吳利杰，吳其堯，馬若群，張其先，薛 源，劉金貴，張玉林

（1.中廣核工程有限公司，深圳 518116；2.江蘇科維儀表控制工程有限公司，鹽城 224001；3.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

卡套連接是一種可靠、易于拆卸安裝的連接方式［1］，同時(shí)又具備良好的密封、耐高溫高壓及重復(fù)拆裝性能，在核電站的小口徑儀表管線系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

核級(jí)儀表卡套接頭屬于重要的儀表管閥件安裝材料，大量應(yīng)用于RCV、RCP等帶有反應(yīng)堆冷卻劑或硼酸的一回路及二回路系統(tǒng)，如果卡套接頭連接的密封性不好，將會(huì)導(dǎo)致儀表管線發(fā)生泄漏，儀表失效，無法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作情況，進(jìn)而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此其在核電項(xiàng)目中具有十分重要的地位。以往核電項(xiàng)目核級(jí)儀表卡套接頭均由國(guó)外公司壟斷供貨，其供貨進(jìn)度和成本壓力居高不下，因此在役機(jī)組的安全運(yùn)行及在建機(jī)組均存在卡脖子問題。

對(duì)比CPR1000技術(shù)路線，按照三代核電標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建造的華龍一號(hào)核電項(xiàng)目，其設(shè)計(jì)壓力及溫度提升，進(jìn)一步增加了國(guó)產(chǎn)化的研發(fā)難度。

國(guó)產(chǎn)的卡套接頭普遍存在密封性能不佳和可靠性差的問題，卡套容易失效［2］。如何提升自主研發(fā)的核級(jí)儀表卡套接頭的密封性及可靠性，成為國(guó)產(chǎn)化研發(fā)過程中需解決的關(guān)鍵問題。

1 核級(jí)儀表卡套接頭的結(jié)構(gòu)及密封原理

1.1 核級(jí)儀表卡套接頭的結(jié)構(gòu)形式

卡套接頭按卡套結(jié)構(gòu)形式可分為單卡套接頭和雙卡套接頭。

單卡套接頭在完成與鋼管的裝配后，產(chǎn)生塑形變形，重復(fù)拆裝后由于接頭體與卡套之間沒有裝配補(bǔ)償量導(dǎo)致容易泄漏。雙卡套接頭對(duì)比單卡套接頭具有更加良好的的抗沖擊、溫差補(bǔ)償、重復(fù)拆裝及密封性能［3］。

核級(jí)儀表卡套接頭采用雙卡套接頭結(jié)構(gòu)形式，由前卡套、后卡套、接頭本體和螺母四個(gè)部分組成，見圖1。其中卡套是起連接和密封作用的關(guān)鍵元件。

圖1 儀表卡套接頭結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Instrument Tube Fitting structure drawing

雙卡套可形成夾箍式抱緊結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)兩級(jí)緊固密封。

1.2 核級(jí)儀表卡套接頭的密封原理

如圖2所示，裝配時(shí)將儀表管插入卡套接頭中并擰緊螺母，螺母推進(jìn)后卡套向前移動(dòng)，然后前卡套被后卡套推著向軸線運(yùn)動(dòng)，在螺旋力作用下，前卡套開始變形擴(kuò)張，導(dǎo)致接頭本體的內(nèi)錐面與前卡套的外錐面進(jìn)行貼合，同時(shí)儀表管被擠壓進(jìn)而同前卡套刃口構(gòu)成有效密封區(qū)域。

圖2 儀表卡套接頭密封原理圖Fig.2 Instrument Tube Fitting Sealing schematic drawing

隨著螺母繼續(xù)擰緊，前卡套的尾部被后卡套擠壓的程度增大，造成前卡套發(fā)生傘狀變形，本體內(nèi)錐面和前卡套外錐面也將繼續(xù)擴(kuò)大接觸面積，導(dǎo)致面密封的形成。同時(shí)前卡套的刃口在徑向力的作用下繼續(xù)產(chǎn)生徑向收縮［4］，與儀表管外壁的間隙將進(jìn)一步消除，在前卡套和儀表管間形成第一道緊固密封。

