壓力容器O形金屬密封環(huán)的回彈行為研究

姚 博，蔡力勛，江亞男

（西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引言

O形金屬密封環(huán)位于上、下法蘭之間，是壓力容器的重要密封部件，其密封性能依賴于回彈量H和O形環(huán)的線載荷P。O形金屬密封環(huán)回彈行為與壓縮量和線載荷相關(guān)，基于回彈量預(yù)測(cè)的研究對(duì)壓力容器的安全性能評(píng)價(jià)至關(guān)重要。已有工作[1-8]通過試驗(yàn)結(jié)合有限元分析對(duì)金屬O形環(huán)回彈行為進(jìn)行了研究，獲得了變形與回彈行為的一些規(guī)律認(rèn)識(shí)，但目前有關(guān)金屬O形環(huán)回彈行為的預(yù)測(cè)尚不成熟。

該文依據(jù)回彈特性的實(shí)驗(yàn)與有限元分析，提出了一種回彈預(yù)測(cè)新模型，并采用304不銹鋼、60Si2Mn鋼和TA16合金3類典型材料對(duì)O形環(huán)回彈預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 研究條件

1.1 材料與試樣

試驗(yàn)材料為304不銹鋼、60Si2Mn鋼和TA16合金，304不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：C 0.062，Mn 1.12，P 0.023，S 0.018，Si 0.74，Ni 10.27，Cr 18.57；60Si2Mn 鋼的化學(xué)成分為：C 0.64，Mn 0.72，P 0.012，S 0.04，Si 1.77，Cr 0.05，Ni 0.04，Mo 0.01，V 0.003，余量為 Fe；TA16 合金的化學(xué)成分為：C 0.08，Si≤0.12，AI 1.8～2.52，Zr 2.0～3.0，N 0.04，F(xiàn)e 0.25，H 0.006，O 0.15。

O形環(huán)管狀試樣的長(zhǎng)度10 mm，共采用了9種規(guī)格試樣，即 3種外徑（D=8，10，12.5 mm），且每種外徑包含3種不同壁厚尺寸，試樣具體尺寸如表1所示。

表1 壓扁-回彈短管試樣主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)與研究方法

所有試驗(yàn)在美國(guó)MTS公司產(chǎn)MTS809（25 kN）電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)上完成，試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)為TestStarⅡ，采用配套軟件Test-Ware/SX實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)加載及數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。試驗(yàn)機(jī)載荷傳感器和應(yīng)變引伸計(jì)精度為0.5級(jí)。

O形環(huán)管試樣壓扁試驗(yàn)設(shè)計(jì)為多級(jí)加載工況，即采用8級(jí)壓縮比λ（λ=d/D，其中，d為最大壓縮量，D為試樣外徑），分別為 4%，6%，8%，10%，12%，15%，18%和21%進(jìn)行加載。加載采用位移控制，加載速率為0.01 mm/s，卸載采用載荷控制，每次卸載用時(shí)20 s。

O形環(huán)的回彈行為模擬采用商業(yè)有限元軟件ANSYS 11.0以及接觸分析方法進(jìn)行。分析中采用平面應(yīng)變網(wǎng)格模型，應(yīng)用柔-柔接觸分析方法。圖1給出了剛?cè)峤佑|的二維有限元計(jì)算模型，圖2顯示出O形環(huán)受壓大變形時(shí)的凹陷現(xiàn)象，從而表明該文所用有限元模型及分析方法的可行性。有限元分析中的材料本構(gòu)選用 NLISO 模型，即：σ=k+R0εp+R∞[1-exp（-bεp）]，其中 ε=σ/E+εp，k，R0，R∞和 b 為材料常數(shù)，σ 和 εp分別是軸向應(yīng)力和塑性應(yīng)變[9-10]。NLISO模型的材料常數(shù)可由單軸拉伸試驗(yàn)獲得，結(jié)果如表2所示。

圖1 剛?cè)峤佑|模型

圖2 λ=21%時(shí)的試樣凹陷現(xiàn)象

表2 試樣NLISO模型參數(shù)表

2 O形環(huán)回彈量預(yù)測(cè)模型

根據(jù)試驗(yàn)和有限元計(jì)算結(jié)果，在不同壓縮比d/D下，回彈比H/D和幾何比D/t在一定范圍內(nèi)均符合線性律，由此提出了回彈量預(yù)測(cè)模型TSM（tube springback model），表達(dá)式為

