周迪鋒

(上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測試所有限公司，上海 200233)

0 引 言

卡套式管接頭和儀表管的組合應(yīng)用大大簡化了儀表管線的安裝鋪設(shè)工作，同時(shí)具有良好的密封性能、抗振動(dòng)和重復(fù)拆裝功能，因而在核電站及航空航天中的管道系統(tǒng)中的得到大量的應(yīng)用[1-2]。為了驗(yàn)證卡套式管接頭在極端條件下依然具有良好的密封性[3]，應(yīng)按照ASTM F1387-99(2012)的要求對卡套和管子的匹配性進(jìn)行全性能試驗(yàn)，包括氣動(dòng)驗(yàn)證、水壓驗(yàn)證、脈沖循環(huán)、拉伸、彎曲疲勞和旋轉(zhuǎn)彎曲等試驗(yàn)[4-5]，其中大部分試驗(yàn)都可以采用通用試驗(yàn)裝置進(jìn)行測試，而彎曲疲勞和旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)需要專用試驗(yàn)機(jī)[6]。

現(xiàn)有的測試技術(shù)采用應(yīng)變片測量卡套受到的外部應(yīng)力，應(yīng)變片測量卡套應(yīng)力有三個(gè)弊端，其一是應(yīng)變片貼在外徑為1/4inch或3/8inch的細(xì)管子上有較高難度，需要一些列復(fù)雜工藝配合；其二是貼應(yīng)變片需要用到高溫烘箱，高溫可能降低卡套原有的機(jī)械密封性能；其三是每個(gè)貼完應(yīng)變片后的卡套，應(yīng)進(jìn)行單獨(dú)的計(jì)量從而得到應(yīng)變與應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系，比較費(fèi)時(shí)[8-9]。為此研制了一種專用于進(jìn)行卡套彎曲疲勞和旋轉(zhuǎn)彎曲測試的裝置，通過預(yù)裝的力傳感器和安裝后測得的力臂來解決應(yīng)力測量問題。該測試裝置有效提高了核電站等采購方對卡調(diào)試管接頭的驗(yàn)收效率，同時(shí)有助于促進(jìn)卡套式管接頭的國產(chǎn)化研發(fā)進(jìn)度，提升行業(yè)的整體水平。

1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)要求

彎曲疲勞和旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)裝置如圖1所示，1為四氟軸承，四氟軸承可承受一定的擾度，軸承大小根據(jù)測量卡套管的外徑來選擇；2為力傳感器，用于計(jì)量卡套受到的力值；3為氣缸，作為卡套受到外部應(yīng)力的力源，同時(shí)氣缸上配置位移傳感器，監(jiān)測試驗(yàn)過程中樣品的形變量；4為夾緊裝置；5為伺服電機(jī)，電機(jī)只在旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)中工作；6為試驗(yàn)樣品。力傳感器的測量范圍為(20～500)N，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速(20～3 000)r/min可調(diào)。氣缸是整個(gè)裝置的核心部件，氣缸的作用是產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的力，氣缸工作頻率(0.5～2)Hz可調(diào)。

圖1 彎曲疲勞和旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)裝置

卡套式管接頭是由卡套、螺母和接頭體組成，如圖2所示，使用中配合相應(yīng)規(guī)格的儀表管?？ㄌ资焦芙宇^及儀表管材質(zhì)均為316L不銹鋼。文中以3/8inch×0.065inch規(guī)格的卡套式管接頭為例進(jìn)行試驗(yàn)，額定壓力為20 MPa，相關(guān)尺寸見表1所列。

表1 儀表管尺寸

1.1 彎曲疲勞試驗(yàn)要求

樣品中充滿水，加壓至額定壓力20 MPa，加入一個(gè)彎矩，使得內(nèi)部壓力和彎矩引起的最大總應(yīng)力為259 MPa，樣品測試30 000個(gè)循環(huán)，一個(gè)循環(huán)包括從正向加載彎矩到總應(yīng)力為259 MPa，卸載正向彎矩，再反向加載彎矩到總應(yīng)力為 259 MPa，卸載反向彎矩這整個(gè)過程。試驗(yàn)頻率為1 Hz。試驗(yàn)過程中無泄漏[10]。

