拉伸位移下平面失穩(wěn)波紋管的疲勞壽命研究

楊玉強，杜 輝1，張 壘，高 翔，李 杰，李德雨

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

0 引言

金屬波紋管膨脹節(jié)是受熱管網(wǎng)和設備進行熱補償?shù)年P鍵部件之一，具有位移補償、減振降噪和密封的作用，目前已廣泛應用于化工、煉油、熱力、冶金、電力等工業(yè)領域。通常，波紋管在位移與壓力載荷共同作用下工作，當波紋管承受過大的壓力、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)定性分析對于波紋管的設計和使用具有重要意義。國內外學者對金屬波紋管膨脹節(jié)穩(wěn)定性的機理及承壓能力進行了大量的研究[1-5]，但對平面失穩(wěn)對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關鍵指標。U形無加強波紋管平面失穩(wěn)是指一個或多個波紋出現(xiàn)傾斜或翹曲，即這個波紋所在的平面不再與波紋管的軸線保持垂直。平面失穩(wěn)不但會降低波紋管的承壓能力，而且會導致波紋管側壁間隙減小，降低其吸收位移的能力。實際應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心的問題[6-8]，而工作中的波紋管多數(shù)處于單側位移狀態(tài)。因此，根據(jù)試驗結果和有限元分析，討論內壓及拉伸位移共同作用對平面失穩(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，并通過應變測量和試驗，驗證了模型及有限元分析結果的有效性，波紋管極限承壓載荷有限元與試驗結果的比較如表1所示。

表1 波紋管極限承壓載荷有限元與試驗結果對比

1.2 成形態(tài)波紋管材料非線性

液壓成形后的波紋管實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度Rp0.2升高。在波紋管的設計過程中，成形減薄后的平均厚度δm按式(1)計算[12]，成形減薄率λ按式(2)計算。

(1)

(2)

式中δm——單層材料的實際平均厚度，mm；

δ——波紋管單層材料的公稱厚度，mm；

Db——波紋管直邊段內徑，mm；

Dm——波紋管平均直徑，mm。

由于波紋管在成型過程中產生了加工硬化，導致材料的屈服強度升高，應考慮加工硬化對材料力學性能的影響。文獻[13]中對用于成形波紋管的304不銹鋼薄板的力學性能進行了研究,得到不同減薄率下成形態(tài)波紋管材料屈服強度的計算公式如下：

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波紋管材料簡化應力-應變曲線

在有限元分析中，采用雙線性隨動硬化準則模擬304材料的彈塑性應力-應變曲線,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)化語言建模，有限元模型如圖2所示,其計算結果如表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，可以用來預測波紋管的失穩(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試驗值/MPa誤差(%)DN3001×2兩端固支、內壓0.8030.757.07

圖3示出波紋管的載荷-位移曲線，運用雙切線交點法[14]就可以確定波紋管的失穩(wěn)壓力?？梢钥闯觯趬毫^小時，波紋管變形存在一定的線性趨勢；當壓力達到一定范圍時，壓力上升緩慢，而波紋管變形卻不斷加大，可見波紋管此時已經(jīng)失穩(wěn)(見圖4)。

圖3 DN300 mm波紋管載荷-位移曲線

圖4 DN300 mm波紋管內壓失穩(wěn)變形示意

2 平面失穩(wěn)試驗件制備

為研究平面失穩(wěn)對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個試驗件，其中1#～6#試驗件進行平面失穩(wěn)試驗，7#,8#試驗件進行水壓試驗，試驗現(xiàn)場如圖5所示。試驗結束后測量波距變化率，其最大波距變化率如表5所示。

圖5 試驗現(xiàn)場

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

表5 DN300 mm試驗件的最大波距變化率

3 疲勞試驗

3.1 試驗過程

膨脹節(jié)疲勞試驗裝置見圖6，試驗介質為氬氣，以保證內壓基本穩(wěn)定。試驗時，試驗件上端與疲勞試驗機上滑塊固定，下端與平臺固定，且應保證施加的拉、壓循環(huán)位移與波紋管軸線同軸。壓力由氬氣瓶施加，通過壓力表監(jiān)控壓力至0.5 MPa；位移量由試驗機控制，位移范圍0～24 mm。啟動試驗機，按設計位移量進行往復循環(huán)至波紋管泄漏，記錄疲勞次數(shù)。

圖6 疲勞試驗裝置結構示意

3.2 試驗結果

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

表6 疲勞試驗件的位移量及疲勞試驗數(shù)據(jù)

注：1.表中所有試驗件的設計疲勞壽命安全系數(shù)均為10;2.所有設計計算按GB/T 12777—2008《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術條件》進行；3.試驗件規(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)的試驗件(1#～6#)的試驗疲勞壽命與設計疲勞壽命之比Nct/[Nc]的平均值為1.09，未發(fā)生平面失穩(wěn)的試驗件(7#，8#)的試驗疲勞壽命與設計疲勞壽命之比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)的波紋管在設計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)程度有一定的關系，失穩(wěn)越嚴重，產品的壽命降低越多，且疲勞失效的位置均位于波谷處。

4 結論

(1)有限元分析可以準確模擬波紋管各處應力應變分布情況以及失穩(wěn)壓力，通過試驗驗證，其精度滿足工程設計需求。

(2)膨脹節(jié)在超過設計壓力且達到臨界失穩(wěn)壓力時，波紋管會發(fā)生平面失穩(wěn)現(xiàn)象，且失穩(wěn)壓力與有限元模擬結果相近。

(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)程度有一定的關系，失穩(wěn)越嚴重，產品的壽命降低越多，且波紋管疲勞失效的位置均位于波谷處。