后卡套擠壓前卡套時(shí)，其外錐面支撐住前卡套尾端，刃口沿徑向收縮且夾緊儀表管，使儀表管發(fā)生變形，形成第二道緊固密封。

鋼管的管壁被卡套的刃口切入形成閉口環(huán)槽，卡套刃口嵌入環(huán)槽內(nèi)，起到抗脫拔和內(nèi)密封作用。

2 核級(jí)儀表卡套接頭國(guó)產(chǎn)化研發(fā)的技術(shù)要求

HAF 102-2004《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》主要基于國(guó)家原子能機(jī)構(gòu)（簡(jiǎn)稱IAEA）的安全標(biāo)準(zhǔn)文件編制［5］，國(guó)產(chǎn)化研發(fā)規(guī)格書符合HAF 102的要求。

2.1 主要技術(shù)要求

工作介質(zhì)為反應(yīng)堆冷卻劑或硼酸溶液；

（1）卡套接頭接口尺寸：1/4"、3/8"、1/2"OD，接頭型式：直通、彎通、三通、四通；

（2）核安全2級(jí)或3級(jí)，質(zhì)保等級(jí)為Q1、Q2、Q3，抗震級(jí)別為SSE1/I。

2.2 材料要求

核級(jí)儀表卡套接頭材料采用Z2CND17-12（316L），Z5CND17-12（316）不銹鋼，使用RCCM之外的材料其標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不低于RCC-M的要求。

2.3 鑒定要求

對(duì)于核級(jí)儀表卡套接頭，研發(fā)單位需依據(jù)ASTM F1387的要求完成如下鑒定試驗(yàn)：

（1）氣壓試驗(yàn)；

（2）水壓爆破試驗(yàn)；

（3）水壓試驗(yàn)；

（4）拉伸試驗(yàn)；

（5）脈沖試驗(yàn)；

（6）彎曲疲勞試驗(yàn)；

（7）重復(fù)裝配試驗(yàn)；

（8）旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)；

（9）振動(dòng)試驗(yàn)。

3 核級(jí)儀表卡套接頭裝配過程有限元仿真

3.1 裝配工藝

裝配前需去除鋼管端口毛刺，端面需平整并與軸線保持垂直。鋼管表面保持光滑，無劃痕、碰傷等缺陷。

如圖3所示，依次將螺母、后卡套、前卡套套在鋼管上，然后將鋼管插入接頭本體底部，用手旋緊螺母。此時(shí)在螺母與接頭之間做一個(gè)標(biāo)記，一邊用扳手夾持住接頭本體，一邊用另一個(gè)扳手旋轉(zhuǎn)螺母1-1/4圈，上述安裝過程完畢后即可實(shí)現(xiàn)卡套接頭可靠密封。

圖3 安裝示意圖Fig.3 Installation drawing

3.2 裝配過程有限元仿真分析

本文采用ANSYS有限元分析軟件來分析核級(jí)儀表卡套接頭在裝配過程中的應(yīng)力和應(yīng)變情況。建模和分析計(jì)算的步驟如下：

3.2.1 分析設(shè)置

（1）輸入材料參數(shù)：前后卡套和螺母材質(zhì)采用不銹鋼316，接頭本體材質(zhì)采用不銹鋼316L，在模型中輸入相應(yīng)材質(zhì)的彈性模量、密度和泊松比等材料參數(shù)。

（2）模型的簡(jiǎn)化：有效簡(jiǎn)化需要分析的模型，去掉不需要的倒角及本體、螺母含有的螺紋，方便有效計(jì)算。

（3）接觸對(duì)的設(shè)置：接頭各個(gè)部位的接觸面均是對(duì)稱的，類型設(shè)置成摩擦接觸。

（4）劃分網(wǎng)格：依據(jù)簡(jiǎn)化后模型確定單元類型，本次分析選用實(shí)體單元類型，前后卡套容易應(yīng)力集中，因此需對(duì)其網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。

（5）設(shè)置邊界條件：分析過程中在螺母一端施加一定預(yù)緊力，并固定接頭本體。

3.2.2 分析結(jié)果

如圖4所示，在裝配的起始點(diǎn)卡套接頭并未產(chǎn)生應(yīng)力。

圖4 起始點(diǎn)-手緊螺母Fig.4 Starting point-hand tight nut

當(dāng)旋緊螺母1/4圈，前后卡套已逐漸開始擴(kuò)張變形，此時(shí)卡套部分產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變較大，螺母和接頭本體產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變較小。見圖5。

圖5 旋緊螺母1/4圈Fig.5 Tighten the nut 1/4 turn

當(dāng)旋緊螺母1/2圈，受卡套徑向收縮影響，鋼管開始產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，接頭本體內(nèi)錐面與前卡套外錐面開始進(jìn)行貼合，見圖6。

