楊玉強(qiáng)，杜 輝1，張 壘，高 翔，李 杰，李德雨

(1.洛陽(yáng)船舶材料研究所，河南洛陽(yáng) 471023；2.洛陽(yáng)雙瑞特種裝備有限公司，河南洛陽(yáng) 471001)

0 引言

金屬波紋管膨脹節(jié)是受熱管網(wǎng)和設(shè)備進(jìn)行熱補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵部件之一，具有位移補(bǔ)償、減振降噪和密封的作用，目前已廣泛應(yīng)用于化工、煉油、熱力、冶金、電力等工業(yè)領(lǐng)域。通常，波紋管在位移與壓力載荷共同作用下工作，當(dāng)波紋管承受過(guò)大的壓力、發(fā)生失穩(wěn)后，波距發(fā)生較大變化，改變了膨脹節(jié)原來(lái)的性能，降低其承壓能力及吸收位移能力，因此，穩(wěn)定性分析對(duì)于波紋管的設(shè)計(jì)和使用具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)金屬波紋管膨脹節(jié)穩(wěn)定性的機(jī)理及承壓能力進(jìn)行了大量的研究[1-5]，但對(duì)平面失穩(wěn)對(duì)波紋管疲勞壽命的影響研究較少，波紋管的平面穩(wěn)定性是影響波紋管正常工作能力的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。U形無(wú)加強(qiáng)波紋管平面失穩(wěn)是指一個(gè)或多個(gè)波紋出現(xiàn)傾斜或翹曲，即這個(gè)波紋所在的平面不再與波紋管的軸線(xiàn)保持垂直。平面失穩(wěn)不但會(huì)降低波紋管的承壓能力，而且會(huì)導(dǎo)致波紋管側(cè)壁間隙減小，降低其吸收位移的能力。實(shí)際應(yīng)用中有大量波紋管處于平面失穩(wěn)的狀態(tài)，該狀態(tài)下的波紋管的安全性成為人們最關(guān)心的問(wèn)題[6-8]，而工作中的波紋管多數(shù)處于單側(cè)位移狀態(tài)。因此，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析，討論內(nèi)壓及拉伸位移共同作用對(duì)平面失穩(wěn)波紋管疲勞壽命的影響，就顯得很有必要。

1 波紋管失穩(wěn)壓力有限元分析

1.1 有限元可靠性驗(yàn)證

張小文等[9-11]采用有限元方法模擬了波紋管的極限承壓載荷，并通過(guò)應(yīng)變測(cè)量和試驗(yàn)，驗(yàn)證了模型及有限元分析結(jié)果的有效性，波紋管極限承壓載荷有限元與試驗(yàn)結(jié)果的比較如表1所示。

表1 波紋管極限承壓載荷有限元與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

1.2 成形態(tài)波紋管材料非線(xiàn)性

液壓成形后的波紋管實(shí)際壁厚沿半波子午向的分布是不均勻的，波谷處的管壁較厚，波峰處較薄，從而使得波紋管材料的屈服強(qiáng)度Rp0.2升高。在波紋管的設(shè)計(jì)過(guò)程中，成形減薄后的平均厚度δm按式(1)計(jì)算[12]，成形減薄率λ按式(2)計(jì)算。

(1)

(2)

式中δm——單層材料的實(shí)際平均厚度，mm；

δ——波紋管單層材料的公稱(chēng)厚度，mm；

Db——波紋管直邊段內(nèi)徑，mm；

Dm——波紋管平均直徑，mm。

由于波紋管在成型過(guò)程中產(chǎn)生了加工硬化，導(dǎo)致材料的屈服強(qiáng)度升高，應(yīng)考慮加工硬化對(duì)材料力學(xué)性能的影響。文獻(xiàn)[13]中對(duì)用于成形波紋管的304不銹鋼薄板的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,得到不同減薄率下成形態(tài)波紋管材料屈服強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：

Rp0.2=300(1+10.667λ)

(3)

將表2中的基本參數(shù)代入以上公式，可得到成形態(tài)波紋管的性能參數(shù)如表3所示。

表2 DN300 mm波紋管波形參數(shù)

表3 DN300 mm波紋管材料特性

圖1 DN300 mm波紋管材料簡(jiǎn)化應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

在有限元分析中，采用雙線(xiàn)性隨動(dòng)硬化準(zhǔn)則模擬304材料的彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn),如圖1所示。

1.3 穩(wěn)定性分析

U形波紋管幾何參數(shù)及材料特性見(jiàn)表2，材料為304不銹鋼，采用Shell 181單元模擬波紋管的屈曲分析，采用ANSYS的APDL參數(shù)化語(yǔ)言建模，有限元模型如圖2所示,其計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由表1,4中可以看出，有限元模擬波紋管的失穩(wěn)有一定的精度，可以用來(lái)預(yù)測(cè)波紋管的失穩(wěn)壓力。

圖2 Shell 181單元建立的波紋管模型

直徑/mm網(wǎng)格大小/(mm×mm)邊界條件有限元值/MPa試驗(yàn)值/MPa誤差(%)DN3001×2兩端固支、內(nèi)壓0.8030.757.07

圖3示出波紋管的載荷-位移曲線(xiàn)，運(yùn)用雙切線(xiàn)交點(diǎn)法[14]就可以確定波紋管的失穩(wěn)壓力?？梢钥闯?，在壓力較小時(shí)，波紋管變形存在一定的線(xiàn)性趨勢(shì)；當(dāng)壓力達(dá)到一定范圍時(shí)，壓力上升緩慢，而波紋管變形卻不斷加大，可見(jiàn)波紋管此時(shí)已經(jīng)失穩(wěn)(見(jiàn)圖4)。

