核电站用卡套接头与仪表管匹配试验分析

□张 乐 王兰兰

一、引言

随着核电的规模化和批量化发展，目前我国已进入核设备生产的高峰阶段，相对于核电的技术密集性和核电设备的安全可靠性来说，我国核电设备自主化和国产化的基础还相对薄弱，在核心技术掌握和质量管理方面还存在较大差距，核电设备在设计、制造、安装和运行阶段仍然存在着很多问题。

核级仪表管阀件卡套接头在核电站使用中应满足RCC-M2、3级管阀件规定的相应规范要求。例如卡套接头由于加工工艺或硬度要求等原因，应采用316/316L不锈钢，材料的机械性能也应满足相应标准要求。为保证卡套接头与仪表管的匹配性能，依照ASTM F1387标准进行匹配性能试验，主要试验有拉伸试验、静水验证、气压试压、水压爆破试验、重复装配试验、振动试验、脉冲试验、弯曲疲劳试验和旋转弯曲试验。在卡套接头产品鉴定时，还需增加热循环试验、耐火试验、扭力试验及过拧紧试验等。

二、卡套接头匹配试验标准及方法

(一)ASTM F1387。美标ASTMF1387管道系统和配管机械连接件(MAF)性能技术规范，该规范给出了标准的卡套接头与仪表管匹配试验的种类及测试方法，是目前典型的卡套接头与仪表管匹配性能标准规范。通过管道配管或配件的机械形变，形成密封的约束连接，成功完成所述各种试验即视为完成技术的鉴定过程。在选取机械连接管件时，卡套接头适用于类型IV，即卡套环可以从其末端向机械连接管件主体中心伸缩“压合”。安装工具驱动压紧成型的卡套环在机械连接管件主体上，轴向前进到一个固定的锁止位置。压紧成型的套环将机械连接管件压紧到管道或配管上而形成一种金属对金属的密封。这种密封通过压紧成型的套环轴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。核电规范与标准核设施部件建造规则，英文描述为ASME BPV Code,Section III，该规范中NC分卷的管道设计篇中的NC-3673.2基本假设和要求给出了应力增强系数i的概念，应力增强系数是弹性力学的范畴，当计算固定点之间管道系统的挠性时，应将固定点之间的管道系统作为一个整体处理，在应力集中处，应力的最大值是与几何形状和加载方式有关的一个系数。应力增强系数在疲劳试验的基础上确定，计算公式为：iS=24,500N-0.2。其中：i:应力增强系数；S：外加于失效部位的弯曲应力值，单位psi(MPa)；N：失效的循环次数。i值通过计算小于等于2.3，标准认为管配件的疲劳试验合格，满足要求。

(三)SAE ARP1185 Revision B。液压油管接头和配件的挠曲试验，该方法在接头连接处施加完全相反的弯曲应力，同时用液压油加压至工作压力。测试样品进行弯曲直到卡套接头泄漏、钢管断裂或至少达到1,000万次循环，以先发生者为准。管道系统如果持续超过1,000万次的测量数据，它将具有无限的寿命。

图1

(四)部分试验方法介绍。核电站用卡套接头与仪表管的匹配试验，一般依照ASTM F1387规定的试验方法及判定依据执行。

图2

1.旋转弯曲实验(316L的3/8〞OD*3/8〞OD卡套接头匹配3/8〞OD,1.65MM壁厚不锈钢管)。方法1，通过ASTM F1387进行判定：依据文件ASTM F1387：1999 A10，试验应先确定加载弯矩，弯矩的加载是通过确定应变值实现的，应变值(应变=应力/弹性模量)即§=f/σ=485×0.35×106/195,000=870.52，弯矩加载到位后，试样加压至3.45MPa，试样旋转106圈，且转速不低于1750转/分，在试验过程中观察试压用压力表无变化，旋转完成后，通水压，无泄漏。

方法2，通过SAE ARP1185进行判断：将每个测试样品连接到旋转弯曲试验台，通过万向旋转装置的偏移对每个样品施加弯曲应力。用液压油将试样加压至管的工作压力，测试样品弯曲直到接头泄漏，管断裂，或达到1,000万次循环，以先发生者为准。如果出现配件泄漏或管疲劳断裂，实时压力传感器停止测试。如果所有样品在测试期间未见泄露，则测试样品通过旋转弯曲测试，或证明对于给定的弯曲应力满足或超过具有应力增强系数值i，即为合格，同时可以形成S-N曲线，绘制S-N曲线分析图。

2.弯曲疲劳实验(3/8〞OD*1/4〞OD卡套接头匹配1/4〞。OD,1.65MM壁厚不锈钢管)。依据文件ASTM F1387：1999 A16，试验样品规格为1/4”ODTUBE管和卡套接头，应先确定加载弯矩，弯矩的加载是通过确定应变值实现的，应变值(应变=(标准值-额定压力产生的轴向内应力)/弹性模量)即§=(fa-S)/σ=(259-5.2)×106/195,000=1301.5，弯矩加载到位后，使用位移百分表测出自由端振幅，再将试样调整至平衡位置，而后以测量出的振幅进行30,000个周期的循环试验，试验结束后，无泄漏。

图3

3.振动实验(3/8〞OD*3/8〞OD卡套接头匹配3/8〞。OD,1.65MM壁厚不锈钢管)。依据文件ASTM F1387：1999 S8。试验样品为3/8〞OD的TUBE管和卡套接头。试验应先通过探索性振动实验、变频试验及疲劳试验找出试样总成的共振频率(根据物体质量与共振频率之间的关系f=(√(K/m)/2π)，试样样品的质量越小，共振频率越大，在振幅为0.3mm，倍频为1时进行频率扫描，没有共振现象产生。故在标准中要求的最大33Hz的频率下在每个方向进行2小时的振动实验，试验期间无压力损失现象。

图4

4.循环脉冲试验(3/8〞OD*3/8〞OD卡套接头匹配3/8〞。OD,1.65MM壁厚不锈钢管)。传感器高效高压试验台采用电磁阀控制，抗冲击能力较弱，故试验中采用了抗冲击能力较强的机械阀门控制的脉冲试验台进行了106次循环脉冲试验，且速度不超过每分钟75周期。试验压力为额定性能压力的133%，然后减压至压力不大于额定性能压力20±5%。脉冲试验完成后，试样应按要求进行静水压力试验。脉冲测试或静水压力测试过程中应无渗漏迹象。

图5

三、结语

卡套接头的使用特点为多次拆装，方便更换，通过研究分析核电站用卡套接头与仪表管的匹配试验标准及方法，可以更有利地保证其密封性和使用的安全性。ASTM F1387和SAE ARP1185系统地介绍了卡套接头和仪表管的匹配试验。大多卡套接头在设计初期或形成样件时，都必须经过匹配试验的验证。目前国内核电站用的卡套接头，从使用角度看，在设计初期就将试验要求和标准纳入技术规范中。但考虑有时存在多品牌供货和互相配合的情况，目前在进一步研究具体试验方法和匹配模式。