1.2 旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)要求

樣品中充滿水，加壓至3.45 MPa，引入彎矩，使得彎矩引起的應(yīng)力為168 MPa，樣品以不小于1 750 r/min的旋轉(zhuǎn)速度測試106循環(huán)，試驗(yàn)過程中無泄漏。

2 試驗(yàn)過程及分析

2.1 彎曲疲勞試驗(yàn)

樣品兩端分別連接壓力表和單向閥，加壓至額定壓力20 MPa，通過夾緊裝置安裝到測試裝置上。安裝示意圖如圖3所示。

圖3 彎曲疲勞安裝示意圖

安裝后測量卡套到力作用點(diǎn)的距離L，測得長度為220 mm。試驗(yàn)中要求卡套能承受內(nèi)部應(yīng)力和彎矩引起的總應(yīng)力為259 MPa，即：

S+σ=259 MPa

(1)

式中：S為內(nèi)部壓力引起的應(yīng)力;σ為彎矩引起的應(yīng)力。

(2)

式中：P為內(nèi)部壓力，MPa；D為儀表管外徑，mm；d為儀表管內(nèi)徑，mm；P、D、d均為已知量，代入公式，得到σ=244.1 MPa。

(3)

式中：M為彎矩，N·m；ymax為到中心軸線的最大距離，mm；I為繞中心軸線的慣性矩，mm4。

其中：

(4)

(5)

M=FL

(6)

式中：F為加載的力，N；L為力臂長度，mm。

代入公式(3)～(6)，得到F=76.9 N。

系統(tǒng)中設(shè)置加載力為76.9 N，頻率為1 Hz，周期為30 000次。完成30 000次循環(huán)后，壓力表的讀數(shù)為19.6 MPa，無泄漏。試驗(yàn)過程如圖4所示。

圖4 彎曲疲勞試驗(yàn)

2.2 旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)

用同一規(guī)格的另一樣品進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)。樣品兩端分別連接壓力表和單向閥，壓力表選用Y-40同軸耐震壓力表，加壓至3.45 MPa，通過夾緊裝置安裝到測試裝置上。安裝示意圖如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)彎曲安裝示意圖

安裝后測量卡套到力作用點(diǎn)的距離L，測得長度為255 mm。代入公式(3)～(6)，σ=168 MPa，算得F=45.7 N。

系統(tǒng)中設(shè)置加載力為45.7 N，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)1 000 000圈。測試過程中，監(jiān)測位移傳感器的值，即樣品的形變量，完成測試后，壓力表的讀數(shù)為3.40 MPa，無泄漏。試驗(yàn)過程如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)

2.3 試驗(yàn)總結(jié)

應(yīng)用此裝置進(jìn)行卡套的彎曲疲勞和旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)后壓力表的讀數(shù)無變化，證實(shí)試驗(yàn)過程中無泄漏。此裝置采用力傳感器測量力值解決了貼應(yīng)變片的難題，利用四氟軸承克服了試驗(yàn)過程中擾度不足的問題。

3 結(jié) 語

彎曲疲勞和旋轉(zhuǎn)彎曲是卡套式管接頭和儀表管匹配性試驗(yàn)中不可缺少的部分，彎曲疲勞和旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)裝置采用力傳感器測量力值代替?zhèn)鹘y(tǒng)測試裝置上的應(yīng)變片測量應(yīng)力值，避免了細(xì)管上應(yīng)變片貼片工藝難和貼片時(shí)的高溫可能導(dǎo)致破壞卡套機(jī)械密封問題。此裝置能有效提高測試效率，同時(shí)促進(jìn)卡套式管接頭的國產(chǎn)化提供支持，提升行業(yè)的整體水平。