某核電用快速接頭抗震特性分析

薛源 范榮超 劉金貴 劉艷 蔣燕祥 杜虎虎 陳欽閃

（1.中廣核工程有限公司 廣東深圳 518124；2.航天晨光股份有限公司 江蘇南京 211100）

快速接頭能夠快速方便地實(shí)現(xiàn)管路的接通和斷開，還可以在斷開前泄壓，有效防止管路斷開后殘留壓力導(dǎo)致的甩擊傷人，目前，在需要頻繁插拔的輸送管路中被廣泛運(yùn)用［1-4］。地震是危害核電站及相關(guān)核電產(chǎn)品安全可靠運(yùn)行的主要因素之一［5］。為了保證核電站的安全運(yùn)行，核電站所使用的設(shè)備都要經(jīng)過抗震分析，確保其抗震能力良好，在遇到地震時(shí)，設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能性能滿足要求［6-8］。用于核電站管路系統(tǒng)中快速接頭，作為核電管路中重要的連接裝置，必須要進(jìn)行抗震特性的分析。

目前，國內(nèi)對(duì)快速接頭的研究主要集中在不同因素對(duì)快速接頭的強(qiáng)度、疲勞、沖蝕、氣密等性能的影響。張瑜等［9］通過數(shù)值模擬的方法，建立了卡簧式快速接頭有限元模型，對(duì)快速接頭進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并研究了卡簧損傷位置對(duì)接頭強(qiáng)度的影響。庹鑫等［10］建立了隔水管整體和接頭局部計(jì)算模型，研究了接頭在最大荷載下的應(yīng)力分布情況，并對(duì)影響疲勞損傷的因素進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析。李新迪等［11］采用數(shù)值模擬方法，研究了不同入口速度、質(zhì)量流率下的快速接頭沖蝕磨損情況，研究發(fā)現(xiàn)，最大沖蝕速率與入口速度和質(zhì)量流率都成正相關(guān)關(guān)系。國外針對(duì)快速接頭的研究較少，R.Selvam等［12］通過對(duì)幾何結(jié)構(gòu)、材料和功能優(yōu)化，提出一種新的增強(qiáng)型液壓快速釋放接頭，并證明了這種快速接頭的性能明顯優(yōu)于目前的商用快速接頭。

核電用快速接頭比普通快速接頭工作環(huán)境更嚴(yán)苛，對(duì)抗震性等性能的要求也更高。目前，國內(nèi)外針對(duì)核電用快速接頭的抗震特性的研究都很少，因此，有必要對(duì)核用快速接頭進(jìn)行更深入的研究。

本文以某DN25型號(hào)的核用快速接頭為研究對(duì)象，研究了該型號(hào)快速接頭在典型工況下的抗震性能及主要影響因素。本文研究方法對(duì)快速接頭抗震性能分析具有一定的參考意義。

1 工況分析

1.1 計(jì)算模型

以某設(shè)計(jì)階段的DN25型快速接頭為例，快速接頭模型如圖1所示。快速接頭公稱直徑為25mm，設(shè)計(jì)壓力為2.3MPa，設(shè)計(jì)溫度為20℃，抗震等級(jí)為I類。快速接頭主體由陽接頭和陰接頭組成，通過O型圈密封，連接時(shí)，兩部分接頭對(duì)插，導(dǎo)向板相互擠壓，閥瓣打開內(nèi)腔形成通路。通過一個(gè)推動(dòng)連接套筒的動(dòng)作，壓縮復(fù)位彈簧，鋼珠和卡簧被套壓，到達(dá)卡槽的位置，使得陰陽接頭鎖緊，O 型圈密封；斷開時(shí)同理，兩邊密封彈簧從壓縮狀態(tài)到放開狀態(tài)，接頭閥瓣在彈簧力和介質(zhì)壓力的作用下，隨著導(dǎo)向板貼緊到陰陽接頭內(nèi)壁面，密封彈簧的彈簧力實(shí)現(xiàn)兩部分接頭的密封。管道與快速接頭通過兩端接頭的螺紋連接，通過過渡接頭實(shí)現(xiàn)焊接連接。由于快速接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，忽略倒角、鋼珠、密封圈等影響，采用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用六面體單元與四面體單元結(jié)合的方式對(duì)整體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，快速接頭內(nèi)外部網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 快速接頭模型

圖2 快速接頭有限元模型內(nèi)外網(wǎng)格

快速接頭的主體材料為S31603，彈簧的材料為17-7PH，卡簧的材料為1Cr18Ni9，材料的力學(xué)性能參數(shù)見表1，其中，E為設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量，ρ為材料密度，μ為泊松比，S為設(shè)計(jì)溫度下的基本許用應(yīng)力。

表1 快速接頭材料力學(xué)性能參數(shù)

1.2 載荷條件

快速接頭在服役過程中，承受自重以及內(nèi)壓和地震等各種形式的外載荷，這些外載荷對(duì)連接可靠性有嚴(yán)格的要求。根據(jù)RCC-M 規(guī)范［13］，應(yīng)考慮載荷組合和相應(yīng)的應(yīng)力限值，詳見表2。本次分析中，選取最危險(xiǎn)工況即事故工況進(jìn)行分析。

