某核电用快速接头抗震特性分析

技术创新
某核电用快速接头抗震特性分析
薛源1范荣超2刘金贵1刘艳2蒋燕祥1杜虎虎2陈钦闪1
（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）
摘要：核电具有经济环保、可持续等特点。

核电用快速接头要求在设计基准地震下能够安全稳定运行。

本文以某DN25型号的快速接头为例，建立了快速接头模型，对其进行典型工况分析，采用有限元软件Workbench 对其进行模态分析及抗震分析，按照RCC-M规范中相关规定对其进行分析和评价，以验证该设备在地震中和地震后能够保证结构完整性及可运行性。

结果表明，此型号快速接头能够满足抗震要求，且弹簧是影响快速接头抗震性能的关键部位。

经过抗震试验验证，该型号快速接头满足抗震要求，研究对核电用快速接头的抗震分析具有一定的工程意义。

关键词：快速接头抗震分析核电固有频率RCC-M
中图分类号：TM62文献标识码：A文章编号：1674-098X(2022)02(b)-0055-05 Analysis on Seismic Characteristics of Quick Coupling for a
Nuclear Power Plant
XUE Yuan1FAN Rongchao2LIU Jingui1LIU Yan2JIANG Yanxiang1DU Huhu2CHEN Qinshan1
(1.China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong Province,518124China;
2.Aerosun Co.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu Province,211100China)
Abstract:Nuclear power is economic,environmental and sustainable.Nuclear power quick couplings are required to operate safely and stably under the design basis earthquake.Taking a DN25quick coupling as an example,this paper establishes the quick coupling model,analyzes its typical working conditions,uses the finite element software Workbench to carry out modal analysis and seismic analysis,and conservatively analyzes and evaluates it in accordance with the relevant provisions of RCC-M code,so as to verify that the equipment can ensure the structural integrity and operability during and after the earthquake.The results show that this type of quick coupling can meet the seismic requirements,and the spring is the key part affecting the seismic performance of the quick coupling.The seismic test shows that this type of quick coupling meets the seismic requirements.This study has certain engineering significance for the seismic analysis of quick coupling for nuclear power.
Key Words:Quick coupling;Seismic analysis;Nuclear power;Natural frequency;RCC-M
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
DOI：10.16660/ki.1674-098X.2203-5640-0226
作者简介：薛源（1979—），男，硕士，高级工程师，研究方向为核电工程。

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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。

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。

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。

图1快速接头模型
图2快速接头有限元模型内外网格
表1快速接头材料力学性能参数
材料
S31603
1Cr18Ni9
17-7PH
E/（×
103MPa）
193
206
202
ρ（kg·km3）
8027
8027
7650
μ
0.29
0.29
0.29
S/
（MPa）
115
115
-
表2不同工况下的载荷组合和应力限值
部件工况正常工况扰动工况紧急工况事故工况
载荷组合
设计压力、设计温度、自重
接管载荷（接口螺纹固定支撑）
1.1倍设计压力、设计温度、
自重、接管载荷（接口螺纹固定支撑）、LLE（低水平地震，4.8g）
1.2倍设计压力、设计温度、
自重、接管载荷（接口螺纹固定支撑）
1.3倍设计压力、设计温度、
自重、接管载荷（接口螺纹固定支撑）、SSE（安全停堆地震，6.0g）
应力限值
σm≤1.0S
σm+σb≤1.5S
σm≤1.1S
σm+σb≤1.65S
σm≤1.1S
σm+σb≤1.65S
σm≤1.1S
σm+σb≤1.65S
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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。

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。

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 （a）快速接头总成一阶振型f1=44.89Hz
（b）阴接头一阶振型f1=73.66Hz
（c）阳接头一阶振型f1=678.6Hz
图4快速接头第一阶振型
图3边界条件
表3快速接头固有频率
频率/（Hz）
总成
阴接头阳接头1阶
44.89
73.66
678.61
2阶
75.61
83.06
724.88
3阶
85.50
108.97
828.96
4阶
109.87
112.27
848.54
5阶
114.61
113.91
900.41
6阶
116.11
115.07
1316.7
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（1.1S ），快速接头应力条件满足RCC-M 抗震分析的要求。

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。

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
图6快速接头水平方向和垂直方向振动试验安装方式
（a ）快速接头总成应力分布图
（b ）阳接头体应力分布图
（c ）阴接头体应力分布图图5
快速接头应力云图
（下转142页）
能智造与信息技术
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（上接58页）
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。

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