卡套接头的性能测试和组织分析

㊀２０２０年
㊀第４期Ｐｉｐｅｌｉｎｅ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ２０２０㊀Ｎｏ ４㊀
收稿日期：２０２０－０６－１０卡套接头的性能测试和组织分析闫文军１，倪宏祥２，李晓旭２，李鹏程２（１．河北省特种设备监督检验研究院衡水分院，河北衡水㊀０５３００１；
２．沈阳国仪检测技术有限公司，辽宁沈阳㊀１１００４３）
㊀㊀摘要：文中主要对１／４规格卡套接头进行性能测试和显微组织分析㊂通过电子万能试验机进行拉伸试验，通过数字式力矩扳手进行重复装配试验，通过旋转弯曲试验机进行旋转弯曲试验㊁通过盐水喷雾试验箱进行应力腐蚀试验，通过金相显微镜对卡套和卡套管进行显微组织分析㊂本批次的卡套接头性能测试结果均符合委托检测大纲要求，应力腐蚀试验后的卡套和卡套管，均未见晶粒内和晶粒间应力腐蚀迹象㊂从显微组织可看出，后卡套进行了渗碳处理，不影响奥氏体不锈钢的韧性和耐腐蚀性，提高了不锈钢表面硬度和耐磨性，同时保证了卡套内部的塑性和韧性㊂
关键词：卡套接头；性能测试；显微组织
中图分类号：ＴＥ８㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００４－９６１４（２０２０）０４－００３６－０３ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＴｅｓｔａｎｄＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＴｕｂｅＦｉｔｔｉｎｇｓ
ＹＡＮＷｅｎ⁃ｊｕｎ１，ＮＩＨｏｎｇ⁃ｘｉａｎｇ２，ＬＩＸｉａｏ⁃ｘｕ２，ＬＩＰｅｎｇ⁃ｃｈｅｎｇ２
（１．ＨｅｂｅｉＳｐｅｃｉａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＳｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎａｎｄＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅＨｅｎｇｓｈｕｉＢｒａｎｃｈ，Ｈｅｎｇｓｈｕｉ０５３００１，Ｃｈｉｎａ；
２．ＧｕｏｙｉＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｓｈｅｎｙａｎｇ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００４３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｕｄｙｍａｉｎｌｙｃｏｎｄｕｃｔｅｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅ１／４ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｕｂｅｆｉｔｔｉｎｇｓ．Ｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｕｎｉｖｅｒｓａｌｔｅｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．Ｒｅｐｅａｔｅｄａｓｓｅｍｂｌｙｔｅｓｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｄｉｇｉｔａｌｔｏｒｑｕｅｗｒｅｎｃｈ，ｒｏｔａｒｙｆｌｅｘｔｅｓｔｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｒｏｔａｒｙｆｌｅｘｔｅｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ，ｓｔｒｅｓｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｔｅｓｔｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｂｙｓａｌｔｍｉｓｔｔｅｓｔｃｈａｍｂｅｒ，ｔｈｅｍｉｃｒｏ⁃ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｅｒｒｕｌｅａｎｄｔｕｂｅｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｂｙｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．Ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｕｂｅｆｉｔｔｉｎｇｓａｌｌｍｅｅｔｔｈｅｅｎｔｒｕｓｔｍｅｎｔｔｅｓｔｏｕｔｌｉｎｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｒｅｗａｓｎｏｅｖｉｄｅｎｃｅｏｆｉｎ⁃ｇｒａｉｎｏｒｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒｓｔｒｅｓｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｏｎｆｅｒｒｕｌｅａｎｄｔｕｂｅａｆｔｅｒｓｔｒｅｓｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｔｅｓｔ．Ｆｒｏｍｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｏｎｂａｃｋｆｅｒｒｕｌｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｈａｒｄｎｅｓｓａｎｄｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｗｉｔｈｏｕｔａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓａｎｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｗｈｉｌｅｅｎｓｕｒｉｎｇｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｉｔｙａｎｄｔｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｔｈｅｉｎｓｉｄｅｏｆｔｈｅｆｅｒｒｕｌｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｂｅｆｉｔｔｉｎｇｓ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
０㊀引言
卡套接头广泛应用在石油㊁化工及船舶等相关领
域㊂卡套接头是由接头本体㊁螺母和卡套组成的无扩
口的机械夹持接头，是结构紧凑的密封和夹紧装置㊂
卡套接头从结构角度可以分为压缩型卡套㊁扩口卡
套㊁咬式卡套㊁受控咬式卡套和双卡套机械抓紧形式
等㊂已从单纯的刚性密封演变为现在的刚柔结合［１］，即广泛使用的双卡套管接头㊂双卡套接头的主要功
能是将管路牢牢地握住，以便控制系统介质㊂管路和
接头可在工作极限状态下保持无泄漏的连接㊂当超
压㊁连接管路硬度高及燃烧等情况发生时，双卡套接
头也可同时保持抓握和密封㊂双卡套接头的安装是
将管子插入接头底部，拧紧锁紧螺母，后卡套在螺母的作用力下向前移动，同时推动前卡套向前移动，前卡套与卡套管外径以及本体斜面之间形成有效密封，后卡套抓住卡套管［２］㊂为了保证质量和良好的密封性能，卡套都应该经过一系列化学处理，以保证卡套的硬度㊂通过合理的热处理工艺较易将表面渗入元素浓度㊁渗层硬度㊁渗层深度调整到合理的水平㊂对于卡套接头的接头本体㊁卡套螺母，其螺纹部分应该涂含银的涂层，可在高温的情况下，克服不锈钢 咬死 现象㊂不仅方便拆卸，而且保护螺纹［３］㊂
国内核电技术处于快速发展阶段，正在积极推进核电设备国产化，核电卡套接头的性能测试和分析是产品验证开发的重要环节，本文主要对核电用卡套接头进行性能测试，对卡套接头产品检测方法研究提供参考㊂
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㊀第４期闫文军等：卡套接头的性能测试和组织分析
３７㊀㊀
１㊀检验／试验分析
卡套管接头主要由接头本体㊁卡套（前㊁后）㊁卡套螺母组成，卡套接头的剖面图见图１㊂卡套接头产品规格为１／４，牌号为３１６Ｌ，目视检查卡套和卡套管，表面已进行抛光处理，未见凹坑等可见损伤㊂分别在管的内径和外径处测量８个点，卡套管的管外径测量值范围为６．４４ ６．６５ｍｍ，平均值为６．５１８ｍｍ；卡套管的管内径测量值范围为１．７５０ １．７５９ｍｍ，平均值为１．７５６
ｍｍ㊂
图１㊀卡套接头的剖面图
１．１㊀拉伸试验
本试验通过电子万能试验机来实现，拉伸速率为１．３ｍｍ／ｍｉｎ，根据测量出卡套管的外径和壁厚，按式（１）计算出对应的拉伸负荷，计算出其最小拉伸负荷为４．５９４ｋＮ㊂拉伸试验中，最终施加的拉伸最大负荷为４．６０２ｋＮ，力－变形曲线见图２㊂拉伸试验后，卡套管和卡套连接处均未分离，符合委托检测大纲要求㊂Ｆ最小＝Ｋｔ㊃Ａｐ㊃Ｓｙ（１）
式中：Ｆ最小为最小拉伸负荷；Ｋｔ为拉伸常数，Ｋｔ＝１．０；Ａｐ为基于壁厚的管实际横截面面积，ｍｍ２
；Ｓｙ为最低指定管道
或配管的屈服强度（３１６Ｌ的屈服强度为１７５
ＭＰａ）㊂
图２㊀力－变形曲线
１．２㊀重复装配试验
重复装配试验是结合卡套接头实际应用中的重要检验，验证卡套在多次安装拆卸后产品的密封性能，使用设备为数字式力矩扳手㊂主要针对循环脉冲试验或弯曲疲劳试验，例如需要在疲劳试验开始时进行１次重复装配，然后在疲劳周期的２５％㊁５０％㊁７５％和１００％分别进行２次重复装配㊂
