水压试验快速接头的设计及研究

郑 艳 奇

(中国核工业二三建设有限公司，北京 101300)



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水压试验快速接头的设计及研究

郑 艳 奇

(中国核工业二三建设有限公司，北京 101300)

介绍了水压试验快速接头的结构，对快速接头的主要部件进行了受力分析和强度验算，并通过试验验证了快速接头的密封性与便捷性，满足了屏蔽冷却水系统压力试验要求。

水压试验，快速接头，密封性，受力分析

0 引言

目前市场上有许多试压专用工装，主要分为内胀式和外卡式两种，为防止内胀式试压管件因操作不当或损坏致使其内部结构落入垂直的试压管道内无法取出，本文重点对外卡式试压快速接头进行设计研究，主要解决水压试验过程中快速接头的快速连接、密封性和可靠性问题。

1 设计概况

屏蔽冷却水系统是高温气冷堆核电站工程关键系统之一，该系统由φ38×4无缝钢管组成竖向垂直分布于反应堆舱室和蒸发器舱室内壁混凝土屏蔽墙内，用于保证混凝土屏蔽墙温度在反应堆运行期间不超过设计限值，管道中心间距175 mm，每一个模块水压试验时有多达160个φ38×4 mm管端向上的管口需要封堵，采用传统堵板焊接封堵在试验合格后切堵板会产生废渣，掉落到管道内不易清除，同时现场施工时简化操作、保证施工工期，设计了该外卡式水压试压快速接头用于屏蔽冷却水系统水压试验工作。

屏蔽冷却水模块外示意图如图1所示。

2 快速接头结构设计

该快速接头结构主要部件由管道密封压盖、法兰夹紧结构以及连接螺栓三部分组成，水压试验快速接头结构设计如图2所示。为满足本工装结构和经济性的要求，快速接头的密封压盖、夹紧法兰材料选用Q235A材质，主要紧固件(螺栓、螺母)选用35CrMoA,30CrMoA等高强度合金钢材料制成。

此快速接头结构原理是法兰夹紧结构对准管道凹槽通过紧固螺栓夹紧后，可产生径向力使夹紧法兰带齿纹的内表面贴紧管道外壁部分，产生的摩擦力抵抗管道内压对密封压盖的推力，密封压盖和管道之间用O型密封圈进行填充，满足系统管道水压试验在受力平衡状态下的密封试验要求，也能满足在试验结束后系统内壁充氮气保护的要求。

2.1 密封法兰压盖结构

作为水压试验快速接头的核心部件，密封法兰压盖必须能够承受足够的轴向力，它与密封沟槽内的O型密封胶圈，在一定外力作用下形成严密的静态密封结构。

2.1.1 法兰盖尺寸

法兰压盖作为水压试验快速接头主要受力部件，必须能够承受足够的轴向力，为此其厚度须经过设计计算确定，密封压盖的受力厚度计算公式如下：

(1)

其中，S为堵板厚度，mm；K为条件系数，K=0.4；D为压盖直径，90 mm；[σ]为材料许用应力，当材质为Q235A时，[σ]=113 MPa；P内为快速接头试验内压力，取4.5 MPa。

按照上述条件代入式(1)可得，密封压盖主要受力部位厚度为：S=7.2 mm。

本文中法兰压盖主要受力部位厚度值S≈8.0 mm,满足受力部位厚度要求。

法兰密封压盖半径根据屏蔽冷却水管中心距为175 mm,根据试压管道外径及M8六角头连接螺栓尺寸(螺栓参考国标GB/T 5782—2000)，考虑螺栓拧紧及拆卸操作要求,确定法兰密封压盖尺寸如图3所示，经实测密封压盖尺寸能够满足现场操作和管道间距要求。

2.1.2 快速接头排气管及密封沟槽

水压试验快速接头排气管在密封压盖结构中主要起到与压盖主体构成密封沟槽，并有效防止有破损的O型密封圈在取下密封压盖时落入试压管道内部，作为排气阀或压力表安装的连接管，其外形图如图4所示。为了防止排气管在使用过程中产生锈蚀影响其使用功能，排气管及带内螺纹的管接头材质均选用不锈钢1Cr18Ni9进行加工制作。

该密封结构按照管道壁厚尺寸和密封圈的压缩变形量进行密封沟槽形状及尺寸设计，同时在密封沟槽设计时还参照轴向密封沟槽尺寸表见表1。

表1 轴向密封沟槽尺寸表 mm

密封沟槽外径尺寸按照GB/T 3452.3—2005中5.2.2条公式d7≤d1+2d2进行计算，且当D=d7时(D为密封沟槽轴向外径)，可得轴向密封沟槽的外径尺寸D≤d1+2d2。

2.2 法兰夹紧结构

法兰夹紧结构由两个法兰内壁带卡槽的半法兰和四个紧固螺栓组成，具体见图5，当使用该工具夹紧试压管道时，应先将半法兰上的凸肋对准试验管道外壁上的卡槽，对准后旋紧紧固螺栓和螺母，此时可产生一定的径向力，使法兰夹紧结构带齿纹的内壁贴紧试验管道外壁，法兰夹紧结构与管道产生摩擦力，该摩擦力用来抵抗四根连接螺栓对法兰夹紧结构的轴向拉力F,试压管道外壁上的卡槽与凸肋相互作用将为法兰夹紧结构提供当摩擦力不足时接螺栓对法兰夹紧结构的拉力。

3 受力分析及计算

为保证屏蔽冷却水系统快速接头水压试验安全，该快速接头需要满足管道内部压力与摩擦力达到受力平衡的条件(即p=fm)，为此作用在密封压盖上的合力都应不大于夹紧法兰与管道外壁间的摩擦力，快速接头整体受力简图如图6所示。

