核電用快速接頭的改良設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析

陳崇昆 王均增 王昭君 黃瓊宇 杜虎虎 王為輝 郭志承 吳尚勛

（1.航天晨光股份有限公司金屬軟管分公司 江蘇南京 211153；2.中廣核工程有限公司 廣東深圳518026；3.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇南京 211189）

快速接頭具有快速連接和斷開的特點(diǎn)，在需要頻繁插拔的輸送管路中被廣泛運(yùn)用。隨著社會(huì)的發(fā)展，許多裝置設(shè)備不僅要求快速接頭在具備連接和斷開的功能之外，還要求其滿足高安全性、易操作性和高穩(wěn)定性等特性。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)快速接頭的研究已經(jīng)取得很多有價(jià)值的研究成果，主要涉及快速接頭的密封性設(shè)計(jì)、抗震特性分析、流體分析及失效分析等。例如，李森［1］設(shè)計(jì)了一種雙定位雙密封隔水管快速接頭，并基于整體靜力分析結(jié)果，對(duì)接頭局部進(jìn)行了應(yīng)力分析，這一設(shè)計(jì)可適用于多種海況，具有較高的安全性能；湯志東、贠超［2］對(duì)現(xiàn)有的快速接頭進(jìn)行了較為全面的介紹，分析并討論了由手工對(duì)接改為自動(dòng)對(duì)接所面臨的關(guān)鍵問題，對(duì)后續(xù)的相關(guān)研究起到了很好的指導(dǎo)作用；Sebastian R G［3］等提供了一種在液體管路中快速斷開接頭連接的方法，對(duì)降低液壓油的損耗上起到了很好的指導(dǎo)和借鑒意義；R.Selvam等［4］通過對(duì)幾何結(jié)構(gòu)、材料和功能的優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一種新的增強(qiáng)型液壓快速釋放接頭，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的服務(wù)、安裝和更換，并證明了這種快速接頭的性能明顯優(yōu)于目前的商用快速接頭，對(duì)快速接頭的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)意義；Mirzaliev 等［5］利用SolidWorks Flow Simulation 軟件和西門子Amesim 水力設(shè)計(jì)工具建立了快速接頭的數(shù)學(xué)模型，得到了進(jìn)行快速接頭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，提高了快速接頭設(shè)計(jì)的可行性；伍杜傲、高紅波等［6］基于有限元分析方法，分析了管接頭在自重、內(nèi)壓及地震作用下的應(yīng)力響應(yīng)，對(duì)管接頭的抗震性能進(jìn)行了分析和評(píng)定；李新迪等［7］建立了一種湍流模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同入口速度下的快速接頭沖蝕磨損情況進(jìn)行數(shù)值仿真分析，從而改善了快速接頭內(nèi)壁沖蝕磨損嚴(yán)重的問題。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于快速接頭的研究已經(jīng)取得較大的成果，但是對(duì)于核電站氣體系統(tǒng)用快速接頭的研究還比較少。與普通快速接頭相比，核電用快速接頭的工作環(huán)境更加嚴(yán)苛，在進(jìn)行接頭體斷開與連接的操作過程中，為防止接頭斷開時(shí)內(nèi)部的殘留壓力甩擊傷人，因此，需要對(duì)核電用快速接頭的設(shè)計(jì)提出先安全泄壓再斷開連接的要求。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前，國(guó)內(nèi)的核電設(shè)備適用的快速接頭主要依靠進(jìn)口，現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)快速接頭的設(shè)計(jì)不能滿足核電設(shè)備的特殊要求，但是進(jìn)口的快速接頭不但在價(jià)格上十分昂貴，而且供貨周期極長(zhǎng)，特別是大口徑快速接頭尤其如此。經(jīng)過對(duì)前人研究結(jié)果的總結(jié)和不斷地摸索改進(jìn)，本文設(shè)計(jì)了一種新型快速接頭，可以實(shí)現(xiàn)其在連接、泄壓和斷開3種狀態(tài)間的快速切斷，進(jìn)一步提高了工作過程的安全性和可靠性。同時(shí)，本文基于有限元分析軟件ANSYS-Workbench，對(duì)設(shè)計(jì)的快速接頭進(jìn)行了地震工況下的強(qiáng)度分析，分析結(jié)果表明了改良設(shè)計(jì)的核電用快速接頭能夠滿足規(guī)范的強(qiáng)度要求。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