在试验过程中，必须先卸除系统压力后，再拆卸卡套管接头；沿螺母背面在卡套管上作标记，在螺母和接头本体的平面上画一条线；将卡套管完全拔出后旋转密封面６０ʎ到９０ʎ之间，再插入卡套接头本体；牢牢固定接头本体，使用扳手把螺母转至卡套管及本体平面上的标记指示的先前紧固位置㊂当阻力明显增大时，拧紧螺母㊂具体重复装配试验过程见图３㊂在每次重复装配试验后，继续进行疲劳试验未见产品泄漏和损坏，符合委托检测大纲要求
㊂
（ａ）在螺母和接头
本体的平面上
画一条线（ｂ）卡套管完全拔
出后再插入卡
套接头本体
（ｃ）按原来的位
置进行紧固
图３㊀重复装配试验过程
１．３㊀旋转弯曲试验
旋转弯曲试验主要验证卡套接头周向的疲劳特性，使用设备为旋转弯曲试验机㊂
（１）试件安装与充水：未封堵的试件与水压增压
装置的软管测试端口紧固连接，将试件倾斜一定角度，使用水压增压装置将试件充满清水，套入旋转夹具后封堵试件㊂
（２）利用固定端卡盘卡爪将试件固定端夹持牢固，试件的旋转夹具侧置入旋转端卡盘卡爪，调节卡爪使管材径向跳动不超过０．２ｍｍ㊂
（３）应变计粘贴：在卡套接头与仪表管连接处根部４．６ｍｍ内粘贴应变计，焊接信号连接线并与应变监控仪器连接㊂
（４）介入挠矩：应变计读数清零后，通过调节旋转端偏心位移介入挠矩（抗拉强度４８５ＭＰａ的３５％，１７０
ＭＰａ），使应变计读数为８２５με，缓慢转动旋转端转盘，观察应变计读数应在－８２５με至＋８２５με内变化，
保持该偏心位移㊂
（５）施加水压：确定各部位连接紧固后施加水压
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至２５．０ＭＰａ，采用２块６０ＭＰａ精密压力表组成双压力表监控㊂
（６）旋转挠曲：启动并观察旋转弯曲试验设备的运转，监视设备的运行状态㊁转速和应变计读数是否正常㊂完成旋转１００万次后，停止旋转弯曲㊂对试件进行水压试验检验，卡套管未泄漏㊁无异常，符合委托检测大纲要求㊂
１．４㊀应力腐蚀试验
应力腐蚀试验验证卡套管在应力和腐蚀的共同作用下的抗蚀性能㊂奥氏体不锈钢在加工制造（如焊缝热影响区）或长期高温使用过程中，由于在晶界析出富铬碳化物引起晶界贫铬，使得这些贫铬区耐蚀性能变差，容易发生晶间腐蚀㊂形成腐蚀电池，发生阴阳极反应，然后在拉应力的作用下，基体与贫铬区之间的阳极电流密度差形成了应力腐蚀开裂的驱动力，发生沿晶开裂破坏［４－６］㊂
本试验的卡套管内部介质为清水，试验前施加固定大小的弯曲应力，然后通过盐水喷雾试验箱进行应力腐蚀试验㊂卡套管外径６．５２ｍｍ，壁厚１．７６ｍｍ，内径为３．００ｍｍ，试验设计压力为２５．０ＭＰａ，施加的内压力引起的轴向应力按式（２）计算，轴向应力为６．７１ＭＰａ㊂
Ｓ＝ｐ㊃ｄ２／（Ｄ２－ｄ２）（２）式中：Ｓ为轴向应力，ＭＰａ；ｐ为设计压力，ＭＰａ；Ｄ为外径，ｍｍ；ｄ为内径，ｍｍ㊂
弯曲应力为配管材质的屈服应力的２／３减去内部压力引起的轴向应力，屈服应力为１７５ＭＰａ，则计算出弯曲应力为１０９．９６ＭＰａ，则弯曲应变等于弯曲应力除以弹性模量，对应的弯曲应力为５６９με，试验过程中通过应变计来显示试件表面施加弯曲应力㊂应力施加后进行５０ｈ的盐雾试验㊂
试验完成后，对试件进行水压检验试验和显微组织分析，水压试验无泄漏，且高应力区内卡套管的横纵截面和前后卡套的纵截面，均未见晶粒内和晶粒间应力腐蚀迹象，符合委托检测大纲要求㊂
１．５㊀显微组织分析
卡套和卡套管的材料均为３１６Ｌ奥氏体不锈钢，对前后卡套和卡套管分别进行镶嵌㊁磨抛及腐蚀处理，通过金相显微镜观察其显微组织，卡套管和卡套的显微组织见图４㊂卡套管横纵截面组织均由奥氏体组成，晶粒度级别为７级㊂前后卡套的组织和卡套管的组织状态明显不同，存在由于形变而产生的少量带状组织和马氏体㊂在后卡套的外表面有一层约１８μｍ的渗碳层，主要的热处理工艺为奥氏体不锈钢低温表面硬化，可提高不锈钢表面硬度和耐磨性㊂再通过Ｃｒ扩散的方式，使渗层不易发生剥落，还可以有效防止Ｃｒ的氮化物或者碳化物产生析出，不破坏奥氏体不锈钢的结构，不影响其耐腐蚀性，同时保证了其内部的塑性和韧性
㊂
（ａ）
卡套管横切面（ｂ）
卡套管纵切面
（ｃ）
前卡套纵切面（ｄ）后卡套纵切面
图４㊀卡套管和卡套的显微组织
２㊀结论
本批次卡套接头产品的拉伸试验㊁重复装配试验㊁旋转弯曲试验等性能测试结果均符合委托检测大纲要求㊂应力腐蚀试验后的卡套和卡套管，均未见晶粒内和晶粒间应力腐蚀迹象㊂从显微组织中可看出，前后卡套的组织状态均不同于卡套管，且后卡套进行了低温表面硬化热处理 渗碳处理，不影响奥氏体不锈钢的韧性和耐腐蚀性，提高了不锈钢表面硬度和耐磨性，同时保证了卡套内部的塑性和韧性㊂
参考文献：
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ｈｙｄｒｏｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ，
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［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ，２００１，５６（８）：２７６７－２７７４．。