式中，回彈量H是從最大壓縮位置到0載荷位置的卸載位移，A1，A2，B1和 B2是材料常數(shù)，與 NLISO 模型中的 E、k、R0和 R∞相關(guān)。文獻(xiàn)[4]研究表明，回彈量 H對(duì)NLISO模型中的常數(shù)b并不敏感。

3 O形環(huán)試樣的回彈行為

3.1 試樣的壓縮響應(yīng)

304不銹鋼、60Si2Mn鋼和TA16合金的薄壁試樣在多級(jí)載荷工況下，載荷P和壓縮比d/D的試驗(yàn)關(guān)系如圖3所示。60Si2Mn鋼的P-d/D關(guān)系明顯高于304不銹鋼和TA16合金，而TA16合金的P-d/D關(guān)系與304不銹鋼接近。圖4給出了各試樣回彈量H、最大線載荷Pmax和壓縮比d/D的試驗(yàn)關(guān)系。圖4表明，回彈量H隨壓縮比d/D逐漸增加，TA16合金與60Si2Mn鋼回彈量H較為接近，只是在壓縮比d/D較低的時(shí)候差別稍大；TA16合金的回彈量為304不銹鋼的2～3倍；同一壓縮比下60Si2Mn鋼的最大線載荷明顯高于304不銹鋼和TA16合金，且隨壓縮比的增加最大線載荷增加趨勢(shì)明顯；而304不銹鋼最大線載荷略高于TA16合金，且隨壓縮比增加最大線載荷微增?？梢?，就化工、熱能密封的耐腐蝕和高回彈性能要求而言，TA16材料是不錯(cuò)的選擇，但若耐腐蝕要求不高時(shí)，60Si2Mn鋼可提供高壓縮接觸力和高回彈性能。當(dāng)腐蝕要求比較高時(shí)可用304不銹鋼和TA16合金代替，二者線載荷相近，目前304不銹鋼使用較多，TA16合金的使用則相對(duì)較少。由于TA16合金回彈量明顯優(yōu)于304不銹鋼，建議使用TA16合金。

圖3 載荷和壓縮比的試驗(yàn)關(guān)系

圖4 回彈量、最大線載荷和壓縮比的試驗(yàn)關(guān)系

3.2 O形環(huán)的回彈預(yù)測(cè)

根據(jù)ANSYS有限元接觸分析和TSM回彈預(yù)測(cè)模型，60Si2Mn鋼的TSM模型參數(shù)為：A1=0.006 26，B1=0.001 09，A2=0.014 3 和 B2=0.006 80；304 不銹鋼的TSM 模型系數(shù)為：A1=0.001 85，B1=0.000 521，A2=0.0115和B2=0.00241；TA16合金的TSM模型系數(shù)為：A1=0.0041，B1=0.0016，A2=0.019 和 B2=0.0028。

圖5給出了304不銹鋼、60Si2Mn鋼和TA16合金試樣的回彈試驗(yàn)結(jié)果和該文提出的TSM模型回彈預(yù)測(cè)結(jié)果。圖5表明，回彈比和幾何比呈線性變化關(guān)系且隨著壓縮比的增加回彈量增加，TSM的回彈預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為符合。進(jìn)一步分析表明，當(dāng)d/D在4%~20%變化時(shí)，基于TSM模型的60Si2Mn鋼的試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析的預(yù)測(cè)結(jié)果的誤差是12.9%~4.42%，304不銹鋼和TA16合金的TSM回彈預(yù)測(cè)誤差均不超過12%。如果數(shù)據(jù)只來(lái)源于有限元分析，這3種材料的TSM回彈預(yù)測(cè)結(jié)果與有限元分析結(jié)果誤差均小于5%。因此，新的TSM預(yù)測(cè)模型可用于壓力容器密封性安全的預(yù)測(cè)。

圖5 D/t-H/D模型結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）TA16材料相較304不銹鋼回彈量特性有顯著優(yōu)勢(shì)，當(dāng)耐腐蝕要求不高時(shí)，60Si2Mn鋼可提供高壓縮接觸力響應(yīng)和高回彈性能。

（2）當(dāng)腐蝕要求比較高時(shí)可用線載荷相近的304不銹鋼和TA16合金代替，由于TA16合金回彈量明顯優(yōu)于304不銹鋼，建議使用TA16合金。

（3）提出了一個(gè)適用于多種材料、有良好精度的回彈量預(yù)測(cè)的TSM模型。

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