圖6 旋緊螺母1/2圈Fig.6 Tighten the nut 1/2 turn

繼續(xù)旋緊螺母3/4至1圈，卡套產(chǎn)生傘狀類的變形，本體內(nèi)錐面和前卡套外錐面也將繼續(xù)擴(kuò)大接觸面積，導(dǎo)致面密封的形成，與此同時(shí)后卡套的外錐面與前卡套尾部錐面完成貼合，見圖7和圖8。

圖7 旋緊螺母3/4圈Fig.7 Tighten the nut 3/4 turn

圖8 旋緊螺母1圈Fig.8 Tighten the nut 1 turn

圖9 旋緊螺母1-1/4圈Fig.9 Tighten the nut 1-1/4 turn

旋緊螺母1-1/4圈，裝配完成，刃口向內(nèi)收縮并夾緊鋼管，內(nèi)外錐面已完成貼合，形成兩道緊固密封。

上述仿真分析的結(jié)果表明：安裝完成后產(chǎn)生應(yīng)力最為集中的部位為后卡套，后卡套起著關(guān)鍵的支撐作用，對(duì)其硬度有一定要求，如果后卡套硬度低、脆性大且應(yīng)力集中，則容易造成卡套變形斷裂，進(jìn)而失效。因此需對(duì)后卡套選取合理的表面強(qiáng)化工藝，這也是確保卡套接頭密封性能的關(guān)鍵。

4 后卡套表面低溫滲碳處理

后卡套的壁厚很薄，通過上述有限元分析可知，其受力后將產(chǎn)生較大變形，硬度要求高的同時(shí)還不能產(chǎn)生局部崩裂，對(duì)后卡套采取低溫滲碳的表面強(qiáng)化工藝可有效解決這個(gè)問題，其表面硬度及內(nèi)部韌性均能得到相應(yīng)加強(qiáng)。

4.1 奧氏體不銹鋼低溫滲碳原理

奧氏體不銹鋼表面低溫氣體滲碳是自20世紀(jì)70年代以來發(fā)展的表面強(qiáng)化工藝，它在550℃（碳化鉻形成溫度）以下進(jìn)行低溫滲碳，由于滲碳后不會(huì)析出碳化鉻，造成不銹鋼表面貧鉻現(xiàn)象，因此不會(huì)降低不銹鋼的耐腐蝕性能，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化。滲碳時(shí)，活性碳原子擴(kuò)散至奧氏體不銹鋼的表面及心部，并溶于晶格中形成固溶體，導(dǎo)致出現(xiàn)過飽和固溶現(xiàn)象。

滲碳后，滲碳層均勻的附著在奧氏體不銹鋼的表面，并具有較大的殘余應(yīng)力，在大幅提升表面硬度的同時(shí)，也加強(qiáng)了耐應(yīng)力腐蝕和抗疲勞等性能［6］。

4.2 低溫滲碳工藝過程

后卡套材質(zhì)采用316奧氏體不銹鋼，具體低溫滲碳工藝過程由活化及滲碳組成：

（1）活化：首先把后卡套放入滲碳裝置加熱至一定溫度，然后加入鹵化物與后卡套表面形成的鈍化膜發(fā)生作用，產(chǎn)生揮發(fā)性的鹽，目的是去除后卡套表面的鈍化膜，完成第一步活化。

（2）滲碳：完成活化后，加入氣體（富碳）加熱到480℃-520℃，持續(xù)一段時(shí)間，隨著時(shí)間增加，滲碳層厚度會(huì)不斷增厚，最內(nèi)層的一部分碳原子會(huì)逐步從表層向心部擴(kuò)散，完成第二步滲碳。

5 后卡套低溫滲碳裝置

5.1 滲碳裝置原理

滲碳裝置如圖10所示，裝置的原理為：

圖10 滲碳裝置圖Fig.10 Carburizing device drawing

（1）滲碳：后卡套懸掛于掛具上，供氣管用于滲碳?xì)怏w等的導(dǎo)入，開啟滲碳過程，真空管外接真空泵，真空泵運(yùn)作會(huì)使得馬弗罐體與爐腔內(nèi)頂端壁之間形成真空腔，測(cè)壓管外接壓力檢測(cè)器，用于檢測(cè)所形成的真空腔內(nèi)部氣壓情況。