目前，市場(chǎng)上快速接頭雖然有很多種型式，但是其工作原理與結(jié)構(gòu)組成大同小異。本文設(shè)計(jì)的核電用快速接頭主要由陰接頭體和陽(yáng)接頭體組成［8］，其總裝結(jié)構(gòu)如圖1 所示，斷開連接后的陰接頭體和陽(yáng)接頭體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 快速接頭總裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 接頭體結(jié)構(gòu)示意圖

核電用快速接頭實(shí)現(xiàn)安全連接、泄壓和斷開的工作原理如下：進(jìn)行陽(yáng)接頭體與陰接頭體的連接時(shí)，首先壓緊外套，沿軸向方向推動(dòng)陽(yáng)接頭體，帶動(dòng)接頭體內(nèi)部導(dǎo)向板和閥瓣的移動(dòng)，進(jìn)而密封彈簧壓縮，打開陰接頭體內(nèi)腔的同時(shí)，放開外套，使外套在二級(jí)復(fù)位彈簧的回彈力作用下退回原位，從而產(chǎn)生對(duì)鋼珠的壓緊力，達(dá)到鎖緊陽(yáng)接頭體的目的，使陰陽(yáng)接頭體在流體壓力作用下也無(wú)法分離，此時(shí)，管路內(nèi)的液體或氣體介質(zhì)被接通，形成一個(gè)連通的區(qū)域；斷開陰陽(yáng)接頭體的連接時(shí)，為了提高操作的安全性，將操作過程設(shè)計(jì)為兩個(gè)步驟：第一，按壓一級(jí)復(fù)位套表面的按鈕，按鈕復(fù)位彈簧壓縮，從而解除外套和內(nèi)套之間的軸向鎖定；第二，沿軸向推動(dòng)外套，使鋼珠從陽(yáng)接頭體表面的定位槽中彈出，陰接頭體內(nèi)的導(dǎo)向板在密封彈簧作用下和閥瓣一起沿軸向移動(dòng)，直至與陰接頭體內(nèi)圓面貼合，形成密封的空間，同時(shí)，陽(yáng)接頭體內(nèi)的介質(zhì)逸散，完成泄壓操作，安全泄壓后，陽(yáng)接頭體和陰接頭體已完成斷開操作。

2 快速接頭基本設(shè)計(jì)思路

為了實(shí)現(xiàn)核電用快速接頭在安全連接、安全泄壓和斷開3 種狀態(tài)間的快速切斷，設(shè)計(jì)改進(jìn)過程主要分為了以下4個(gè)部分。

2.1 鎖緊設(shè)計(jì)

鎖緊設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)陰陽(yáng)接頭體之間的快速連接［9］。在連接狀態(tài)下，為使陰接頭體和陽(yáng)接頭體處于鎖死狀態(tài)，共設(shè)計(jì)了兩級(jí)緊固結(jié)構(gòu)。其中，一級(jí)緊固結(jié)構(gòu)主要是通過內(nèi)套將鋼球壓緊在陽(yáng)接頭體表面的錐面定位槽內(nèi)實(shí)現(xiàn)，二級(jí)緊固結(jié)構(gòu)通過外套將鋼球壓緊在陽(yáng)接頭體表面的導(dǎo)向定位槽中實(shí)現(xiàn)，即一級(jí)緊固設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)完全約束，二級(jí)緊固設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向約束。在連接狀態(tài)時(shí)，鋼球被外套壓住而無(wú)法退出，外套又由彈簧頂住，始終保持在左端位置。核電用快速接頭設(shè)計(jì)中的兩級(jí)鎖緊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 兩級(jí)緊固結(jié)構(gòu)示意圖

另外，兩級(jí)鎖緊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還能夠減小工作狀態(tài)下由于流體沖擊和振動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)微變形，提高了核電用安全快速接頭的整體剛度，從而對(duì)核電用安全快速接頭的抗震性能和工作穩(wěn)定性也有一定的改善。

2.2 導(dǎo)向板設(shè)計(jì)

綜合考慮了結(jié)構(gòu)的密封性要求和快速插拔的可操作性，在陽(yáng)接頭體與閥瓣連接的位置設(shè)計(jì)了一種具有十字形外圓側(cè)邊的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。在進(jìn)行安全連接、安全泄壓和斷開時(shí)，該結(jié)構(gòu)可以通過其十字形外圓側(cè)邊與陰接頭體的內(nèi)圓面緊密貼合，從而將內(nèi)腔的介質(zhì)進(jìn)行四等分，這一設(shè)計(jì)不僅能夠滿足陰陽(yáng)接頭體在插拔過程中的直線運(yùn)動(dòng)的要求，同時(shí)還能夠減少流體通過變尺寸截面時(shí)所產(chǎn)生的激振效益，提高了核電用安全快速接頭的密封效果，使得核電用安全快速接頭在工作時(shí)能夠更加穩(wěn)定，更加安全。

