核电用快速接头的改良设计及强度分析

陈崇昆 王均增 王昭君 黄琼宇 杜虎虎 王为辉 郭志承 吴尚勋

（1.航天晨光股份有限公司金属软管分公司 江苏南京 211153；2.中广核工程有限公司 广东深圳518026；3.东南大学机械工程学院 江苏南京 211189）

快速接头具有快速连接和断开的特点，在需要频繁插拔的输送管路中被广泛运用。随着社会的发展，许多装置设备不仅要求快速接头在具备连接和断开的功能之外，还要求其满足高安全性、易操作性和高稳定性等特性。

目前，国内外对快速接头的研究已经取得很多有价值的研究成果，主要涉及快速接头的密封性设计、抗震特性分析、流体分析及失效分析等。例如，李森［1］设计了一种双定位双密封隔水管快速接头，并基于整体静力分析结果，对接头局部进行了应力分析，这一设计可适用于多种海况，具有较高的安全性能；汤志东、贠超［2］对现有的快速接头进行了较为全面的介绍，分析并讨论了由手工对接改为自动对接所面临的关键问题，对后续的相关研究起到了很好的指导作用；Sebastian R G［3］等提供了一种在液体管路中快速断开接头连接的方法，对降低液压油的损耗上起到了很好的指导和借鉴意义；R.Selvam等［4］通过对几何结构、材料和功能的优化，设计出一种新的增强型液压快速释放接头，可以实现对液压系统相关设备的服务、安装和更换，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，对快速接头的发展起到了极大的推动意义；Mirzaliev 等［5］利用SolidWorks Flow Simulation 软件和西门子Amesim 水力设计工具建立了快速接头的数学模型，得到了进行快速接头设计的关键参数，提高了快速接头设计的可行性；伍杜傲、高红波等［6］基于有限元分析方法，分析了管接头在自重、内压及地震作用下的应力响应，对管接头的抗震性能进行了分析和评定；李新迪等［7］建立了一种湍流模型，可以实现对不同入口速度下的快速接头冲蚀磨损情况进行数值仿真分析，从而改善了快速接头内壁冲蚀磨损严重的问题。

目前，国内外对于快速接头的研究已经取得较大的成果，但是对于核电站气体系统用快速接头的研究还比较少。与普通快速接头相比，核电用快速接头的工作环境更加严苛，在进行接头体断开与连接的操作过程中，为防止接头断开时内部的残留压力甩击伤人，因此，需要对核电用快速接头的设计提出先安全泄压再断开连接的要求。调查发现，目前，国内的核电设备适用的快速接头主要依靠进口，现有国产快速接头的设计不能满足核电设备的特殊要求，但是进口的快速接头不但在价格上十分昂贵，而且供货周期极长，特别是大口径快速接头尤其如此。经过对前人研究结果的总结和不断地摸索改进，本文设计了一种新型快速接头，可以实现其在连接、泄压和断开3种状态间的快速切断，进一步提高了工作过程的安全性和可靠性。同时，本文基于有限元分析软件ANSYS-Workbench，对设计的快速接头进行了地震工况下的强度分析，分析结果表明了改良设计的核电用快速接头能够满足规范的强度要求。

1 结构与工作原理

目前，市场上快速接头虽然有很多种型式，但是其工作原理与结构组成大同小异。本文设计的核电用快速接头主要由阴接头体和阳接头体组成［8］，其总装结构如图1 所示，断开连接后的阴接头体和阳接头体结构如图2所示。

图1 快速接头总装结构示意图

图2 接头体结构示意图

核电用快速接头实现安全连接、泄压和断开的工作原理如下：进行阳接头体与阴接头体的连接时，首先压紧外套，沿轴向方向推动阳接头体，带动接头体内部导向板和阀瓣的移动，进而密封弹簧压缩，打开阴接头体内腔的同时，放开外套，使外套在二级复位弹簧的回弹力作用下退回原位，从而产生对钢珠的压紧力，达到锁紧阳接头体的目的，使阴阳接头体在流体压力作用下也无法分离，此时，管路内的液体或气体介质被接通，形成一个连通的区域；断开阴阳接头体的连接时，为了提高操作的安全性，将操作过程设计为两个步骤：第一，按压一级复位套表面的按钮，按钮复位弹簧压缩，从而解除外套和内套之间的轴向锁定；第二，沿轴向推动外套，使钢珠从阳接头体表面的定位槽中弹出，阴接头体内的导向板在密封弹簧作用下和阀瓣一起沿轴向移动，直至与阴接头体内圆面贴合，形成密封的空间，同时，阳接头体内的介质逸散，完成泄压操作，安全泄压后，阳接头体和阴接头体已完成断开操作。