（2）碳黑掉落：振動(dòng)電機(jī)運(yùn)作，通過偏心軸頭會(huì)帶動(dòng)掛具軸擺動(dòng)，掛具軸通過底部設(shè)有的球形鉸鏈機(jī)構(gòu)，使得其具有適當(dāng)?shù)臄[動(dòng)空間。當(dāng)振動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)掛具軸擺動(dòng)時(shí)，后卡套與掛具之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)抖動(dòng)，風(fēng)扇電機(jī)運(yùn)作帶動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，后卡套的抖動(dòng)加上爐內(nèi)空氣對(duì)流會(huì)使得工件表面附有的碳黑掉落。碳黑在掉落過程中，會(huì)通過通口掉落于第一球形凹面與第二球形凹面所組合形成的空腔內(nèi)。

5.2 滲碳效果

常規(guī)的低溫滲碳裝置由于后卡套表層的碳黑受保護(hù)氣體保護(hù)，會(huì)一直附在后卡套表面上。隨著滲層厚度不斷增厚，最內(nèi)層碳黑的一部分碳原子會(huì)慢慢從工件表層向工件表層內(nèi)擴(kuò)散，使得工件表層碳黑里的碳原子濃度在減少，這樣會(huì)使得工件表面碳原子滲入工件的速度減慢，使得滲碳的效果不好。

該滲碳裝置通過振動(dòng)電機(jī)、偏心軸頭帶動(dòng)掛具軸擺動(dòng)，會(huì)使得掛具與后卡套之間產(chǎn)生相對(duì)的震動(dòng)，把均勻風(fēng)力改變成變向風(fēng)力，變向風(fēng)力與后卡套震動(dòng)雙重作用，會(huì)使落在工件表面上的碳黑更容易掉落。工件上低濃度的碳黑脫落后，震動(dòng)停止，新的高濃度的碳黑又會(huì)重新吸附在工件表面，加速了碳原子在工件表面的吸收與擴(kuò)散。通過強(qiáng)迫振動(dòng)及時(shí)去除滲碳件上的低濃度碳黑，使低溫真空脈沖滲碳的工件表面即時(shí)獲得規(guī)定碳濃度的滲碳?xì)夥眨涌炝颂荚拥奈脚c擴(kuò)散，取得良好的滲碳效果，見圖11。

圖11 滲碳效果圖Fig.11 Carburizing effect drawing

通過該裝置，后卡套滲碳后的效果已等同于國(guó)外先進(jìn)水平的卡套接頭，見表1。

表1 滲碳效果對(duì)比Table 1 Carburizing effect comparison

續(xù)表

6 鑒定試驗(yàn)結(jié)果

國(guó)產(chǎn)化研發(fā)的核級(jí)儀表卡套接頭經(jīng)委托第三方試驗(yàn)機(jī)構(gòu)，已按照ASTM F1387的要求完成了氣壓試驗(yàn)，水壓爆破試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)，脈沖試驗(yàn)，彎曲疲勞試驗(yàn)，重復(fù)裝配試驗(yàn)，旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)，振動(dòng)試驗(yàn)［7-8］等9項(xiàng)鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目。試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)格書的要求，其中脈沖試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖12所示。

圖12 脈沖試驗(yàn)Fig.12 Impulse test

7 結(jié)論

（1）核級(jí)儀表卡套接頭采用雙卡套結(jié)構(gòu)形式，可形成夾箍式抱緊結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)兩級(jí)緊固密封，具備良好的密封、耐高溫高壓及重復(fù)拆裝等性能。

（2）通過對(duì)核級(jí)儀表卡套接頭的裝配過程有限元分析得出：卡套接頭應(yīng)力最為集中的部位為后卡套，對(duì)后卡套選取合理的表面強(qiáng)化工藝，是確保卡套接頭密封性能的關(guān)鍵。

（3）對(duì)后卡套采取低溫滲碳的表面強(qiáng)化工藝可使其表面硬度及內(nèi)部韌性得到加強(qiáng)，本文研究的滲碳裝置可加快碳原子的吸附與擴(kuò)散，取得良好的滲碳效果，并達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。

（4）國(guó)產(chǎn)化研發(fā)的核級(jí)儀表卡套接頭已成功通過了設(shè)備鑒定試驗(yàn)，已滿足華龍一號(hào)核電機(jī)組的技術(shù)要求。