卡套式管接頭彎曲疲勞和旋轉彎曲試驗裝置應用分析*

周迪鋒

(上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗測試所有限公司，上海 200233)

0 引 言

卡套式管接頭和儀表管的組合應用大大簡化了儀表管線的安裝鋪設工作，同時具有良好的密封性能、抗振動和重復拆裝功能，因而在核電站及航空航天中的管道系統(tǒng)中的得到大量的應用[1-2]。為了驗證卡套式管接頭在極端條件下依然具有良好的密封性[3]，應按照ASTM F1387-99(2012)的要求對卡套和管子的匹配性進行全性能試驗，包括氣動驗證、水壓驗證、脈沖循環(huán)、拉伸、彎曲疲勞和旋轉彎曲等試驗[4-5]，其中大部分試驗都可以采用通用試驗裝置進行測試，而彎曲疲勞和旋轉彎曲試驗需要專用試驗機[6]。

現(xiàn)有的測試技術采用應變片測量卡套受到的外部應力，應變片測量卡套應力有三個弊端，其一是應變片貼在外徑為1/4inch或3/8inch的細管子上有較高難度，需要一些列復雜工藝配合；其二是貼應變片需要用到高溫烘箱，高溫可能降低卡套原有的機械密封性能；其三是每個貼完應變片后的卡套，應進行單獨的計量從而得到應變與應力的對應關系，比較費時[8-9]。為此研制了一種專用于進行卡套彎曲疲勞和旋轉彎曲測試的裝置，通過預裝的力傳感器和安裝后測得的力臂來解決應力測量問題。該測試裝置有效提高了核電站等采購方對卡調試管接頭的驗收效率，同時有助于促進卡套式管接頭的國產化研發(fā)進度，提升行業(yè)的整體水平。

1 試驗裝置結構設計及試驗要求

彎曲疲勞和旋轉彎曲試驗裝置如圖1所示，1為四氟軸承，四氟軸承可承受一定的擾度，軸承大小根據(jù)測量卡套管的外徑來選擇；2為力傳感器，用于計量卡套受到的力值；3為氣缸，作為卡套受到外部應力的力源，同時氣缸上配置位移傳感器，監(jiān)測試驗過程中樣品的形變量；4為夾緊裝置；5為伺服電機，電機只在旋轉彎曲試驗中工作；6為試驗樣品。力傳感器的測量范圍為(20～500)N，伺服電機轉速(20～3 000)r/min可調。氣缸是整個裝置的核心部件，氣缸的作用是產生可調節(jié)的力，氣缸工作頻率(0.5～2)Hz可調。

圖1 彎曲疲勞和旋轉彎曲試驗裝置

卡套式管接頭是由卡套、螺母和接頭體組成，如圖2所示，使用中配合相應規(guī)格的儀表管。卡套式管接頭及儀表管材質均為316L不銹鋼。文中以3/8inch×0.065inch規(guī)格的卡套式管接頭為例進行試驗，額定壓力為20 MPa，相關尺寸見表1所列。

表1 儀表管尺寸

1.1 彎曲疲勞試驗要求

樣品中充滿水，加壓至額定壓力20 MPa，加入一個彎矩，使得內部壓力和彎矩引起的最大總應力為259 MPa，樣品測試30 000個循環(huán)，一個循環(huán)包括從正向加載彎矩到總應力為259 MPa，卸載正向彎矩，再反向加載彎矩到總應力為 259 MPa，卸載反向彎矩這整個過程。試驗頻率為1 Hz。試驗過程中無泄漏[10]。

1.2 旋轉彎曲試驗要求

樣品中充滿水，加壓至3.45 MPa，引入彎矩，使得彎矩引起的應力為168 MPa，樣品以不小于1 750 r/min的旋轉速度測試106循環(huán)，試驗過程中無泄漏。

2 試驗過程及分析

2.1 彎曲疲勞試驗

樣品兩端分別連接壓力表和單向閥，加壓至額定壓力20 MPa，通過夾緊裝置安裝到測試裝置上。安裝示意圖如圖3所示。

圖3 彎曲疲勞安裝示意圖

安裝后測量卡套到力作用點的距離L，測得長度為220 mm。試驗中要求卡套能承受內部應力和彎矩引起的總應力為259 MPa，即：

S+σ=259 MPa

(1)

式中：S為內部壓力引起的應力;σ為彎矩引起的應力。

(2)

式中：P為內部壓力，MPa；D為儀表管外徑，mm；d為儀表管內徑，mm；P、D、d均為已知量，代入公式，得到σ=244.1 MPa。

(3)

式中：M為彎矩，N·m；ymax為到中心軸線的最大距離，mm；I為繞中心軸線的慣性矩，mm4。

其中：

(4)

(5)

M=FL

(6)

式中：F為加載的力，N；L為力臂長度，mm。

代入公式(3)～(6)，得到F=76.9 N。

系統(tǒng)中設置加載力為76.9 N，頻率為1 Hz，周期為30 000次。完成30 000次循環(huán)后，壓力表的讀數(shù)為19.6 MPa，無泄漏。試驗過程如圖4所示。

圖4 彎曲疲勞試驗

2.2 旋轉彎曲試驗

用同一規(guī)格的另一樣品進行旋轉彎曲試驗。樣品兩端分別連接壓力表和單向閥，壓力表選用Y-40同軸耐震壓力表，加壓至3.45 MPa，通過夾緊裝置安裝到測試裝置上。安裝示意圖如圖5所示。

圖5 旋轉彎曲安裝示意圖

安裝后測量卡套到力作用點的距離L，測得長度為255 mm。代入公式(3)～(6)，σ=168 MPa，算得F=45.7 N。

系統(tǒng)中設置加載力為45.7 N，轉速為1 800 r/min，轉動1 000 000圈。測試過程中，監(jiān)測位移傳感器的值，即樣品的形變量，完成測試后，壓力表的讀數(shù)為3.40 MPa，無泄漏。試驗過程如圖6所示。

圖6 旋轉彎曲試驗

2.3 試驗總結

應用此裝置進行卡套的彎曲疲勞和旋轉彎曲試驗，試驗后壓力表的讀數(shù)無變化，證實試驗過程中無泄漏。此裝置采用力傳感器測量力值解決了貼應變片的難題，利用四氟軸承克服了試驗過程中擾度不足的問題。

3 結 語

彎曲疲勞和旋轉彎曲是卡套式管接頭和儀表管匹配性試驗中不可缺少的部分，彎曲疲勞和旋轉彎曲試驗裝置采用力傳感器測量力值代替?zhèn)鹘y(tǒng)測試裝置上的應變片測量應力值，避免了細管上應變片貼片工藝難和貼片時的高溫可能導致破壞卡套機械密封問題。此裝置能有效提高測試效率，同時促進卡套式管接頭的國產化提供支持，提升行業(yè)的整體水平。