核電用快速接頭的改良設計及強度分析

陳崇昆 王均增 王昭君 黃瓊宇 杜虎虎 王為輝 郭志承 吳尚勛

（1.航天晨光股份有限公司金屬軟管分公司 江蘇南京 211153；2.中廣核工程有限公司 廣東深圳518026；3.東南大學機械工程學院 江蘇南京 211189）

快速接頭具有快速連接和斷開的特點，在需要頻繁插拔的輸送管路中被廣泛運用。隨著社會的發展，許多裝置設備不僅要求快速接頭在具備連接和斷開的功能之外，還要求其滿足高安全性、易操作性和高穩定性等特性。

目前，國內外對快速接頭的研究已經取得很多有價值的研究成果，主要涉及快速接頭的密封性設計、抗震特性分析、流體分析及失效分析等。例如，李森［1］設計了一種雙定位雙密封隔水管快速接頭，并基于整體靜力分析結果，對接頭局部進行了應力分析，這一設計可適用于多種海況，具有較高的安全性能；湯志東、贠超［2］對現有的快速接頭進行了較為全面的介紹，分析并討論了由手工對接改為自動對接所面臨的關鍵問題，對后續的相關研究起到了很好的指導作用；Sebastian R G［3］等提供了一種在液體管路中快速斷開接頭連接的方法，對降低液壓油的損耗上起到了很好的指導和借鑒意義；R.Selvam等［4］通過對幾何結構、材料和功能的優化，設計出一種新的增強型液壓快速釋放接頭，可以實現對液壓系統相關設備的服務、安裝和更換，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，對快速接頭的發展起到了極大的推動意義；Mirzaliev 等［5］利用SolidWorks Flow Simulation 軟件和西門子Amesim 水力設計工具建立了快速接頭的數學模型，得到了進行快速接頭設計的關鍵參數，提高了快速接頭設計的可行性；伍杜傲、高紅波等［6］基于有限元分析方法，分析了管接頭在自重、內壓及地震作用下的應力響應，對管接頭的抗震性能進行了分析和評定；李新迪等［7］建立了一種湍流模型，可以實現對不同入口速度下的快速接頭沖蝕磨損情況進行數值仿真分析，從而改善了快速接頭內壁沖蝕磨損嚴重的問題。

目前，國內外對于快速接頭的研究已經取得較大的成果，但是對于核電站氣體系統用快速接頭的研究還比較少。與普通快速接頭相比，核電用快速接頭的工作環境更加嚴苛，在進行接頭體斷開與連接的操作過程中，為防止接頭斷開時內部的殘留壓力甩擊傷人，因此，需要對核電用快速接頭的設計提出先安全泄壓再斷開連接的要求。調查發現，目前，國內的核電設備適用的快速接頭主要依靠進口，現有國產快速接頭的設計不能滿足核電設備的特殊要求，但是進口的快速接頭不但在價格上十分昂貴，而且供貨周期極長，特別是大口徑快速接頭尤其如此。經過對前人研究結果的總結和不斷地摸索改進，本文設計了一種新型快速接頭，可以實現其在連接、泄壓和斷開3種狀態間的快速切斷，進一步提高了工作過程的安全性和可靠性。同時，本文基于有限元分析軟件ANSYS-Workbench，對設計的快速接頭進行了地震工況下的強度分析，分析結果表明了改良設計的核電用快速接頭能夠滿足規范的強度要求。

1 結構與工作原理

目前，市場上快速接頭雖然有很多種型式，但是其工作原理與結構組成大同小異。本文設計的核電用快速接頭主要由陰接頭體和陽接頭體組成［8］，其總裝結構如圖1 所示，斷開連接后的陰接頭體和陽接頭體結構如圖2所示。

圖1 快速接頭總裝結構示意圖

圖2 接頭體結構示意圖

核電用快速接頭實現安全連接、泄壓和斷開的工作原理如下：進行陽接頭體與陰接頭體的連接時，首先壓緊外套，沿軸向方向推動陽接頭體，帶動接頭體內部導向板和閥瓣的移動，進而密封彈簧壓縮，打開陰接頭體內腔的同時，放開外套，使外套在二級復位彈簧的回彈力作用下退回原位，從而產生對鋼珠的壓緊力，達到鎖緊陽接頭體的目的，使陰陽接頭體在流體壓力作用下也無法分離，此時，管路內的液體或氣體介質被接通，形成一個連通的區域；斷開陰陽接頭體的連接時，為了提高操作的安全性，將操作過程設計為兩個步驟：第一，按壓一級復位套表面的按鈕，按鈕復位彈簧壓縮，從而解除外套和內套之間的軸向鎖定；第二，沿軸向推動外套，使鋼珠從陽接頭體表面的定位槽中彈出，陰接頭體內的導向板在密封彈簧作用下和閥瓣一起沿軸向移動，直至與陰接頭體內圓面貼合，形成密封的空間，同時，陽接頭體內的介質逸散，完成泄壓操作，安全泄壓后，陽接頭體和陰接頭體已完成斷開操作。

