核電領域用卡套直通接頭的研制

吳其堯 朱旭 沈天闊 鄒小平 劉增瑞

摘 要：卡套接頭應用在核電站反應堆管道回路中，具有密封性好、安裝方便、檢修快捷以及可重復拆裝等特點。卡套接頭系統中的直通本體、前卡套、后卡套、卡套螺母等，每種零部件的各項性能都要滿足核電要求，才能保證整個系統的長期安全運行。接頭系統通過多項試驗合格后，才能應用在核電領域，確保核電機組安全、穩定、可靠運行。

關鍵詞：卡套接頭;核電站反應堆;密封原理

中圖分類號：U463.5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）23-0061-03

Abstract： The clamp connector is used in the reactor pipeline loop of nuclear power plant， which has good sealing performance， convenient installation， quick maintenance and can be repeatedly disassembled. The performance of the straight body， front sleeve， back sleeve and sleeve nut in the sleeve joint system should meet the requirements of nuclear power， so as to ensure the long-term safety of the whole system. The joint system can only be used in the nuclear power field after passing a number of tests to ensure the safe， stable and reliable operation of nuclear power units.

Keywords： clamp joint;nuclear power plant reactor;sealing principle

卡套式直通接頭在管連接中的應用起源于20世紀30年代，最早由德國發明并投入使用，經過幾十年的不斷完善和發展，目前在化工、石油、天然氣、食品、制藥、儀器儀表、航天航空、高鐵以及核電等領域廣泛應用，但應用于核電行業的時間較晚。我國核電站建造過程中，核級卡套式直通接頭一直從國外采購，國內缺乏相關研究和制造經驗。華龍一號壓水反應堆是我國自主設計建造的第三代核電站，大部分關鍵零件已經實現國產化。但是，核級卡套式管接頭仍未實現國產，屬于“卡脖子”的核心零件。基于此，江蘇科維儀表控制工程有限公司與中廣核工程有限公司、上海第一機床廠有限公司聯合研發卡套式直通接頭，以實現核級接頭國產化。

1 卡套式直通接頭的應用場合

卡套式直通接頭在核電管連接中主要應用在：核島堆內構件承壓密封件的一回路承壓邊界和安全一級部件[1]、核島堆外監控檢測部件的壓力回路以及溫度檢測的保護回路中。

2 卡套式直通接頭的結構形式

卡套式直通接頭的結構形式有單卡套、雙卡套等多種，其中雙卡套結構形式的接頭使用最多、應用最廣。

雙卡套結構接頭主要由接頭本體（直通）、前卡套、后卡套、卡套螺母及卡套管組成，見圖1。

3 卡套接頭系統密封原理

按圖1組裝并緊固卡套接頭系統后，密封原理見圖2。

當旋緊卡套螺母時，卡套螺母向左運動，卡套螺母內螺母底錐面與后卡套后面大外錐面接觸，對后卡套大外錐面產生一個左推力，使后卡套左移。后卡套左移后，后卡套外錐面與前卡套內錐面接觸，錐斜面形成一個徑向力與一個軸向力。徑向力使后卡套內表面壓迫卡套管向內變形，同時前卡套外錐面與接頭體內錐面也形成一個垂直于兩錐面的合力。這個合力也可分解為一個徑向力與一個軸向力。徑向力與軸向力也使卡套管向內變形，阻止卡套管后退并承壓與密封。前卡套內孔與卡套管、前卡套外錐與接頭體內孔同時形成密封，后卡套沿軸向推進前卡套，沿徑向施加一個有效的卡套鎖緊力，最終達到既把卡套管與接頭本體完美密封，又能使卡套接頭系統在外界震動的情況下保持密封性良好。

4 影響卡套式直通接頭使用效果的因素

影響卡套式直通接頭使用效果的因素包括：第一，前卡套、后卡套、卡套螺母、直通本體幾何尺寸及形位公差;第二，氣壓密封性;第三，水壓密封性;第四，最大水壓爆破;第五，彎曲疲勞;第六，重復裝配;第七，拉伸試驗;第八，旋轉彎曲試驗;第九，震動試驗。下面通過相關的試驗，驗證設計的合理性。

