核电领域用卡套直通接头的研制

吴其尧 朱旭 沈天阔 邹小平 刘增瑞

摘 要：卡套接头应用在核电站反应堆管道回路中，具有密封性好、安装方便、检修快捷以及可重复拆装等特点。卡套接头系统中的直通本体、前卡套、后卡套、卡套螺母等，每种零部件的各项性能都要满足核电要求，才能保证整个系统的长期安全运行。接头系统通过多项试验合格后，才能应用在核电领域，确保核电机组安全、稳定、可靠运行。

关键词：卡套接头;核电站反应堆;密封原理

中图分类号：U463.5 文献标识码：A 文章编号：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连接中的应用起源于20世纪30年代，最早由德国发明并投入使用，经过几十年的不断完善和发展，目前在化工、石油、天然气、食品、制药、仪器仪表、航天航空、高铁以及核电等领域广泛应用，但应用于核电行业的时间较晚。我国核电站建造过程中，核级卡套式直通接头一直从国外采购，国内缺乏相关研究和制造经验。华龙一号压水反应堆是我国自主设计建造的第三代核电站，大部分关键零件已经实现国产化。但是，核级卡套式管接头仍未实现国产，属于“卡脖子”的核心零件。基于此，江苏科维仪表控制工程有限公司与中广核工程有限公司、上海第一机床厂有限公司联合研发卡套式直通接头，以实现核级接头国产化。

1 卡套式直通接头的应用场合

卡套式直通接头在核电管连接中主要应用在：核岛堆内构件承压密封件的一回路承压边界和安全一级部件[1]、核岛堆外监控检测部件的压力回路以及温度检测的保护回路中。

2 卡套式直通接头的结构形式

卡套式直通接头的结构形式有单卡套、双卡套等多种，其中双卡套结构形式的接头使用最多、应用最广。

双卡套结构接头主要由接头本体（直通）、前卡套、后卡套、卡套螺母及卡套管组成，见图1。

3 卡套接头系统密封原理

按图1组装并紧固卡套接头系统后，密封原理见图2。

当旋紧卡套螺母时，卡套螺母向左运动，卡套螺母内螺母底锥面与后卡套后面大外锥面接触，对后卡套大外锥面产生一个左推力，使后卡套左移。后卡套左移后，后卡套外锥面与前卡套内锥面接触，锥斜面形成一个径向力与一个轴向力。径向力使后卡套内表面压迫卡套管向内变形，同时前卡套外锥面与接头体内锥面也形成一个垂直于两锥面的合力。这个合力也可分解为一个径向力与一个轴向力。径向力与轴向力也使卡套管向内变形，阻止卡套管后退并承压与密封。前卡套内孔与卡套管、前卡套外锥与接头体内孔同时形成密封，后卡套沿轴向推进前卡套，沿径向施加一个有效的卡套锁紧力，最终达到既把卡套管与接头本体完美密封，又能使卡套接头系统在外界震动的情况下保持密封性良好。

4 影响卡套式直通接头使用效果的因素

影响卡套式直通接头使用效果的因素包括：第一，前卡套、后卡套、卡套螺母、直通本体几何尺寸及形位公差;第二，气压密封性;第三，水压密封性;第四，最大水压爆破;第五，弯曲疲劳;第六，重复装配;第七，拉伸试验;第八，旋转弯曲试验;第九，震动试验。下面通过相关的试验，验证设计的合理性。

4.1 试验方法与结论

4.1.1 外观尺寸检验。①零件尺寸检验内容包括尺寸精度、形位精度与粗糙度要满足要求，选择经校准合格且有效的测量和试验设备，对零件外观尺寸进行检查。经过检查，结果合格。②装配后检查包括整体外观检查、通径尺寸检查、接口螺纹检查、装配情况检查以及整体实物标识检查。经过检查，结果合格。

4.1.2 气压试验。①试验方法。将装配完毕的试验样件连接到试验设备。试验开始前，将连接完毕的试验样件完全漫入水中。用氮气将试件加压至0.69 MPa，保持5 min，检查是否有泄漏。第1 min内出现表面附着气泡，是可以接受的;在其余4 min内，不应有气泡出现。之后，将压强慢慢提高至3.45 MPa，保持5 min，检查是否出现泄漏[2]。②技术要求。两个加压过程中均无渗漏。③仪器设备。试验用的仪器设备包括PPC4EX-7M&PM-A7M型压力测试系统和J9-2II SIPAIT-J08021型秒表。④试验结果。加压至0.69 MPa，保持5 min后，无泄漏;再加压至3.45 MPa，保持5 min后，无泄漏。⑤试验结论：合格。

4.1.3 水压试验。①试验方法。使用通过气压试验的样件进行水压试验。先将试验样件内充满水，然后连接到试验设备。用水将试件加压至0.69 MPa，保持5 min，检查连接处是否有渗漏。若无渗漏，将压强以不超过172 MPa/min的加压速率提高至38.79 MPa，保持5 min，检查连接处是否出现渗漏。②技术要求。两个加压过程中均无渗漏。③仪器设备。试验用的仪器设备包括pc367 SIPAIT-JO3095型高压液体压力装置、J9-2II SIPAIT-J08021型秒表、60 MPa SIPAI/T-J03115a型精密压力表、40 MPa SIPAI/T-J03137i型精密压力表。④试验结果。加压至0.7 MPa，保持5 min后，无泄漏;再加压至38.9 MPa，保持5 min后，无泄漏。⑤试验结论：合格。

