CDU二次侧管路快接头在振动-热循环耦合工况下的密封失效路径建模与可靠性分级方法研究
发布日期：2026年09月11日
【摘要】 本研究揭示了快接头在振动与热循环耦合工况下密封失效并非单一机理主导，而是由微动磨损、界面应力松弛与材料热致蠕变三者动态互馈所驱动的渐进式退化过程。传统基于静态密封比压或单一环境因子的可靠性评估方法难以准确刻画该耦合效应下的失效演化路径。为此，研究构建了以接触界面状态演化为核心的多尺度建模框架：在宏观层面耦合热-力-位移响应，在介观层面表征微凸体接触退化与密封带局部脱粘，在微观层面关联材料本构变化与泄漏率增长趋势。基于此模型，提出一种面向工程应用的可靠性分级方法，依据失效概率阈值与功能退化速率，将快接头服役状态划分为稳定、预警、临界与失效四级，并支持在设计选型、在役监测与维护策略中实现差异化决策。该方法不依赖特定供应商参数，具备跨平台适配性，为复杂工况下流体连接件的全生命周期可靠性管理提供了可落地的技术路径。
【概览】
关键发现：
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密封失效是微动磨损、界面应力松弛与材料热致蠕变三者动态互馈驱动的渐进过程，而非单一机理主导。
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传统基于静态密封比压或孤立环境因子的评估方法无法反映耦合工况下接触界面状态的时变退化特征。
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失效演化具有多尺度依赖性：宏观响应驱动介观脱粘，介观退化加速微观泄漏增长，形成正反馈回路。
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接触界面状态演化是刻画失效路径的核心枢纽，其动态变化可统一表征不同来源的耦合损伤贡献。
核心建议：
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在设计阶段嵌入多尺度界面状态仿真模块，将热-力-位移耦合响应作为快接头选型的必评参数。
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在在役监测中部署以界面退化速率为核心的分级判据，结合实时振动频谱与温度梯度数据实现状态自动归级。
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建立基于四级可靠性状态（稳定/预警/临界/失效）的差异化维护策略库，明确各等级对应的检测频次、干预阈值与更换触发条件。
【引言】 在核电站常规岛系统中，CDU（凝结水除盐装置）二次侧管路承担着高温、高湿、高洁净度工况下的关键介质输送任务，其快接头作为频繁拆装、快速维护的核心接口，长期承受机组启停引发的热循环与运行振动的双重耦合作用。工程实践中发现，此类快接头在服役中后期常出现渐进式泄漏——初期仅表现为微渗，随周期累积发展为间歇性滴漏，最终导致非计划停机检修。传统密封可靠性评估多基于单一载荷（如静压或恒温）开展，难以复现现场“温度梯度驱动密封件蠕变松弛+振动诱发接触面微滑移”的协同劣化机制，致使失效预测滞后、维修策略粗放、备件储备冗余。本研究立足于真实运维痛点，不追求理想化建模，而是聚焦快接头金属-弹性体复合密封结构在热-振耦合路径下的物理退化主线：从初始装配预紧力衰减出发，逐层解析热致O型圈压缩永久变形、振动诱导法兰面微动磨损、以及二者交互加速的界面接触压力非均匀重构过程。通过建立可映射实测工况的多尺度退化模型，并结合现场失效数据反演关键参数阈值，提出面向不同服役年限与运行频次的三级可靠性分级判据。该方法强调输入可测（如温度曲线、加速度谱）、输出可用（如剩余寿命区间、更换优先级），力求在理论深度与工程落地之间取得切实平衡。
一、CDU二次侧快接头典型振动-热循环工况实测数据与失效现象归因分析 典型工况实测数据的核心特征与业务逻辑解构 CDU二次侧快接头在实际运行中承受的并非单一振动或热循环，而是二者强耦合的复合激励：热循环引发金属部件周期性胀缩，改变预紧力分布；振动则持续扰动接触界面微滑移状态。实测数据显示，高频微幅振动（20–200 Hz）与中低频热循环（周期2–8 h）叠加时，密封界面法向应力衰减速率较单因素工况提升3–5倍——这并非线性叠加结果，而是源于热致蠕变与振动疲劳的协同耗散效应。从业务逻辑看，该现象直接对应运维端“非计划停机多发于启停过渡期”的共性痛点：系统升温阶段密封性能看似稳定，但热膨胀不匹配已在微观层面累积界面间隙，待振动载荷介入即触发泄漏萌生。
失效现象归因的三层穿透式分析 表层现象为“间歇性微量泄漏”，但尚参科技提出的“应力-位移-时间”三维归因框架指出，其本质是密封系统动态平衡能力的系统性退化：第一层为结构层，快接头卡爪与母体配合公差带宽、弹性元件初始刚度设计未覆盖热-振耦合下的刚度衰减区间；第二层为材料层，密封圈基体在热氧老化与剪切疲劳交替作用下，压缩永久变形率加速上升，导致回弹储备不足；第三层为系统层，CDU二次侧管路支撑刚度不足放大局部振动响应，使快接头成为应力集中“泄压点”。这一归因路径印证了可靠性工程中的“薄弱环节放大律”——系统可靠性由最敏感子系统对多场耦合的响应鲁棒性决定，而非平均性能水平。
从归因到建模的关键认知跃迁 传统失效分析常将振动与热循环视为独立边界条件，但实测数据揭示二者存在