卡套式管接头弯曲疲劳和旋转弯曲试验装置应用分析*

周迪锋

(上海仪器仪表自控系统检验测试所有限公司，上海 200233)

0 引 言

卡套式管接头和仪表管的组合应用大大简化了仪表管线的安装铺设工作，同时具有良好的密封性能、抗振动和重复拆装功能，因而在核电站及航空航天中的管道系统中的得到大量的应用[1-2]。为了验证卡套式管接头在极端条件下依然具有良好的密封性[3]，应按照ASTM F1387-99(2012)的要求对卡套和管子的匹配性进行全性能试验，包括气动验证、水压验证、脉冲循环、拉伸、弯曲疲劳和旋转弯曲等试验[4-5]，其中大部分试验都可以采用通用试验装置进行测试，而弯曲疲劳和旋转弯曲试验需要专用试验机[6]。

现有的测试技术采用应变片测量卡套受到的外部应力，应变片测量卡套应力有三个弊端，其一是应变片贴在外径为1/4inch或3/8inch的细管子上有较高难度，需要一些列复杂工艺配合；其二是贴应变片需要用到高温烘箱，高温可能降低卡套原有的机械密封性能；其三是每个贴完应变片后的卡套，应进行单独的计量从而得到应变与应力的对应关系，比较费时[8-9]。为此研制了一种专用于进行卡套弯曲疲劳和旋转弯曲测试的装置，通过预装的力传感器和安装后测得的力臂来解决应力测量问题。该测试装置有效提高了核电站等采购方对卡调试管接头的验收效率，同时有助于促进卡套式管接头的国产化研发进度，提升行业的整体水平。

1 试验装置结构设计及试验要求

弯曲疲劳和旋转弯曲试验装置如图1所示，1为四氟轴承，四氟轴承可承受一定的扰度，轴承大小根据测量卡套管的外径来选择；2为力传感器，用于计量卡套受到的力值；3为气缸，作为卡套受到外部应力的力源，同时气缸上配置位移传感器，监测试验过程中样品的形变量；4为夹紧装置；5为伺服电机，电机只在旋转弯曲试验中工作；6为试验样品。力传感器的测量范围为(20～500)N，伺服电机转速(20～3 000)r/min可调。气缸是整个装置的核心部件，气缸的作用是产生可调节的力，气缸工作频率(0.5～2)Hz可调。

图1 弯曲疲劳和旋转弯曲试验装置

卡套式管接头是由卡套、螺母和接头体组成，如图2所示，使用中配合相应规格的仪表管。卡套式管接头及仪表管材质均为316L不锈钢。文中以3/8inch×0.065inch规格的卡套式管接头为例进行试验，额定压力为20 MPa，相关尺寸见表1所列。

表1 仪表管尺寸

1.1 弯曲疲劳试验要求

样品中充满水，加压至额定压力20 MPa，加入一个弯矩，使得内部压力和弯矩引起的最大总应力为259 MPa，样品测试30 000个循环，一个循环包括从正向加载弯矩到总应力为259 MPa，卸载正向弯矩，再反向加载弯矩到总应力为 259 MPa，卸载反向弯矩这整个过程。试验频率为1 Hz。试验过程中无泄漏[10]。

1.2 旋转弯曲试验要求

样品中充满水，加压至3.45 MPa，引入弯矩，使得弯矩引起的应力为168 MPa，样品以不小于1 750 r/min的旋转速度测试106循环，试验过程中无泄漏。

2 试验过程及分析

2.1 弯曲疲劳试验

样品两端分别连接压力表和单向阀，加压至额定压力20 MPa，通过夹紧装置安装到测试装置上。安装示意图如图3所示。

图3 弯曲疲劳安装示意图

安装后测量卡套到力作用点的距离L，测得长度为220 mm。试验中要求卡套能承受内部应力和弯矩引起的总应力为259 MPa，即：

S+σ=259 MPa

(1)

式中：S为内部压力引起的应力;σ为弯矩引起的应力。

(2)

式中：P为内部压力，MPa；D为仪表管外径，mm；d为仪表管内径，mm；P、D、d均为已知量，代入公式，得到σ=244.1 MPa。

(3)

式中：M为弯矩，N·m；ymax为到中心轴线的最大距离，mm；I为绕中心轴线的惯性矩，mm4。

其中：

(4)

(5)

M=FL

(6)

式中：F为加载的力，N；L为力臂长度，mm。

代入公式(3)～(6)，得到F=76.9 N。

系统中设置加载力为76.9 N，频率为1 Hz，周期为30 000次。完成30 000次循环后，压力表的读数为19.6 MPa，无泄漏。试验过程如图4所示。

图4 弯曲疲劳试验

2.2 旋转弯曲试验

用同一规格的另一样品进行旋转弯曲试验。样品两端分别连接压力表和单向阀，压力表选用Y-40同轴耐震压力表，加压至3.45 MPa，通过夹紧装置安装到测试装置上。安装示意图如图5所示。

图5 旋转弯曲安装示意图

安装后测量卡套到力作用点的距离L，测得长度为255 mm。代入公式(3)～(6)，σ=168 MPa，算得F=45.7 N。

系统中设置加载力为45.7 N，转速为1 800 r/min，转动1 000 000圈。测试过程中，监测位移传感器的值，即样品的形变量，完成测试后，压力表的读数为3.40 MPa，无泄漏。试验过程如图6所示。

图6 旋转弯曲试验

2.3 试验总结

应用此装置进行卡套的弯曲疲劳和旋转弯曲试验，试验后压力表的读数无变化，证实试验过程中无泄漏。此装置采用力传感器测量力值解决了贴应变片的难题，利用四氟轴承克服了试验过程中扰度不足的问题。

3 结 语

弯曲疲劳和旋转弯曲是卡套式管接头和仪表管匹配性试验中不可缺少的部分，弯曲疲劳和旋转弯曲试验装置采用力传感器测量力值代替传统测试装置上的应变片测量应力值，避免了细管上应变片贴片工艺难和贴片时的高温可能导致破坏卡套机械密封问题。此装置能有效提高测试效率，同时促进卡套式管接头的国产化提供支持，提升行业的整体水平。