某核电用快速接头抗震特性分析

薛源 范荣超 刘金贵 刘艳 蒋燕祥 杜虎虎 陈钦闪

（1.中广核工程有限公司 广东深圳 518124；2.航天晨光股份有限公司 江苏南京 211100）

快速接头能够快速方便地实现管路的接通和断开，还可以在断开前泄压，有效防止管路断开后残留压力导致的甩击伤人，目前，在需要频繁插拔的输送管路中被广泛运用［1-4］。地震是危害核电站及相关核电产品安全可靠运行的主要因素之一［5］。为了保证核电站的安全运行，核电站所使用的设备都要经过抗震分析，确保其抗震能力良好，在遇到地震时，设备的结构和功能性能满足要求［6-8］。用于核电站管路系统中快速接头，作为核电管路中重要的连接装置，必须要进行抗震特性的分析。

目前，国内对快速接头的研究主要集中在不同因素对快速接头的强度、疲劳、冲蚀、气密等性能的影响。张瑜等［9］通过数值模拟的方法，建立了卡簧式快速接头有限元模型，对快速接头进行了强度分析，并研究了卡簧损伤位置对接头强度的影响。庹鑫等［10］建立了隔水管整体和接头局部计算模型，研究了接头在最大荷载下的应力分布情况，并对影响疲劳损伤的因素进行了参数敏感性分析。李新迪等［11］采用数值模拟方法，研究了不同入口速度、质量流率下的快速接头冲蚀磨损情况，研究发现，最大冲蚀速率与入口速度和质量流率都成正相关关系。国外针对快速接头的研究较少，R.Selvam等［12］通过对几何结构、材料和功能优化，提出一种新的增强型液压快速释放接头，并证明了这种快速接头的性能明显优于目前的商用快速接头。

核电用快速接头比普通快速接头工作环境更严苛，对抗震性等性能的要求也更高。目前，国内外针对核电用快速接头的抗震特性的研究都很少，因此，有必要对核用快速接头进行更深入的研究。

本文以某DN25型号的核用快速接头为研究对象，研究了该型号快速接头在典型工况下的抗震性能及主要影响因素。本文研究方法对快速接头抗震性能分析具有一定的参考意义。

1 工况分析

1.1 计算模型

以某设计阶段的DN25型快速接头为例，快速接头模型如图1所示。快速接头公称直径为25mm，设计压力为2.3MPa，设计温度为20℃，抗震等级为I类。快速接头主体由阳接头和阴接头组成，通过O型圈密封，连接时，两部分接头对插，导向板相互挤压，阀瓣打开内腔形成通路。通过一个推动连接套筒的动作，压缩复位弹簧，钢珠和卡簧被套压，到达卡槽的位置，使得阴阳接头锁紧，O 型圈密封；断开时同理，两边密封弹簧从压缩状态到放开状态，接头阀瓣在弹簧力和介质压力的作用下，随着导向板贴紧到阴阳接头内壁面，密封弹簧的弹簧力实现两部分接头的密封。管道与快速接头通过两端接头的螺纹连接，通过过渡接头实现焊接连接。由于快速接头结构复杂，忽略倒角、钢珠、密封圈等影响，采用实体单元进行网格划分，使用六面体单元与四面体单元结合的方式对整体模型进行网格划分，快速接头内外部网格如图2所示。

图1 快速接头模型

图2 快速接头有限元模型内外网格

快速接头的主体材料为S31603，弹簧的材料为17-7PH，卡簧的材料为1Cr18Ni9，材料的力学性能参数见表1，其中，E为设计温度下的弹性模量，ρ为材料密度，μ为泊松比，S为设计温度下的基本许用应力。

表1 快速接头材料力学性能参数

1.2 载荷条件

快速接头在服役过程中，承受自重以及内压和地震等各种形式的外载荷，这些外载荷对连接可靠性有严格的要求。根据RCC-M 规范［13］，应考虑载荷组合和相应的应力限值，详见表2。本次分析中，选取最危险工况即事故工况进行分析。