2 快速接头基本设计思路

为了实现核电用快速接头在安全连接、安全泄压和断开3 种状态间的快速切断，设计改进过程主要分为了以下4个部分。

2.1 锁紧设计

锁紧设计是为了实现阴阳接头体之间的快速连接［9］。在连接状态下，为使阴接头体和阳接头体处于锁死状态，共设计了两级紧固结构。其中，一级紧固结构主要是通过内套将钢球压紧在阳接头体表面的锥面定位槽内实现，二级紧固结构通过外套将钢球压紧在阳接头体表面的导向定位槽中实现，即一级紧固设计实现完全约束，二级紧固设计实现导向约束。在连接状态时，钢球被外套压住而无法退出，外套又由弹簧顶住，始终保持在左端位置。核电用快速接头设计中的两级锁紧结构如图3所示。

图3 两级紧固结构示意图

另外，两级锁紧结构的设计还能够减小工作状态下由于流体冲击和振动产生的结构微变形，提高了核电用安全快速接头的整体刚度，从而对核电用安全快速接头的抗震性能和工作稳定性也有一定的改善。

2.2 导向板设计

综合考虑了结构的密封性要求和快速插拔的可操作性，在阳接头体与阀瓣连接的位置设计了一种具有十字形外圆侧边的导向结构，如图4 所示。在进行安全连接、安全泄压和断开时，该结构可以通过其十字形外圆侧边与阴接头体的内圆面紧密贴合，从而将内腔的介质进行四等分，这一设计不仅能够满足阴阳接头体在插拔过程中的直线运动的要求，同时还能够减少流体通过变尺寸截面时所产生的激振效益，提高了核电用安全快速接头的密封效果，使得核电用安全快速接头在工作时能够更加稳定，更加安全。

图4 导向板结构示意图

2.3 泄压设计

为了达到快速泄压、安全泄压的目的，在阴接头、内套和外套上分别设计了3 种缓释孔，如图5～图7所示。

图5 阴接头体缓释孔

图6 内套缓释孔

图7 外套缓释孔

其中，内套的缓释孔采用变直径设计，其最小直径大于阴接头和外套表面的缓释孔直径，这一设计可实现在核电用快速接头切在换到泄压状态时，降低流体流经缓释孔时由于流体释放所产生的噪音和冲击振动。

2.4 断开卡接结构设计

为了提高核电用安全快速接头在切换工作状态时的安全性，在外套和内套之间设计了一种特殊的结构，称为断开卡接结构。该设计可以将断开前的操作分为压按钮和推外套两个步骤，工作人员断开连接时，如果出现误操作或者操作顺序不对的情况，快速接头的阴阳接头体不会断开，断开卡接结构如图8 所示。具体操作原理为：进行断开操作时，首先向下按压外套上的按钮，带动限位块下移至下位置，此时，内套可以实现与外套之间的相互滑动，此时，松开按钮，限位块在按钮复位弹簧的推力作用下会移动至上位置，从而将外套和内套锁定。

图8 断开卡接结构示意图

3 有限元模型与分析

随着高性能计算机的发展及分析软件技术的进步，有限元法作为一种经济且高效的分析手段，在快速接头领域也得到了广泛地应用。ANSYS 作为有限元分析软件，在市场上有很高的占有率，因其能够与目前市场上很多的计算机辅助设计软件（CAD）进行接口，完成数据的传输和转换，在国防、机械、土木、航天、能源、水利等很多领域发挥着重要的作用。考虑到核电用快速接头的工作环境更为严苛，其在危险工况下的强度校核便显得至关重要［10］。本文基于有限元分析软件ANSYS-Workbench，对设计的核电用快速接头进行强度分析校核，分析其在最危险工况下是否满足规范的强度要求。分析所需要的核电用快速接头的力学模型先在三维软件Solidwoks 中建立，然后导入到分析软件中进行强度分析校核，主要操作步骤包括导入分析模型、定义材料参数、设置接触方式、进行网格划分、定义边界条件、施加载荷、软件求解以及结果后处理。