圖4 導(dǎo)向板結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 泄壓設(shè)計(jì)

為了達(dá)到快速泄壓、安全泄壓的目的，在陰接頭、內(nèi)套和外套上分別設(shè)計(jì)了3 種緩釋孔，如圖5～圖7所示。

圖5 陰接頭體緩釋孔

圖6 內(nèi)套緩釋孔

圖7 外套緩釋孔

其中，內(nèi)套的緩釋孔采用變直徑設(shè)計(jì)，其最小直徑大于陰接頭和外套表面的緩釋孔直徑，這一設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)在核電用快速接頭切在換到泄壓狀態(tài)時(shí)，降低流體流經(jīng)緩釋孔時(shí)由于流體釋放所產(chǎn)生的噪音和沖擊振動(dòng)。

2.4 斷開卡接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高核電用安全快速接頭在切換工作狀態(tài)時(shí)的安全性，在外套和內(nèi)套之間設(shè)計(jì)了一種特殊的結(jié)構(gòu)，稱為斷開卡接結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)可以將斷開前的操作分為壓按鈕和推外套兩個(gè)步驟，工作人員斷開連接時(shí)，如果出現(xiàn)誤操作或者操作順序不對(duì)的情況，快速接頭的陰陽(yáng)接頭體不會(huì)斷開，斷開卡接結(jié)構(gòu)如圖8 所示。具體操作原理為：進(jìn)行斷開操作時(shí)，首先向下按壓外套上的按鈕，帶動(dòng)限位塊下移至下位置，此時(shí)，內(nèi)套可以實(shí)現(xiàn)與外套之間的相互滑動(dòng)，此時(shí)，松開按鈕，限位塊在按鈕復(fù)位彈簧的推力作用下會(huì)移動(dòng)至上位置，從而將外套和內(nèi)套鎖定。

圖8 斷開卡接結(jié)構(gòu)示意圖

3 有限元模型與分析

隨著高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展及分析軟件技術(shù)的進(jìn)步，有限元法作為一種經(jīng)濟(jì)且高效的分析手段，在快速接頭領(lǐng)域也得到了廣泛地應(yīng)用。ANSYS 作為有限元分析軟件，在市場(chǎng)上有很高的占有率，因其能夠與目前市場(chǎng)上很多的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（CAD）進(jìn)行接口，完成數(shù)據(jù)的傳輸和轉(zhuǎn)換，在國(guó)防、機(jī)械、土木、航天、能源、水利等很多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用?？紤]到核電用快速接頭的工作環(huán)境更為嚴(yán)苛，其在危險(xiǎn)工況下的強(qiáng)度校核便顯得至關(guān)重要［10］。本文基于有限元分析軟件ANSYS-Workbench，對(duì)設(shè)計(jì)的核電用快速接頭進(jìn)行強(qiáng)度分析校核，分析其在最危險(xiǎn)工況下是否滿足規(guī)范的強(qiáng)度要求。分析所需要的核電用快速接頭的力學(xué)模型先在三維軟件Solidwoks 中建立，然后導(dǎo)入到分析軟件中進(jìn)行強(qiáng)度分析校核，主要操作步驟包括導(dǎo)入分析模型、定義材料參數(shù)、設(shè)置接觸方式、進(jìn)行網(wǎng)格劃分、定義邊界條件、施加載荷、軟件求解以及結(jié)果后處理。

3.1 計(jì)算載荷

由于有限元分析軟件計(jì)算出結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性主要和軟件模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的貼切程度有關(guān)，即結(jié)果的真實(shí)性主要受到分析模型與實(shí)際工作環(huán)境的影響，因此，在進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析校核之前，首先要對(duì)核電用快速接頭在危險(xiǎn)工況下的實(shí)際受力情況進(jìn)行一定的理論分析。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，核電用快速接頭所考慮的載荷主要包括自重、內(nèi)壓及地震作用。本文按照RCC-M規(guī)范中對(duì)于安全3 級(jí)部件的相關(guān)規(guī)定，對(duì)快速接頭的工況進(jìn)行選擇和分析，以驗(yàn)證該設(shè)備在地震中和地震后能夠保證結(jié)構(gòu)的完整性及可運(yùn)行性。根據(jù)RCC-M中表C3383 和ZZX47500001M05144DS《核電用快速接頭研制技術(shù)要求》中的規(guī)定，進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)考慮的載荷組合和相應(yīng)的應(yīng)力限值詳見表1［11］。本文選取最危險(xiǎn)工況，即事故工況進(jìn)行強(qiáng)度校核。