表2 不同工況下的載荷組合和應(yīng)力限值

在事故工況下，快速接頭承受1.3 倍設(shè)計(jì)壓力為2.99MPa，在x、y、z方向同時(shí)施加6g的加速度，模擬地震載荷［14］。根據(jù)快速接頭的連接工況，接頭一側(cè)與上游管道間用螺紋連接，邊界條件中約束連接處的6個(gè)自由度，接頭另一側(cè)與下游管道連接，不做約束，邊界條件如圖3所示。導(dǎo)向板與接頭主體內(nèi)壁的接觸、連接套筒與陽接頭體的接觸為無摩擦接觸，其他接觸為綁定接觸。

圖3 邊界條件

2 快速接頭模態(tài)分析

要求快速接頭在地震載荷及設(shè)計(jì)載荷作用下保持結(jié)構(gòu)完整，一般認(rèn)為抗震等級(jí)I類的核電產(chǎn)品固有頻率大于33Hz，即滿足抗震要求［15］。模態(tài)分析時(shí)是否施加預(yù)應(yīng)力沒有統(tǒng)一規(guī)定。本研究分別計(jì)算了有預(yù)應(yīng)力和只施加固定約束兩種工況的模態(tài)［16］，結(jié)果表明，腔內(nèi)充壓對(duì)快速接頭的固有頻率有一定影響，基于預(yù)應(yīng)力的模態(tài)計(jì)算結(jié)果較為保守。但是，為了與后續(xù)樣機(jī)測試的結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，本文基于預(yù)應(yīng)力進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，也方便對(duì)快速接頭進(jìn)行應(yīng)力評(píng)價(jià)。

快速接頭可以實(shí)現(xiàn)快速插拔的功能，本研究對(duì)陰、陽兩部分接頭分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算以模擬快速接頭接通前或斷開后的狀態(tài)。計(jì)算得到快速接頭第一階模態(tài)下的振型圖4所示，各階固有頻率見表3，快速接頭的首階頻率小于共振頻率33Hz，影響快速接頭固有頻率的關(guān)鍵部位在密封彈簧上。

表3 快速接頭固有頻率

圖4 快速接頭第一階振型

從模態(tài)分析中發(fā)現(xiàn)，復(fù)位彈簧是影響快速接頭第一階固有頻率的關(guān)鍵部位。通過調(diào)整復(fù)位彈簧的中經(jīng)、簧絲直徑、有效圈數(shù)以改變彈簧剛度，從而研究復(fù)位彈簧對(duì)首階固有頻率的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著彈簧中經(jīng)變小，簧絲直徑變大，有效圈數(shù)變小，彈簧剛度變大，快速接頭的首階固有頻率變大。

3 快速接頭抗震分析

自重、內(nèi)壓、3個(gè)方向地震載荷共同作用下的應(yīng)力云圖如圖5所示，快速接頭總成產(chǎn)生的最大應(yīng)力為39.53MPa，陽接頭體最大應(yīng)力為72.08MPa，陰接頭體最大應(yīng)力為91.70MPa。根據(jù)RCC-M規(guī)范，地震載荷下，各工況下的快速接頭應(yīng)力均小于許用應(yīng)力126.5MPa（1.1S），快速接頭應(yīng)力條件滿足RCC-M 抗震分析的要求。

圖5 快速接頭應(yīng)力云圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，通過有限元仿真的手段，調(diào)整復(fù)位彈簧的中經(jīng)、簧絲直徑、有效圈數(shù)等，從而改變彈簧剛度，最終使得設(shè)計(jì)的核電用快速接頭滿足抗震性能要求。現(xiàn)在，通過振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，快速接頭的水平振動(dòng)和垂直振動(dòng)的安裝方式如圖6所示，通過對(duì)核電用快速接頭施加振動(dòng)試驗(yàn)的環(huán)境試驗(yàn)應(yīng)力，分批次分別對(duì)樣品x 向和z 向施加規(guī)定的正弦掃頻振動(dòng)應(yīng)力。經(jīng)過驗(yàn)證，振動(dòng)試驗(yàn)后樣品的外觀、結(jié)構(gòu)、功能和性能完好，所設(shè)計(jì)的核電用快速接頭滿足抗震性能要求。

圖6 快速接頭水平方向和垂直方向振動(dòng)試驗(yàn)安裝方式

5 結(jié)論

本文采用有限元分析軟件，建立了快速接頭計(jì)算模型，研究了快速接頭在典型工況下的抗震性能。本文對(duì)快速接頭的抗震分析方法對(duì)以后核電產(chǎn)品的抗震性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定指導(dǎo)作用。本文研究的主要結(jié)論如下。

（1）基于預(yù)應(yīng)力的快速接頭進(jìn)行抗震分析，以驗(yàn)證快速接頭在工作狀態(tài)下發(fā)生地震能否安全可靠運(yùn)行，結(jié)合第一階固有頻率和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該型號(hào)快速接頭能夠滿足抗震要求。

（2）密封彈簧是影響快速接頭第一階固有頻率的關(guān)鍵部位，通過提高彈簧剛度，可以提升第一階固有頻率，快速接頭首階固有頻率隨著彈簧中經(jīng)變小、簧絲直徑變大、有效圈數(shù)變小而變大。