表2 不同工况下的载荷组合和应力限值

在事故工况下，快速接头承受1.3 倍设计压力为2.99MPa，在x、y、z方向同时施加6g的加速度，模拟地震载荷［14］。根据快速接头的连接工况，接头一侧与上游管道间用螺纹连接，边界条件中约束连接处的6个自由度，接头另一侧与下游管道连接，不做约束，边界条件如图3所示。导向板与接头主体内壁的接触、连接套筒与阳接头体的接触为无摩擦接触，其他接触为绑定接触。

图3 边界条件

2 快速接头模态分析

要求快速接头在地震载荷及设计载荷作用下保持结构完整，一般认为抗震等级I类的核电产品固有频率大于33Hz，即满足抗震要求［15］。模态分析时是否施加预应力没有统一规定。本研究分别计算了有预应力和只施加固定约束两种工况的模态［16］，结果表明，腔内充压对快速接头的固有频率有一定影响，基于预应力的模态计算结果较为保守。但是，为了与后续样机测试的结果进行对照，本文基于预应力进行模态计算，也方便对快速接头进行应力评价。

快速接头可以实现快速插拔的功能，本研究对阴、阳两部分接头分别进行数值计算以模拟快速接头接通前或断开后的状态。计算得到快速接头第一阶模态下的振型图4所示，各阶固有频率见表3，快速接头的首阶频率小于共振频率33Hz，影响快速接头固有频率的关键部位在密封弹簧上。

表3 快速接头固有频率

图4 快速接头第一阶振型

从模态分析中发现，复位弹簧是影响快速接头第一阶固有频率的关键部位。通过调整复位弹簧的中经、簧丝直径、有效圈数以改变弹簧刚度，从而研究复位弹簧对首阶固有频率的影响。结果发现：随着弹簧中经变小，簧丝直径变大，有效圈数变小，弹簧刚度变大，快速接头的首阶固有频率变大。

3 快速接头抗震分析

自重、内压、3个方向地震载荷共同作用下的应力云图如图5所示，快速接头总成产生的最大应力为39.53MPa，阳接头体最大应力为72.08MPa，阴接头体最大应力为91.70MPa。根据RCC-M规范，地震载荷下，各工况下的快速接头应力均小于许用应力126.5MPa（1.1S），快速接头应力条件满足RCC-M 抗震分析的要求。

图5 快速接头应力云图

4 试验验证

在产品设计阶段，通过有限元仿真的手段，调整复位弹簧的中经、簧丝直径、有效圈数等，从而改变弹簧刚度，最终使得设计的核电用快速接头满足抗震性能要求。现在，通过振动试验进行验证，快速接头的水平振动和垂直振动的安装方式如图6所示，通过对核电用快速接头施加振动试验的环境试验应力，分批次分别对样品x 向和z 向施加规定的正弦扫频振动应力。经过验证，振动试验后样品的外观、结构、功能和性能完好，所设计的核电用快速接头满足抗震性能要求。

图6 快速接头水平方向和垂直方向振动试验安装方式

5 结论

本文采用有限元分析软件，建立了快速接头计算模型，研究了快速接头在典型工况下的抗震性能。本文对快速接头的抗震分析方法对以后核电产品的抗震性能分析及结构优化具有一定指导作用。本文研究的主要结论如下。

（1）基于预应力的快速接头进行抗震分析，以验证快速接头在工作状态下发生地震能否安全可靠运行，结合第一阶固有频率和应力状态进行分析，发现该型号快速接头能够满足抗震要求。

（2）密封弹簧是影响快速接头第一阶固有频率的关键部位，通过提高弹簧刚度，可以提升第一阶固有频率，快速接头首阶固有频率随着弹簧中经变小、簧丝直径变大、有效圈数变小而变大。