圖3 DN300 mm波紋管載荷-位移曲線(xiàn)

圖4 DN300 mm波紋管內(nèi)壓失穩(wěn)變形示意

2 平面失穩(wěn)試驗(yàn)件制備

為研究平面失穩(wěn)對(duì)波紋管疲勞壽命的影響，根據(jù)表2中波紋管參數(shù)加工8個(gè)試驗(yàn)件，其中1#～6#試驗(yàn)件進(jìn)行平面失穩(wěn)試驗(yàn)，7#,8#試驗(yàn)件進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量波距變化率，其最大波距變化率如表5所示。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

由表5及圖5可看出：(1)膨脹節(jié)在超過(guò)設(shè)計(jì)壓力且達(dá)到臨界失穩(wěn)壓力時(shí)，波紋管會(huì)發(fā)生平面失穩(wěn)現(xiàn)象，且失穩(wěn)壓力與有限元模擬結(jié)果相近;(2)1#～6#試驗(yàn)件的波距變化率遠(yuǎn)大于15%，根據(jù)EJMA—2016[15]中的規(guī)定，發(fā)生了平面失穩(wěn)，7#,8#試驗(yàn)件未發(fā)生平面失穩(wěn)。

表5 DN300 mm試驗(yàn)件的最大波距變化率

3 疲勞試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

膨脹節(jié)疲勞試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖6，試驗(yàn)介質(zhì)為氬氣，以保證內(nèi)壓基本穩(wěn)定。試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)件上端與疲勞試驗(yàn)機(jī)上滑塊固定，下端與平臺(tái)固定，且應(yīng)保證施加的拉、壓循環(huán)位移與波紋管軸線(xiàn)同軸。壓力由氬氣瓶施加，通過(guò)壓力表監(jiān)控壓力至0.5 MPa；位移量由試驗(yàn)機(jī)控制，位移范圍0～24 mm。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，按設(shè)計(jì)位移量進(jìn)行往復(fù)循環(huán)至波紋管泄漏，記錄疲勞次數(shù)。

圖6 疲勞試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)所得疲勞次數(shù)見(jiàn)表6。1#～4#和7#，8#試驗(yàn)件疲勞失效位置分別如圖7，8所示，限于篇幅，5#,6#試驗(yàn)件失效位置未附圖。

表6 疲勞試驗(yàn)件的位移量及疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注：1.表中所有試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)疲勞壽命安全系數(shù)均為10;2.所有設(shè)計(jì)計(jì)算按GB/T 12777—2008《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》進(jìn)行；3.試驗(yàn)件規(guī)格：DZ5-300-24

(a)1#

(b)2#

(c)3#

(d)4#

圖7 發(fā)生平面失穩(wěn)波紋管疲勞失效位置

(a)7#

(b)8#

圖8 未發(fā)生平面失穩(wěn)波紋管疲勞失效位置

由表6得到的發(fā)生平面失穩(wěn)的試驗(yàn)件(1#～6#)的試驗(yàn)疲勞壽命與設(shè)計(jì)疲勞壽命之比Nct/[Nc]的平均值為1.09，未發(fā)生平面失穩(wěn)的試驗(yàn)件(7#，8#)的試驗(yàn)疲勞壽命與設(shè)計(jì)疲勞壽命之比Nct/[Nc]的平均值為2.33。由此數(shù)據(jù)可看出，發(fā)生平面失穩(wěn)波紋管的疲勞壽命約為未發(fā)生平面失穩(wěn)波紋管的疲勞壽命的一半。由表5和表6獲得波距變化率與疲勞壽命的關(guān)系如圖9所示。

圖9 平面失穩(wěn)波距變化率與疲勞壽命的關(guān)系

由表6及圖7～9可看出：

(1)發(fā)生平面失穩(wěn)的波紋管在設(shè)計(jì)壓力與拉伸位移共同作用下，仍然具有一定的使用壽命，但其疲勞壽命會(huì)降低；

(2)發(fā)生平面失穩(wěn)波紋管的疲勞壽命與膨脹節(jié)的失穩(wěn)程度有一定的關(guān)系，失穩(wěn)越嚴(yán)重，產(chǎn)品的壽命降低越多，且疲勞失效的位置均位于波谷處。

4 結(jié)論

(1)有限元分析可以準(zhǔn)確模擬波紋管各處應(yīng)力應(yīng)變分布情況以及失穩(wěn)壓力，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，其精度滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)需求。

(2)膨脹節(jié)在超過(guò)設(shè)計(jì)壓力且達(dá)到臨界失穩(wěn)壓力時(shí)，波紋管會(huì)發(fā)生平面失穩(wěn)現(xiàn)象，且失穩(wěn)壓力與有限元模擬結(jié)果相近。

(3)波紋管發(fā)生平面失穩(wěn)后，仍然具有一定的使用壽命，但其疲勞壽命會(huì)降低。

(4)平面失穩(wěn)波紋管的疲勞壽命與波紋管的失穩(wěn)程度有一定的關(guān)系，失穩(wěn)越嚴(yán)重，產(chǎn)品的壽命降低越多，且波紋管疲勞失效的位置均位于波谷處。