2 快速接頭基本設計思路

為了實現核電用快速接頭在安全連接、安全泄壓和斷開3 種狀態間的快速切斷，設計改進過程主要分為了以下4個部分。

2.1 鎖緊設計

鎖緊設計是為了實現陰陽接頭體之間的快速連接［9］。在連接狀態下，為使陰接頭體和陽接頭體處于鎖死狀態，共設計了兩級緊固結構。其中，一級緊固結構主要是通過內套將鋼球壓緊在陽接頭體表面的錐面定位槽內實現，二級緊固結構通過外套將鋼球壓緊在陽接頭體表面的導向定位槽中實現，即一級緊固設計實現完全約束，二級緊固設計實現導向約束。在連接狀態時，鋼球被外套壓住而無法退出，外套又由彈簧頂住，始終保持在左端位置。核電用快速接頭設計中的兩級鎖緊結構如圖3所示。

圖3 兩級緊固結構示意圖

另外，兩級鎖緊結構的設計還能夠減小工作狀態下由于流體沖擊和振動產生的結構微變形，提高了核電用安全快速接頭的整體剛度，從而對核電用安全快速接頭的抗震性能和工作穩定性也有一定的改善。

2.2 導向板設計

綜合考慮了結構的密封性要求和快速插拔的可操作性，在陽接頭體與閥瓣連接的位置設計了一種具有十字形外圓側邊的導向結構，如圖4 所示。在進行安全連接、安全泄壓和斷開時，該結構可以通過其十字形外圓側邊與陰接頭體的內圓面緊密貼合，從而將內腔的介質進行四等分，這一設計不僅能夠滿足陰陽接頭體在插拔過程中的直線運動的要求，同時還能夠減少流體通過變尺寸截面時所產生的激振效益，提高了核電用安全快速接頭的密封效果，使得核電用安全快速接頭在工作時能夠更加穩定，更加安全。

圖4 導向板結構示意圖

2.3 泄壓設計

為了達到快速泄壓、安全泄壓的目的，在陰接頭、內套和外套上分別設計了3 種緩釋孔，如圖5～圖7所示。

圖5 陰接頭體緩釋孔

圖6 內套緩釋孔

圖7 外套緩釋孔

其中，內套的緩釋孔采用變直徑設計，其最小直徑大于陰接頭和外套表面的緩釋孔直徑，這一設計可實現在核電用快速接頭切在換到泄壓狀態時，降低流體流經緩釋孔時由于流體釋放所產生的噪音和沖擊振動。

2.4 斷開卡接結構設計

為了提高核電用安全快速接頭在切換工作狀態時的安全性，在外套和內套之間設計了一種特殊的結構，稱為斷開卡接結構。該設計可以將斷開前的操作分為壓按鈕和推外套兩個步驟，工作人員斷開連接時，如果出現誤操作或者操作順序不對的情況，快速接頭的陰陽接頭體不會斷開，斷開卡接結構如圖8 所示。具體操作原理為：進行斷開操作時，首先向下按壓外套上的按鈕，帶動限位塊下移至下位置，此時，內套可以實現與外套之間的相互滑動，此時，松開按鈕，限位塊在按鈕復位彈簧的推力作用下會移動至上位置，從而將外套和內套鎖定。

圖8 斷開卡接結構示意圖

3 有限元模型與分析

隨著高性能計算機的發展及分析軟件技術的進步，有限元法作為一種經濟且高效的分析手段，在快速接頭領域也得到了廣泛地應用。ANSYS 作為有限元分析軟件，在市場上有很高的占有率，因其能夠與目前市場上很多的計算機輔助設計軟件（CAD）進行接口，完成數據的傳輸和轉換，在國防、機械、土木、航天、能源、水利等很多領域發揮著重要的作用。考慮到核電用快速接頭的工作環境更為嚴苛，其在危險工況下的強度校核便顯得至關重要［10］。本文基于有限元分析軟件ANSYS-Workbench，對設計的核電用快速接頭進行強度分析校核，分析其在最危險工況下是否滿足規范的強度要求。分析所需要的核電用快速接頭的力學模型先在三維軟件Solidwoks 中建立，然后導入到分析軟件中進行強度分析校核，主要操作步驟包括導入分析模型、定義材料參數、設置接觸方式、進行網格劃分、定義邊界條件、施加載荷、軟件求解以及結果后處理。