4.1.4 水压爆破试验。①试验方法。使用通过气压试验和液压试验的样件进行水压爆破试验。将试验样件内充满水，然后连接到试验设备。将压强以不超过172 MPa/min的加压速率提高至额定压强的400%，即103.44 MPa，保持1 min，检查连接处是否出现破裂泄漏现象[3]。②技术要求。加压过程中均无渗漏。③仪器设备。试验用的仪器设备包括J9-2Ⅱ SIPAI/T-J08021型秒表、pc367 SIPAI/T-J03095型高压液体压力装置、160 MPa SIPAI/T-J03124型压力表。④试验结果。加压至103.6 MPa，保持1 min后，无泄漏。⑤試验结论：合格。

4.1.5 弯曲疲劳试验。使用通过气压试验及液压试验的试验样件进行弯曲疲劳试验。试验前，试验样件完全拆卸装配一次，然后将试验样件内充满水，再连接到试验设备。用水将试件加压至额定压强25.86 MPa，给样件加载弯矩，使弯矩引起的轴向应力与内部压力的总应力为259 MPa，即弯矩引起的轴向应力为251.3 MPa;3/8"规格的管件内部压力引起的轴向应力为19.2 MPa，即弯矩引起的轴向应力为239.8 MPa。一个循环包括从弯矩引起的轴向应力从零到正向最大、反向最大到零的过程。试验周期为30 000次，并分别在试验周期的0%、25%、50%、75%以及100%时中断试验，各拆卸并重新组装两次后进行液压试验。

4.1.6 重复装配试验。弯曲疲劳试验完成后再进行重复装配，每次重复装配后进行气压和液压试验，直至开始泄漏，需记录重复装配的次数。

4.1.7 拉伸试验。①试验方法。以1.3 mm/min恒定速率在拉伸试验机上进行拉伸试验，拉伸负荷设定力值按[Kt×Ap×Sy]计算。其中：[Kt]为拉伸系数，取值为1;[Ap]为截面积，mm2;[Sy]为最小屈服强度，取值为170 MPa。通过计算获得3/8"组件的设定力值为6.9 kN。②技术要求[4]。拉伸载荷达到设定值，样件未发生分离。③仪器设备。试验用的仪器设备主要是QJ211S-10kN SIPAI/T-J11118型微机控制电子万能试验机。④试验结果。拉伸载荷达到设定值，样件未发生分离。⑤试验结论：合格。

4.1.8 旋转弯曲试验。使用通过气压及液压试验的样件进行该试验。粘贴应变片于管件高应力侧4.6 mm内，管件内加压至3.45 MPa，安装后加载170 MPa的弯矩。试验过程中保持压力和弯矩，试验旋转速度不低于1 750 r/min，试验周期为106圈。旋转弯曲试验合格后进行振动试验。

4.1.9 振动试验。①试验方法。使用通过气压和液压试验的试验样件进行该试验。试验时，通过两个夹具把管件固定在振动台上，3/8"管件支架之间距离为457 mm。试验前，在样件内加载水压至额定压强25.8 MPa，每个样件依次按振动方向X、Y、Z方向进行试验，且每个方向均要进行3类试验。第一，探索性振动试验。振动频率为5～33 Hz的扫描振动，振幅为0.025 4 cm，频率变化为0.067 Hz/s，即每个频率段内扫描15 s，扫描一个周期。第二，变频试验。在频率间隔为1 Hz状况下从5 Hz振动到33 Hz，每个频率振动维持5 min。第三，疲劳试验。疲劳试验频率选于探索性试验和变频试验的频率范围5～33 Hz，从中找到严重影响样品功能的频率，并以此频率振动持续2 h。振动测试完成后，再进行液压试验。②技术要求。试验过程无泄漏，且通过之后的液压试验[5]。③试验用主要仪器设备包括DC-1000-13电动振动台、pc36760MPa精密压力表高压液体压力装置和40 MPa SIPAI/T-J03137i精密压力表。④试验结果。振动试验过程中无泄漏，之后的液压试验无泄漏，合格。

5 安全性评价

公司对3/8"卡套式直通快拆接头委托中辽检测有限公司分别进行了9项性能指标的综合检测，分别为：①前卡套、后卡套、卡套螺母、直通本体几何尺寸及形位公差;②气压密封;③水压密封;④最大水压爆破;⑤弯曲疲劳;⑥重复装配;⑦拉伸试验;⑧旋转弯曲试验;⑨震动试验。全部符合规格设计书中规定的各项要求，实现国产化的目标，确保卡套式直通接头满足核电站中的安全应用。

6 结语

核电作为一种安全、清洁和高效的能源，是全球未来大力推广和发展的新型能源。核电是新能源产业的重要组成部分，目前我国已经投入运行的核电站达18座，预计到2025年我国的核电运行装机容量将达到7×107 kW，在建3×107 kW。实现核电核心部件全部国产化，是中国所有核电企业共同承担的责任。双卡套直通接头的成功自主化为核电关键部件的供货提供了巨大的支撑，打破了国外的垄断地位，突破了该领域卡脖子技术，确保了核电设备的正常供货，保障了国家能源的安全。

参考文献：

[1]核工业第二研究设计院.压水堆核岛机械设备设计和建造规则：RCCM-MC1212[S/OL].（1996-12-01）[2021-06-25].https：//www.doc88.com/p-0973882329301.html？r=1.

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.卡套式直通管接头：GB/T 3737—2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

[3]王红星.基于卡套式接头的结构改进[J].科技风，2010（22）：204-205.

[4]中华人民共和国铁道部.机车车辆用曲面卡套式管接头 第19部分：管柱直通管接头：TB/T 3102.19—2005[S/OL].（2005-03-29）[2021-06-22].http：//www.csres.com/detail/172204.html.

[5]中华人民共和国铁道部.机车车辆用曲面卡套式管接头 第20部分：管柱直通管接头体：TB/T 3102.20—2005[S/OL].（2005-03-29）[2021-06-22].http：//www.csres.com/detail/172205.html.