3.1 密封压盖、对夹法兰受力分析及验算

1)密封压盖受力分析及计算。

以密封压盖为研究对象,其主要受到管道内压力和连接螺栓的拉力作用，在受力平衡状态下其关系式如下：

fmin=P=n·f拉

(2)

(3)

由式(2)，式(3)可导出：

(4)

(5)

其中，d为管道内径，mm;P内为水压试验压强，MPa；f拉为连接螺栓对密封压盖的作用力；fmin为密封法兰所需要的最小拉力；n为连接螺栓数量,n=4。

连接螺栓按受到拉力作用进行强度校核，则应满足式(6)：

(6)

其中，[σ]为螺栓抗拉许用应力，取275 MPa。

2)对夹法兰受力分析。

以对夹法兰为主要研究对象,其主要受到法兰内壁与管道外壁连接处摩擦力作用以及紧固螺栓的拉力作用，摩擦力的大小在摩擦系数一定的情况下，与正压力N成正比，而正压力N的变化则取决于紧固螺栓与螺母旋紧的程度，其关系式如下：

F摩擦力=fmin

(7)

F摩擦力=f·N

(8)

N=4N1

(9)

由上述公式可得出紧固螺栓拧紧力大小：

(10)

(11)

其中，N1为紧固螺栓与螺母所受拉力；f为对夹法兰与管道外壁连接处摩擦系数，有齿纹时，取0.2。

低碳经济就是利用技术创新、新能源开发、制度创新和产业转型优化等方式，最大限度控制空气中温室气体的含量，逐渐达到生态环境保护和社会高速发展平衡的经济发展状态。

对夹法兰上凸肋与管道外壁卡槽咬合后，主要防止摩擦力不足时，对夹法兰位置发生滑动，水压试验快速接头密封失效的情况发生，为此假设当摩擦力F摩擦力=0时，密封压盖受到的轴向作用力全部由法兰内壁凸肋和卡槽之间所受剪力提供，为此对夹紧法兰凸肋进行受力分析:

凸肋受剪面积计算S2：

S2=π·D·δ

(12)

其中，D为试验管道外径，取38 mm；δ为凸肋宽度,取5 mm。

则S2=0.000 596 m2。凸肋在连接螺栓拉力作用下强度σ′计算：

(13)

3.2 受力校核

管径为φ38×4的无缝钢管用快速接头进行水压试验，该快速接头试验压力为4.5 MPa，管道材质为20号钢，选用的连接螺栓和紧固螺栓为M8×120 mm，材料为30CrMoA，其许用应力为[σ]=275 MPa。连接螺栓和紧固螺栓数量各4个，对夹法兰内壁齿纹间距S=2.5 mm,齿纹顶部宽度为1 mm，对夹法兰与管道内壁接触长度L=54 mm。20号钢管在常温下的许用应力[σb]=(1.7～2.0)σ=220 MPa，各部分强度验证校核。

2)螺栓受到拉伸力f拉：

连接螺栓强度校核：

σ1<[σ]。

3)对夹法兰紧固螺栓强度校核：

σ2<[σ]。

4)夹紧法兰内壁凸肋在连接螺栓拉力作用下受剪力强度σ′计算：

经过验证，以上各项均满足强度条件，设计尺寸符合水压试验要求。

4 快速接头试验

4.1 快速接头压力及密封性能试验

为了验证水压试验快速接头的密封性能，快速接头的设计压力按3.0 MPa计，水压试验压力4.5 MPa，试验温度为常温。试压时应缓慢升压达到试验压力后稳压时间为10 min,再将试验压力降至设计压力，稳压时间为30 min,以压力表不降或快速接头各个部件无泄漏为合格。为验证该快速接头的使用性能进行水压试验次数为10次，试验流程图如图7所示。

经测试在试验压力为4.5 MPa，稳压时间10 min内无泄漏、压力表读数无变化；在压力降至设计压力3.0 MPa,稳压时间30 min内无泄漏、压力表读数无变化。该快速试压接头密封性能可靠，各部件尺寸设计合理。

4.2 快速接头压力及密封性能试验

为验证该快速接头的便捷性能，进行10次连续不间断的安装到试验完成全过程，4.5 MPa时和3.0 MPa时观察时间各缩短为3 min，拆装时间详见表2。

表2 水压试验快速接头拆装试验时间记录表 min

经实测安装时间平均为4 min，拆卸时间平均为1.5 min，达到预期快速拆装的设计要求。

5 结语

水压试验快速接头结构设计合理，使用方便，经过受力分析和强度计算及密封性能试验的检验，证明水压试验快速接头能够满足屏蔽冷却水系统压力试验要求并安全可靠。在水压试验快速接头重复使用过程中，注意检查O型密封圈是否完好，如发现破损、裂口及时进行更换，防止因密封圈损坏导致密封结构失效。

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[3] GB/T 3452.1—2005,液压气动用O形橡胶密封圈 第1部分尺寸系列及公差[S].

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[6] 付 平,常德功.密封设计手册[M].北京：化学工业出版社,2009.

[7] 化工管路手册[M].北京：化学工业出版社,1988.

The design and research on water pressure test quick joint

Zheng Yanqi

(ChinaNuclearIndustry23ConstructionLimitedCompany,Beijing101300,China)

This paper introduced the structure of water pressure test quick joint, made stress analysis and strength check to the main parts of quick joint, and through the test verified the leak tightness and convenience of quick joint, to meet the pressure test requirements of shielding cooling water system.

water pressure test, quick joint, leak tightness, stress analysis

1009-6825(2017)09-0108-03

2017-01-15

郑艳奇(1983- )，男，工程师

TU991

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