核電站用卡套接頭與儀表管匹配試驗分析

□張 樂 王蘭蘭

一、引言

隨著核電的規模化和批量化發展，目前我國已進入核設備生產的高峰階段，相對于核電的技術密集性和核電設備的安全可靠性來說，我國核電設備自主化和國產化的基礎還相對薄弱，在核心技術掌握和質量管理方面還存在較大差距，核電設備在設計、制造、安裝和運行階段仍然存在著很多問題。

核級儀表管閥件卡套接頭在核電站使用中應滿足RCC-M2、3級管閥件規定的相應規范要求。例如卡套接頭由于加工工藝或硬度要求等原因，應采用316/316L不銹鋼，材料的機械性能也應滿足相應標準要求。為保證卡套接頭與儀表管的匹配性能，依照ASTM F1387標準進行匹配性能試驗，主要試驗有拉伸試驗、靜水驗證、氣壓試壓、水壓爆破試驗、重復裝配試驗、振動試驗、脈沖試驗、彎曲疲勞試驗和旋轉彎曲試驗。在卡套接頭產品鑒定時，還需增加熱循環試驗、耐火試驗、扭力試驗及過擰緊試驗等。

二、卡套接頭匹配試驗標準及方法

(一)ASTM F1387。美標ASTMF1387管道系統和配管機械連接件(MAF)性能技術規范，該規范給出了標準的卡套接頭與儀表管匹配試驗的種類及測試方法，是目前典型的卡套接頭與儀表管匹配性能標準規范。通過管道配管或配件的機械形變，形成密封的約束連接，成功完成所述各種試驗即視為完成技術的鑒定過程。在選取機械連接管件時，卡套接頭適用于類型IV，即卡套環可以從其末端向機械連接管件主體中心伸縮“壓合”。安裝工具驅動壓緊成型的卡套環在機械連接管件主體上，軸向前進到一個固定的鎖止位置。壓緊成型的套環將機械連接管件壓緊到管道或配管上而形成一種金屬對金屬的密封。這種密封通過壓緊成型的套環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。核電規范與標準核設施部件建造規則，英文描述為ASME BPV Code,Section III，該規范中NC分卷的管道設計篇中的NC-3673.2基本假設和要求給出了應力增強系數i的概念，應力增強系數是彈性力學的范疇，當計算固定點之間管道系統的撓性時，應將固定點之間的管道系統作為一個整體處理，在應力集中處，應力的最大值是與幾何形狀和加載方式有關的一個系數。應力增強系數在疲勞試驗的基礎上確定，計算公式為：iS=24,500N-0.2。其中：i:應力增強系數；S：外加于失效部位的彎曲應力值，單位psi(MPa)；N：失效的循環次數。i值通過計算小于等于2.3，標準認為管配件的疲勞試驗合格，滿足要求。

(三)SAE ARP1185 Revision B。液壓油管接頭和配件的撓曲試驗，該方法在接頭連接處施加完全相反的彎曲應力，同時用液壓油加壓至工作壓力。測試樣品進行彎曲直到卡套接頭泄漏、鋼管斷裂或至少達到1,000萬次循環，以先發生者為準。管道系統如果持續超過1,000萬次的測量數據，它將具有無限的壽命。

圖1

(四)部分試驗方法介紹。核電站用卡套接頭與儀表管的匹配試驗，一般依照ASTM F1387規定的試驗方法及判定依據執行。

圖2

1.旋轉彎曲實驗(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ASTM F1387進行判定：依據文件ASTM F1387：1999 A10，試驗應先確定加載彎矩，彎矩的加載是通過確定應變值實現的，應變值(應變=應力/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106圈，且轉速不低于1750轉/分，在試驗過程中觀察試壓用壓力表無變化，旋轉完成后，通水壓，無泄漏。

方法2，通過SAE ARP1185進行判斷：將每個測試樣品連接到旋轉彎曲試驗臺，通過萬向旋轉裝置的偏移對每個樣品施加彎曲應力。用液壓油將試樣加壓至管的工作壓力，測試樣品彎曲直到接頭泄漏，管斷裂，或達到1,000萬次循環，以先發生者為準。如果出現配件泄漏或管疲勞斷裂，實時壓力傳感器停止測試。如果所有樣品在測試期間未見泄露，則測試樣品通過旋轉彎曲測試，或證明對于給定的彎曲應力滿足或超過具有應力增強系數值i，即為合格，同時可以形成S-N曲線，繪制S-N曲線分析圖。

2.彎曲疲勞實驗(3/8〞OD*1/4〞OD卡套接頭匹配1/4〞。OD,1.65MM壁厚不銹鋼管)。依據文件ASTM F1387：1999 A16，試驗樣品規格為1/4”ODTUBE管和卡套接頭，應先確定加載彎矩，彎矩的加載是通過確定應變值實現的，應變值(應變=(標準值-額定壓力產生的軸向內應力)/彈性模量)即§=(fa-S)/σ=(259-5.2)×106/195,000=1301.5，彎矩加載到位后，使用位移百分表測出自由端振幅，再將試樣調整至平衡位置，而后以測量出的振幅進行30,000個周期的循環試驗，試驗結束后，無泄漏。

圖3

3.振動實驗(3/8〞OD*3/8〞OD卡套接頭匹配3/8〞。OD,1.65MM壁厚不銹鋼管)。依據文件ASTM F1387：1999 S8。試驗樣品為3/8〞OD的TUBE管和卡套接頭。試驗應先通過探索性振動實驗、變頻試驗及疲勞試驗找出試樣總成的共振頻率(根據物體質量與共振頻率之間的關系f=(√(K/m)/2π)，試樣樣品的質量越小，共振頻率越大，在振幅為0.3mm，倍頻為1時進行頻率掃描，沒有共振現象產生。故在標準中要求的最大33Hz的頻率下在每個方向進行2小時的振動實驗，試驗期間無壓力損失現象。

圖4

4.循環脈沖試驗(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臺采用電磁閥控制，抗沖擊能力較弱，故試驗中采用了抗沖擊能力較強的機械閥門控制的脈沖試驗臺進行了106次循環脈沖試驗，且速度不超過每分鐘75周期。試驗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%。脈沖試驗完成后，試樣應按要求進行靜水壓力試驗。脈沖測試或靜水壓力測試過程中應無滲漏跡象。

圖5

三、結語

卡套接頭的使用特點為多次拆裝，方便更換，通過研究分析核電站用卡套接頭與儀表管的匹配試驗標準及方法，可以更有利地保證其密封性和使用的安全性。ASTM F1387和SAE ARP1185系統地介紹了卡套接頭和儀表管的匹配試驗。大多卡套接頭在設計初期或形成樣件時，都必須經過匹配試驗的驗證。目前國內核電站用的卡套接頭，從使用角度看，在設計初期就將試驗要求和標準納入技術規范中。但考慮有時存在多品牌供貨和互相配合的情況，目前在進一步研究具體試驗方法和匹配模式。