸面均是對稱的，類型設置成摩擦接觸。

（4）劃分網格：依據簡化后模型確定單元類型，本次分析選用實體單元類型，前后卡套容易應力集中，因此需對其網格進行細化。

（5）設置邊界條件：分析過程中在螺母一端施加一定預緊力，并固定接頭本體。

3.2.2 分析結果

如圖4所示，在裝配的起始點卡套接頭并未產生應力。

圖4 起始點-手緊螺母Fig.4 Starting point-hand tight nut

當旋緊螺母1/4圈，前后卡套已逐漸開始擴張變形，此時卡套部分產生的應力和應變較大，螺母和接頭本體產生的應力和應變較小。見圖5。

圖5 旋緊螺母1/4圈Fig.5 Tighten the nut 1/4 turn

當旋緊螺母1/2圈，受卡套徑向收縮影響，鋼管開始產生應力和應變，接頭本體內錐面與前卡套外錐面開始進行貼合，見圖6。

圖6 旋緊螺母1/2圈Fig.6 Tighten the nut 1/2 turn

繼續旋緊螺母3/4至1圈，卡套產生傘狀類的變形，本體內錐面和前卡套外錐面也將繼續擴大接觸面積，導致面密封的形成，與此同時后卡套的外錐面與前卡套尾部錐面完成貼合，見圖7和圖8。

圖7 旋緊螺母3/4圈Fig.7 Tighten the nut 3/4 turn

圖8 旋緊螺母1圈Fig.8 Tighten the nut 1 turn

圖9 旋緊螺母1-1/4圈Fig.9 Tighten the nut 1-1/4 turn

旋緊螺母1-1/4圈，裝配完成，刃口向內收縮并夾緊鋼管，內外錐面已完成貼合，形成兩道緊固密封。

上述仿真分析的結果表明：安裝完成后產生應力最為集中的部位為后卡套，后卡套起著關鍵的支撐作用，對其硬度有一定要求，如果后卡套硬度低、脆性大且應力集中，則容易造成卡套變形斷裂，進而失效。因此需對后卡套選取合理的表面強化工藝，這也是確保卡套接頭密封性能的關鍵。

4 后卡套表面低溫滲碳處理

后卡套的壁厚很薄，通過上述有限元分析可知，其受力后將產生較大變形，硬度要求高的同時還不能產生局部崩裂，對后卡套采取低溫滲碳的表面強化工藝可有效解決這個問題，其表面硬度及內部韌性均能得到相應加強。

4.1 奧氏體不銹鋼低溫滲碳原理

奧氏體不銹鋼表面低溫氣體滲碳是自20世紀70年代以來發展的表面強化工藝，它在550℃（碳化鉻形成溫度）以下進行低溫滲碳，由于滲碳后不會析出碳化鉻，造成不銹鋼表面貧鉻現象，因此不會降低不銹鋼的耐腐蝕性能，同時還能實現表面強化。滲碳時，活性碳原子擴散至奧氏體不銹鋼的表面及心部，并溶于晶格中形成固溶體，導致出現過飽和固溶現象。

滲碳后，滲碳層均勻的附著在奧氏體不銹鋼的表面，并具有較大的殘余應力，在大幅提升表面硬度的同時，也加強了耐應力腐蝕和抗疲勞等性能［6］。

4.2 低溫滲碳工藝過程

后卡套材質采用316奧氏體不銹鋼，具體低溫滲碳工藝過程由活化及滲碳組成：

（1）活化：首先把后卡套放入滲碳裝置加熱至一定溫度，然后加入鹵化物與后卡套表面形成的鈍化膜發生作用，產生揮發性的鹽，目的是去除后卡套表面的鈍化膜，完成第一步活化。

（2）滲碳：完成活化后，加入氣體（富碳）加熱到480℃-520℃，持續一段時間，隨著時間增加，滲碳層厚度會不斷增厚，最內層的一部分碳原子會逐步從表層向心部擴散，完成第二步滲碳。