3.1 计算载荷

由于有限元分析软件计算出结果的准确性和可靠性主要和软件模拟实际结构的贴切程度有关，即结果的真实性主要受到分析模型与实际工作环境的影响，因此，在进行有限元强度分析校核之前，首先要对核电用快速接头在危险工况下的实际受力情况进行一定的理论分析。根据设计要求，核电用快速接头所考虑的载荷主要包括自重、内压及地震作用。本文按照RCC-M规范中对于安全3 级部件的相关规定，对快速接头的工况进行选择和分析，以验证该设备在地震中和地震后能够保证结构的完整性及可运行性。根据RCC-M中表C3383 和ZZX47500001M05144DS《核电用快速接头研制技术要求》中的规定，进行强度分析时考虑的载荷组合和相应的应力限值详见表1［11］。本文选取最危险工况，即事故工况进行强度校核。

表1 不同工况下的载荷组合和应力限值

根据设计要求，核电用快速接头的工作压力为2.9MPa，本文选择事故工况作为分析工况，快速接头所受的内压按照1.3倍的设计压力取值，即3.77MPa。在事故工况下，考虑快速接头所受的地震作用，地震加速度值取6.0g，考虑结构自重。同时，本文在分析时采用相应设计温度下的材料力学性能指标，忽略接管荷载。

3.2 材料设置

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，各部件材料的力学性能参数详见表2。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2 快速接头材料力学性能参数

3.3 网格划分

网格划分的精细程度决定着分析结果的精度，与之而来的代价就是网格越密，所耗用的分析时间越长。在本次分析中，本文将建立的核电用快速接头三维模型导入至有限元分析软件ANSYS-Workbench中，针对模型中不同的部件，采用六面体单元与四面体单元相结合的方式进行网格划分。

3.4 边界条件及载荷

边界条件如图9所示。为模拟核电用快速接头真实的受力和约束情况，核电用快速接头的一侧与上游管道用螺纹连接，对连接面施加固定约束，接头的另一侧与下游管道连接，不作约束。

图9 核电用快速接头边界条件的设置

根据3.1节可知，本文中核电用快速接头所考虑的载荷主要包括自重、内压和地震作用。根据RCC-M规范，本次分析中接头内部受到的内压为3.77MPa，地震作用下的加速度值为6g，方向为x、y、z三个方向，同时，施加结构自重荷载，如图10所示。

图10 核电用快速接头载荷的施加

3.5 结果分析

通过以上步骤，在有限元分析软件中对核电用快速接头进行强度分析，所得应力分布图如图11所示。

图11 快速接头应力分布图

由应力分布图中可以看出，核电用快速接头在设置的荷载和边界条件下所受到的最大应力为43.993MPa，小于许用应力115MPa，即在事故工况下，改良设计的核电用快速接头的应力条件满足规范规定的强度要求。

4 结语

目前，设计的核电用快速接头已通过试制，试验证明其各项性能均可以满足设计要求。与现有技术相比，改良设计后的核电用快速接头具有如下优点。

（1）实现了接头在安全连接、泄压和断开3种状态间的快速切断。

（2）两级紧固结构的设计提高了接头的整体刚度、抗震性能和工作稳定性。

（3）导向板的设计减小了快速接头内部结构在振动和冲击下的变形，使得核电用安全快速接头在工作状态下更加稳定。

（4）内套上缓释孔的变直径设计降低了内部介质流经缓释孔时产生的噪音和振动。

（5）外套与内套之间的断开卡接结构的设计，将断开操作分为推外套和按按钮两个步骤，提高了核电用安全快速接头切换工作状态时的安全性。

（6）经有限元分析验证，在最危险工况，即事故工况下，改良设计的核电用快速接头满足强度要求。