4.1 試驗方法與結論

4.1.1 外觀尺寸檢驗。①零件尺寸檢驗內容包括尺寸精度、形位精度與粗糙度要滿足要求，選擇經校準合格且有效的測量和試驗設備，對零件外觀尺寸進行檢查。經過檢查，結果合格。②裝配后檢查包括整體外觀檢查、通徑尺寸檢查、接口螺紋檢查、裝配情況檢查以及整體實物標識檢查。經過檢查，結果合格。

4.1.2 氣壓試驗。①試驗方法。將裝配完畢的試驗樣件連接到試驗設備。試驗開始前，將連接完畢的試驗樣件完全漫入水中。用氮氣將試件加壓至0.69 MPa，保持5 min，檢查是否有泄漏。第1 min內出現表面附著氣泡，是可以接受的;在其余4 min內，不應有氣泡出現。之后，將壓強慢慢提高至3.45 MPa，保持5 min，檢查是否出現泄漏[2]。②技術要求。兩個加壓過程中均無滲漏。③儀器設備。試驗用的儀器設備包括PPC4EX-7M&PM-A7M型壓力測試系統和J9-2II SIPAIT-J08021型秒表。④試驗結果。加壓至0.69 MPa，保持5 min后，無泄漏;再加壓至3.45 MPa，保持5 min后，無泄漏。⑤試驗結論：合格。

4.1.3 水壓試驗。①試驗方法。使用通過氣壓試驗的樣件進行水壓試驗。先將試驗樣件內充滿水，然后連接到試驗設備。用水將試件加壓至0.69 MPa，保持5 min，檢查連接處是否有滲漏。若無滲漏，將壓強以不超過172 MPa/min的加壓速率提高至38.79 MPa，保持5 min，檢查連接處是否出現滲漏。②技術要求。兩個加壓過程中均無滲漏。③儀器設備。試驗用的儀器設備包括pc367 SIPAIT-JO3095型高壓液體壓力裝置、J9-2II SIPAIT-J08021型秒表、60 MPa SIPAI/T-J03115a型精密壓力表、40 MPa SIPAI/T-J03137i型精密壓力表。④試驗結果。加壓至0.7 MPa，保持5 min后，無泄漏;再加壓至38.9 MPa，保持5 min后，無泄漏。⑤試驗結論：合格。

4.1.4 水壓爆破試驗。①試驗方法。使用通過氣壓試驗和液壓試驗的樣件進行水壓爆破試驗。將試驗樣件內充滿水，然后連接到試驗設備。將壓強以不超過172 MPa/min的加壓速率提高至額定壓強的400%，即103.44 MPa，保持1 min，檢查連接處是否出現破裂泄漏現象[3]。②技術要求。加壓過程中均無滲漏。③儀器設備。試驗用的儀器設備包括J9-2Ⅱ SIPAI/T-J08021型秒表、pc367 SIPAI/T-J03095型高壓液體壓力裝置、160 MPa SIPAI/T-J03124型壓力表。④試驗結果。加壓至103.6 MPa，保持1 min后，無泄漏。⑤試驗結論：合格。

4.1.5 彎曲疲勞試驗。使用通過氣壓試驗及液壓試驗的試驗樣件進行彎曲疲勞試驗。試驗前，試驗樣件完全拆卸裝配一次，然后將試驗樣件內充滿水，再連接到試驗設備。用水將試件加壓至額定壓強25.86 MPa，給樣件加載彎矩，使彎矩引起的軸向應力與內部壓力的總應力為259 MPa，即彎矩引起的軸向應力為251.3 MPa;3/8"規格的管件內部壓力引起的軸向應力為19.2 MPa，即彎矩引起的軸向應力為239.8 MPa。一個循環包括從彎矩引起的軸向應力從零到正向最大、反向最大到零的過程。試驗周期為30 000次，并分別在試驗周期的0%、25%、50%、75%以及100%時中斷試驗，各拆卸并重新組裝兩次后進行液壓試驗。

4.1.6 重復裝配試驗。彎曲疲勞試驗完成后再進行重復裝配，每次重復裝配后進行氣壓和液壓試驗，直至開始泄漏，需記錄重復裝配的次數。

4.1.7 拉伸試驗。①試驗方法。以1.3 mm/min恒定速率在拉伸試驗機上進行拉伸試驗，拉伸負荷設定力值按[Kt×Ap×Sy]計算。其中：[Kt]為拉伸系數，取值為1;[Ap]為截面積，mm2;[Sy]為最小屈服強度，取值為170 MPa。通過計算獲得3/8"組件的設定力值為6.9 kN。②技術要求[4]。拉伸載荷達到設定值，樣件未發生分離。③儀器設備。試驗用的儀器設備主要是QJ211S-10kN SIPAI/T-J11118型微機控制電子萬能試驗機。④試驗結果。拉伸載荷達到設定值，樣件未發生分離。⑤試驗結論：合格。

