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現管路的接通和斷開，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用［1-4］。地震是危害核電站及相關核電產品安全可靠運行的主要因素之一［5］。為了保證核電站的安全運行，核電站所使用的設備都要經過抗震分析，確保其抗震能力良好，在遇到地震時，設備的結構和功能性能滿足要求［6-8］。用于核電站管路系統中快速接頭，作為核電管路中重要的連接裝置，必須要進行抗震特性的分析。

目前，國內對快速接頭的研究主要集中在不同因素對快速接頭的強度、疲勞、沖蝕、氣密等性能的影響。張瑜等［9］通過數值模擬的方法，建立了卡簧式快速接頭有限元模型，對快速接頭進行了強度分析，并研究了卡簧損傷位置對接頭強度的影響。庹鑫等［10］建立了隔水管整體和接頭局部計算模型，研究了接頭在最大荷載下的應力分布情況，并對影響疲勞損傷的因素進行了參數敏感性分析。李新迪等［11］采用數值模擬方法，研究了不同入口速度、質量流率下的快速接頭沖蝕磨損情況，研究發現，最大沖蝕速率與入口速度和質量流率都成正相關關系。國外針對快速接頭的研究較少，R. Selvam等［12］通過對幾何結構、材料和功能優化，提出一種新的增強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境更嚴苛，對抗震性等性能的要求也更高。目前，國內外針對核電用快速接頭的抗震特性的研究都很少，因此，有必要對核用快速接頭進行更深入的研究。

本文以某DN25型號的核用快速接頭為研究對象，研究了該型號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 計算模型

以某設計階段的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，設計壓力為2.3MPa，設計溫度為20℃，抗震等級為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，兩部分接頭對插，導向板相互擠壓，閥瓣打開內腔形成通路。通過一個推動連接套筒的動作，壓縮復位彈簧，鋼珠和卡簧被套壓，到達卡槽的位置，使得陰陽接頭鎖緊，O型圈密封；斷開時同理，兩邊密封彈簧從壓縮狀態到放開狀態，接頭閥瓣在彈簧力和介質壓力的作用下，隨著導向板貼緊到陰陽接頭內壁面，密封彈簧的彈簧力實現兩部分接頭的密封。管道與快速接頭通過兩端接頭的螺紋連接，通過過渡接頭實現焊接連接。由于快速接頭結構復雜，忽略倒角、鋼珠、密封圈等影響，采用實體單元進行網格劃分，使用六面體單元與四面體單元結合的方式對整體模型進行網格劃分，快速接頭內外部網格如圖2所示。

圖1 快速接頭模型

圖2 快速接頭有限元模型內外網格

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，材料的力學性能參數見表1，其中，E為設計溫度下的彈性模量，ρ為材料密度，μ為泊松比，S為設計溫度下的基本許用應力。

表1 快速接頭材料力學性能參數

1.2 載荷條件

快速接頭在服役過程中，承受自重以及內壓和地震等各種形式的外載荷，這些外載荷對連接可靠性有嚴格的要求。根據RCC-M規范［13］，應考慮載荷組合和相應的應力限值，詳見表2。本次分析中，選取最危險工況即事故工況進行分析。

表2 不同工況下的載荷組合和應力限值

在事故工況下，快速接頭承受1.3倍設計壓力為2.99MPa，在x、y、z方向同時施加6g的加速度，模擬地震載荷［14］。根據快速接頭的連接工況，接頭一側與上游管道間用螺紋連接，邊界條件中約束連接處的6個自由度，接頭另一側與下游管道連接，不做約束，邊界條件如圖3所示。導向板與接頭主體內壁的接觸、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 快速接頭模態分析

要求快速接頭在地震載荷及設計載荷作用下保持結構完整，一般認為抗震等級I類的核電產品固有頻率大于33Hz，即滿足抗震要求［15］。模態分析時是否施加預應力沒有統一規定。本研究分別計算了有預應力和只施加固定約束兩種工況的模態［16］，結果表明，腔內充壓對快速接頭的固有頻率有一定影響，基于預應力的模態計算結果較為保守。但是，為了與后續樣機測試的結果進行對照，本文基于預應力進行模態計算，也方便對快速接頭進行應力評價。

快速接頭可以實現快速插拔的功能，本研究對陰、陽兩部分接頭分別進行數值計算以模擬快速接頭接通前或斷開后的狀態。計算得到快速接頭第一階模態下的振型圖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

從模態分析中發現，復位彈簧是影響快速接頭第一階固有頻率的關鍵部位。通過調整復位彈簧的中經、簧絲直徑、有效圈數以改變彈簧剛度，從而研究復位彈簧對首階固有頻率的影響。結果發現：隨著彈簧中經變小，簧絲直徑變大，有效圈數變小，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、內壓、3個方向地震載荷共同作用下的應力云圖如圖5所示，快速接頭總成產生的最大應力為39.53MPa，陽接頭體最大應力為72.08MPa，陰接頭體最大應力為91.70MPa。根據RCC-M規范，地震載荷下，各工況下的快速接頭應力均小于許用應力126.5MPa（1.1S），快速接頭應力條件滿足RCC-M抗震分析的要求。

圖5 快速接頭應力云圖

4 試驗驗證

在產品設計階段，通過有限元仿真的手段，調整復位彈簧的中經、簧絲直徑、有效圈數等，從而改變彈簧剛度，最終使得設計的核電用快速接頭滿足抗震性能要求。現在，通過振動試驗進行驗證，快速接頭的水平振動和垂直振動的安裝方式如圖6所示，通過對核電用快速接頭施加振動試驗的環境試驗應力，分批次分別對樣品x向和z向施加規定的正弦掃頻振動應力。經過驗證，振動試驗后樣品的外觀、結構、功能和性能完好，所設計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試驗安裝方式

5 結論

本文采用有限元分析軟件，建立了快速接頭計算模型，研究了快速接頭在典型工況下的抗震性能。本文對快速接頭的抗震分析方法對以后核電產品的抗震性能分析及結構優化具有一定指導作用。本文研究的主要結論如下。

（1）基于預應力的快速接頭進行抗震分析，以驗證快速接頭在工作狀態下發生地震能否安全可靠運行，結合第一階固有頻率和應力狀態進行分析，發現該型號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變小、簧絲直徑變大、有效圈數變小而變大。