表1 不同工況下的載荷組合和應(yīng)力限值

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，核電用快速接頭的工作壓力為2.9MPa，本文選擇事故工況作為分析工況，快速接頭所受的內(nèi)壓按照1.3倍的設(shè)計(jì)壓力取值，即3.77MPa。在事故工況下，考慮快速接頭所受的地震作用，地震加速度值取6.0g，考慮結(jié)構(gòu)自重。同時(shí)，本文在分析時(shí)采用相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下的材料力學(xué)性能指標(biāo)，忽略接管荷載。

3.2 材料設(shè)置

快速接頭的主體材料為S31603，彈簧的材料為17-7PH，卡簧的材料為1Cr18Ni9，各部件材料的力學(xué)性能參數(shù)詳見表2。其中，E 為設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量，ρ 為材料密度，μ 為泊松比，S 為設(shè)計(jì)溫度下的基本許用應(yīng)力。

表2 快速接頭材料力學(xué)性能參數(shù)

3.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度決定著分析結(jié)果的精度，與之而來的代價(jià)就是網(wǎng)格越密，所耗用的分析時(shí)間越長(zhǎng)。在本次分析中，本文將建立的核電用快速接頭三維模型導(dǎo)入至有限元分析軟件ANSYS-Workbench中，針對(duì)模型中不同的部件，采用六面體單元與四面體單元相結(jié)合的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3.4 邊界條件及載荷

邊界條件如圖9所示。為模擬核電用快速接頭真實(shí)的受力和約束情況，核電用快速接頭的一側(cè)與上游管道用螺紋連接，對(duì)連接面施加固定約束，接頭的另一側(cè)與下游管道連接，不作約束。

圖9 核電用快速接頭邊界條件的設(shè)置

根據(jù)3.1節(jié)可知，本文中核電用快速接頭所考慮的載荷主要包括自重、內(nèi)壓和地震作用。根據(jù)RCC-M規(guī)范，本次分析中接頭內(nèi)部受到的內(nèi)壓為3.77MPa，地震作用下的加速度值為6g，方向?yàn)閤、y、z三個(gè)方向，同時(shí)，施加結(jié)構(gòu)自重荷載，如圖10所示。

圖10 核電用快速接頭載荷的施加

3.5 結(jié)果分析

通過以上步驟，在有限元分析軟件中對(duì)核電用快速接頭進(jìn)行強(qiáng)度分析，所得應(yīng)力分布圖如圖11所示。

圖11 快速接頭應(yīng)力分布圖

由應(yīng)力分布圖中可以看出，核電用快速接頭在設(shè)置的荷載和邊界條件下所受到的最大應(yīng)力為43.993MPa，小于許用應(yīng)力115MPa，即在事故工況下，改良設(shè)計(jì)的核電用快速接頭的應(yīng)力條件滿足規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，設(shè)計(jì)的核電用快速接頭已通過試制，試驗(yàn)證明其各項(xiàng)性能均可以滿足設(shè)計(jì)要求。與現(xiàn)有技術(shù)相比，改良設(shè)計(jì)后的核電用快速接頭具有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）實(shí)現(xiàn)了接頭在安全連接、泄壓和斷開3種狀態(tài)間的快速切斷。

（2）兩級(jí)緊固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提高了接頭的整體剛度、抗震性能和工作穩(wěn)定性。

（3）導(dǎo)向板的設(shè)計(jì)減小了快速接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)在振動(dòng)和沖擊下的變形，使得核電用安全快速接頭在工作狀態(tài)下更加穩(wěn)定。

（4）內(nèi)套上緩釋孔的變直徑設(shè)計(jì)降低了內(nèi)部介質(zhì)流經(jīng)緩釋孔時(shí)產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)。

（5）外套與內(nèi)套之間的斷開卡接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，將斷開操作分為推外套和按按鈕兩個(gè)步驟，提高了核電用安全快速接頭切換工作狀態(tài)時(shí)的安全性。

（6）經(jīng)有限元分析驗(yàn)證，在最危險(xiǎn)工況，即事故工況下，改良設(shè)計(jì)的核電用快速接頭滿足強(qiáng)度要求。