4.1.8 旋轉彎曲試驗。使用通過氣壓及液壓試驗的樣件進行該試驗。粘貼應變片于管件高應力側4.6 mm內，管件內加壓至3.45 MPa，安裝后加載170 MPa的彎矩。試驗過程中保持壓力和彎矩，試驗旋轉速度不低于1 750 r/min，試驗周期為106圈。旋轉彎曲試驗合格后進行振動試驗。

4.1.9 振動試驗。①試驗方法。使用通過氣壓和液壓試驗的試驗樣件進行該試驗。試驗時，通過兩個夾具把管件固定在振動臺上，3/8"管件支架之間距離為457 mm。試驗前，在樣件內加載水壓至額定壓強25.8 MPa，每個樣件依次按振動方向X、Y、Z方向進行試驗，且每個方向均要進行3類試驗。第一，探索性振動試驗。振動頻率為5～33 Hz的掃描振動，振幅為0.025 4 cm，頻率變化為0.067 Hz/s，即每個頻率段內掃描15 s，掃描一個周期。第二，變頻試驗。在頻率間隔為1 Hz狀況下從5 Hz振動到33 Hz，每個頻率振動維持5 min。第三，疲勞試驗。疲勞試驗頻率選于探索性試驗和變頻試驗的頻率范圍5～33 Hz，從中找到嚴重影響樣品功能的頻率，并以此頻率振動持續2 h。振動測試完成后，再進行液壓試驗。②技術要求。試驗過程無泄漏，且通過之后的液壓試驗[5]。③試驗用主要儀器設備包括DC-1000-13電動振動臺、pc36760MPa精密壓力表高壓液體壓力裝置和40 MPa SIPAI/T-J03137i精密壓力表。④試驗結果。振動試驗過程中無泄漏，之后的液壓試驗無泄漏，合格。

5 安全性評價

公司對3/8"卡套式直通快拆接頭委托中遼檢測有限公司分別進行了9項性能指標的綜合檢測，分別為：①前卡套、后卡套、卡套螺母、直通本體幾何尺寸及形位公差;②氣壓密封;③水壓密封;④最大水壓爆破;⑤彎曲疲勞;⑥重復裝配;⑦拉伸試驗;⑧旋轉彎曲試驗;⑨震動試驗。全部符合規格設計書中規定的各項要求，實現國產化的目標，確保卡套式直通接頭滿足核電站中的安全應用。

6 結語

核電作為一種安全、清潔和高效的能源，是全球未來大力推廣和發展的新型能源。核電是新能源產業的重要組成部分，目前我國已經投入運行的核電站達18座，預計到2025年我國的核電運行裝機容量將達到7×107 kW，在建3×107 kW。實現核電核心部件全部國產化，是中國所有核電企業共同承擔的責任。雙卡套直通接頭的成功自主化為核電關鍵部件的供貨提供了巨大的支撐，打破了國外的壟斷地位，突破了該領域卡脖子技術，確保了核電設備的正常供貨，保障了國家能源的安全。

參考文獻：

[1]核工業第二研究設計院.壓水堆核島機械設備設計和建造規則：RCCM-MC1212[S/OL].（1996-12-01）[2021-06-25].https：//www.doc88.com/p-0973882329301.html？r=1.

[2]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.卡套式直通管接頭：GB/T 3737—2008[S].北京：中國標準出版社，2008.

[3]王紅星.基于卡套式接頭的結構改進[J].科技風，2010（22）：204-205.

[4]中華人民共和國鐵道部.機車車輛用曲面卡套式管接頭 第19部分：管柱直通管接頭：TB/T 3102.19—2005[S/OL].（2005-03-29）[2021-06-22].http：//www.csres.com/detail/172204.html.

[5]中華人民共和國鐵道部.機車車輛用曲面卡套式管接頭 第20部分：管柱直通管接頭體：TB/T 3102.20—2005[S/OL].（2005-03-29）[2021-06-22].http：//www.csres.com/detail/172205.html.