5 后卡套低溫滲碳裝置

5.1 滲碳裝置原理

滲碳裝置如圖10所示，裝置的原理為：

圖10 滲碳裝置圖Fig.10 Carburizing device drawing

（1）滲碳：后卡套懸掛于掛具上，供氣管用于滲碳氣體等的導入，開啟滲碳過程，真空管外接真空泵，真空泵運作會使得馬弗罐體與爐腔內頂端壁之間形成真空腔，測壓管外接壓力檢測器，用于檢測所形成的真空腔內部氣壓情況。

（2）碳黑掉落：振動電機運作，通過偏心軸頭會帶動掛具軸擺動，掛具軸通過底部設有的球形鉸鏈機構，使得其具有適當的擺動空間。當振動電機帶動掛具軸擺動時，后卡套與掛具之間會產生相對抖動，風扇電機運作帶動扇葉轉動，后卡套的抖動加上爐內空氣對流會使得工件表面附有的碳黑掉落。碳黑在掉落過程中，會通過通口掉落于第一球形凹面與第二球形凹面所組合形成的空腔內。

5.2 滲碳效果

常規的低溫滲碳裝置由于后卡套表層的碳黑受保護氣體保護，會一直附在后卡套表面上。隨著滲層厚度不斷增厚，最內層碳黑的一部分碳原子會慢慢從工件表層向工件表層內擴散，使得工件表層碳黑里的碳原子濃度在減少，這樣會使得工件表面碳原子滲入工件的速度減慢，使得滲碳的效果不好。

該滲碳裝置通過振動電機、偏心軸頭帶動掛具軸擺動，會使得掛具與后卡套之間產生相對的震動，把均勻風力改變成變向風力，變向風力與后卡套震動雙重作用，會使落在工件表面上的碳黑更容易掉落。工件上低濃度的碳黑脫落后，震動停止，新的高濃度的碳黑又會重新吸附在工件表面，加速了碳原子在工件表面的吸收與擴散。通過強迫振動及時去除滲碳件上的低濃度碳黑，使低溫真空脈沖滲碳的工件表面即時獲得規定碳濃度的滲碳氣氛，加快了碳原子的吸附與擴散，取得良好的滲碳效果，見圖11。

圖11 滲碳效果圖Fig.11 Carburizing effect drawing

通過該裝置，后卡套滲碳后的效果已等同于國外先進水平的卡套接頭，見表1。

表1 滲碳效果對比Table 1 Carburizing effect comparison

續表

6 鑒定試驗結果

國產化研發的核級儀表卡套接頭經委托第三方試驗機構，已按照ASTM F1387的要求完成了氣壓試驗，水壓爆破試驗，水壓試驗，拉伸試驗，脈沖試驗，彎曲疲勞試驗，重復裝配試驗，旋轉彎曲試驗，振動試驗［7-8］等9項鑒定試驗項目。試驗結果滿足標準及技術規格書的要求，其中脈沖試驗的現場照片如圖12所示。

圖12 脈沖試驗Fig.12 Impulse test

7 結論

（1）核級儀表卡套接頭采用雙卡套結構形式，可形成夾箍式抱緊結構，并實現兩級緊固密封，具備良好的密封、耐高溫高壓及重復拆裝等性能。

（2）通過對核級儀表卡套接頭的裝配過程有限元分析得出：卡套接頭應力最為集中的部位為后卡套，對后卡套選取合理的表面強化工藝，是確保卡套接頭密封性能的關鍵。

（3）對后卡套采取低溫滲碳的表面強化工藝可使其表面硬度及內部韌性得到加強，本文研究的滲碳裝置可加快碳原子的吸附與擴散，取得良好的滲碳效果，并達到國外先進水平。

（4）國產化研發的核級儀表卡套接頭已成功通過了設備鑒定試驗，已滿足華龍一號核電機組的技術要求。