3.1 計算載荷

由于有限元分析軟件計算出結果的準確性和可靠性主要和軟件模擬實際結構的貼切程度有關，即結果的真實性主要受到分析模型與實際工作環境的影響，因此，在進行有限元強度分析校核之前，首先要對核電用快速接頭在危險工況下的實際受力情況進行一定的理論分析。根據設計要求，核電用快速接頭所考慮的載荷主要包括自重、內壓及地震作用。本文按照RCC-M規范中對于安全3 級部件的相關規定，對快速接頭的工況進行選擇和分析，以驗證該設備在地震中和地震后能夠保證結構的完整性及可運行性。根據RCC-M中表C3383 和ZZX47500001M05144DS《核電用快速接頭研制技術要求》中的規定，進行強度分析時考慮的載荷組合和相應的應力限值詳見表1［11］。本文選取最危險工況，即事故工況進行強度校核。

表1 不同工況下的載荷組合和應力限值

根據設計要求，核電用快速接頭的工作壓力為2.9MPa，本文選擇事故工況作為分析工況，快速接頭所受的內壓按照1.3倍的設計壓力取值，即3.77MPa。在事故工況下，考慮快速接頭所受的地震作用，地震加速度值取6.0g，考慮結構自重。同時，本文在分析時采用相應設計溫度下的材料力學性能指標，忽略接管荷載。

3.2 材料設置

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，各部件材料的力學性能參數詳見表2。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2 快速接頭材料力學性能參數

3.3 網格劃分

網格劃分的精細程度決定著分析結果的精度，與之而來的代價就是網格越密，所耗用的分析時間越長。在本次分析中，本文將建立的核電用快速接頭三維模型導入至有限元分析軟件ANSYS-Workbench中，針對模型中不同的部件，采用六面體單元與四面體單元相結合的方式進行網格劃分。

3.4 邊界條件及載荷

邊界條件如圖9所示。為模擬核電用快速接頭真實的受力和約束情況，核電用快速接頭的一側與上游管道用螺紋連接，對連接面施加固定約束，接頭的另一側與下游管道連接，不作約束。

圖9 核電用快速接頭邊界條件的設置

根據3.1節可知，本文中核電用快速接頭所考慮的載荷主要包括自重、內壓和地震作用。根據RCC-M規范，本次分析中接頭內部受到的內壓為3.77MPa，地震作用下的加速度值為6g，方向為x、y、z三個方向，同時，施加結構自重荷載，如圖10所示。

圖10 核電用快速接頭載荷的施加

3.5 結果分析

通過以上步驟，在有限元分析軟件中對核電用快速接頭進行強度分析，所得應力分布圖如圖11所示。

圖11 快速接頭應力分布圖

由應力分布圖中可以看出，核電用快速接頭在設置的荷載和邊界條件下所受到的最大應力為43.993MPa，小于許用應力115MPa，即在事故工況下，改良設計的核電用快速接頭的應力條件滿足規范規定的強度要求。

4 結語

目前，設計的核電用快速接頭已通過試制，試驗證明其各項性能均可以滿足設計要求。與現有技術相比，改良設計后的核電用快速接頭具有如下優點。

（1）實現了接頭在安全連接、泄壓和斷開3種狀態間的快速切斷。

（2）兩級緊固結構的設計提高了接頭的整體剛度、抗震性能和工作穩定性。

（3）導向板的設計減小了快速接頭內部結構在振動和沖擊下的變形，使得核電用安全快速接頭在工作狀態下更加穩定。

（4）內套上緩釋孔的變直徑設計降低了內部介質流經緩釋孔時產生的噪音和振動。

（5）外套與內套之間的斷開卡接結構的設計，將斷開操作分為推外套和按按鈕兩個步驟，提高了核電用安全快速接頭切換工作狀態時的安全性。

（6）經有限元分析驗證，在最危險工況，即事故工況下，改良設計的核電用快速接頭滿足強度要求。