薄壁管爆破測試用新型密封組件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

供稿|王偉，于軍輝， / WANG Wei , YU Jun-hui ,

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章介紹了一種基于無擴(kuò)孔或者焊接工藝并且可適配多種規(guī)格管材內(nèi)壓爆破實(shí)驗(yàn)的新型密封組件的設(shè)計(jì)過程。新型密封組件解決了以往內(nèi)壓爆破實(shí)驗(yàn)過程中容易產(chǎn)生的數(shù)據(jù)失真、泄壓、安裝麻煩等問題，避免了對實(shí)驗(yàn)管件徑向擠壓所造成的變形，避免了通過焊接對管件造成的熱影響區(qū)。通過開展內(nèi)壓爆破測試實(shí)驗(yàn)對新型密封組件的使用效果進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明新型密封組件具有高效、經(jīng)濟(jì)、簡單、實(shí)用的特點(diǎn)，可以推廣應(yīng)用于各類液壓管件的密封和聯(lián)接，極具應(yīng)用及推廣使用價(jià)值。

金屬材料薄壁管性能的檢測是通過對薄壁管材內(nèi)部加載液壓油至爆破來衡量薄壁管材的承受內(nèi)壓能力的[1]。實(shí)驗(yàn)前需要對薄壁管材一端進(jìn)行密封，另外一端與爆破實(shí)驗(yàn)機(jī)聯(lián)接，密封組件和聯(lián)接件都必須對應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)管材規(guī)格而機(jī)械加工、焊接制作。這種密封方式成功率低，而且密封組件不易加工，最主要的是一套組件無法適配不同規(guī)格的管材實(shí)驗(yàn)，多一種管材規(guī)格就需要多一副規(guī)格相對應(yīng)的密封組件，延長了實(shí)驗(yàn)周期，也增加了實(shí)驗(yàn)成本[2]。本文分析并設(shè)計(jì)了一種可適配多種規(guī)格管材的內(nèi)壓爆破實(shí)驗(yàn)的新型密封組件，用以提高實(shí)驗(yàn)的成功率和效率，并保證實(shí)驗(yàn)的可靠性。

實(shí)驗(yàn)要求及擴(kuò)口密封

爆破實(shí)驗(yàn)過程參照執(zhí)行“ASTM-B811-13(2017)：鋯合金核燃料包殼管材的室溫密閉式檢驗(yàn)過程”的規(guī)定，壓力加載速率為(13.8±1.4) MPa/min，為了實(shí)驗(yàn)的持續(xù)性，應(yīng)該保證最初流體體積不產(chǎn)生壓力峰，并無泄露，針對不同性能產(chǎn)品，密封組件需承受最高壓力為120 MPa。實(shí)驗(yàn)管材規(guī)格從φ7~16 mm，壁厚不大于2 mm。

擴(kuò)口密封就是將管材一端擴(kuò)張成和密封堵頭一樣的擴(kuò)孔角度，再壓緊密封。擴(kuò)孔密封只是薄壁管材密封的其中一種方式，在爆破實(shí)驗(yàn)過程中不但要滿足實(shí)驗(yàn)的要求，而且在擴(kuò)孔、安裝過程中需要避免試樣所受到的不同程度的作用力，防止在實(shí)驗(yàn)前就對試樣產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不真實(shí)。

密封組件設(shè)計(jì)與分析

設(shè)計(jì)要求

密封組件的設(shè)計(jì)要求：對聯(lián)接強(qiáng)度、爆破實(shí)驗(yàn)過程穩(wěn)定程度、安裝拆卸方便性、適配性等滿足程度主要從4個(gè)方面進(jìn)行考慮：

(1) 適配性。在實(shí)際應(yīng)用中會有不同規(guī)格的管材需要爆破實(shí)驗(yàn)測試，每一次都通過匹配方式來采購或是加工密封組件必然是不現(xiàn)實(shí)、不經(jīng)濟(jì)的方法，那么就需要一套能夠適配多種管材規(guī)格范圍的密封組件且都滿足實(shí)驗(yàn)聯(lián)接強(qiáng)度。

(2) 可靠性。常規(guī)實(shí)驗(yàn)中，偶爾出現(xiàn)的泄露或者密封件滑落將使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性大打折扣，并且密封方式會對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定影響。因此，要求密封組件必須能夠保證聯(lián)接強(qiáng)度的同時(shí)又不對管材施加徑向加持力。

(3) 高效性。密封組件盡可能節(jié)省裝卸時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速換裝實(shí)驗(yàn)樣品并且調(diào)整簡單便捷。

(4) 經(jīng)濟(jì)性。密封組件設(shè)計(jì)時(shí)要盡可能降低所使用的材料成本，降低加工工藝的復(fù)雜度。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

密封組件主要包括三部分：內(nèi)錐件、堵頭、密封套。密封組件結(jié)構(gòu)簡單也正是最大優(yōu)點(diǎn)之一，加工工藝簡單可以降低加工成本，方便靈活的操作可以減少操作人員的操作時(shí)間和工作量。

密封組件在選材方面考慮了很多因素。首先要滿足設(shè)計(jì)要求，而且要考慮到體積大小。因?yàn)楸茖?shí)驗(yàn)機(jī)對爆破處做了很多爆破防護(hù)，實(shí)驗(yàn)空間比較狹小，太大太重的密封組件也不方便操作。綜合考慮材料成本和加工性能，確定選用45鋼，無需任何熱處理及防銹處理。

針對某種牌號的鋯合金性能反復(fù)測試得到合適的薄壁管材擴(kuò)孔角度范圍為27°~30°。通過金相組織分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)擴(kuò)孔角度>30°后，鋯合金薄壁管材在擴(kuò)口最大直徑處由于壁厚變薄一定程度上出現(xiàn)微裂紋，并在實(shí)驗(yàn)過程中首先發(fā)生塑性變形，并有可能出現(xiàn)泄露及破口靠近擴(kuò)口處從而影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)性；從設(shè)計(jì)材料性能方面出發(fā)，為了操作方便，在安裝過程中需要的預(yù)緊力較小，因此當(dāng)擴(kuò)口角度<27°時(shí)薄壁管材或者超高壓實(shí)驗(yàn)時(shí)也可能會出現(xiàn)泄露。合適的擴(kuò)孔角度范圍為27°~30°，最終統(tǒng)一取值為28°。

通過對密封組件整體結(jié)構(gòu)分析，再考慮機(jī)械加工的可行性后，設(shè)計(jì)新型密封組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)計(jì)新型密封組件的目的就是為了薄壁管材的端密封，保證實(shí)驗(yàn)加載過程中無泄漏且組件穩(wěn)定，所以密封面至為關(guān)鍵。密封組件的結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)如表1所示。

圖1 新型密封組件結(jié)構(gòu)圖

表1 密封組件的結(jié)構(gòu)及功能

新型密封組件使用測試實(shí)驗(yàn)

密封組件使用步驟

如圖1所示，首先將已加工好的兩個(gè)內(nèi)錐件2套入管材1。利用擴(kuò)口工具對管材實(shí)施擴(kuò)口[3]，軸向擴(kuò)口長度≥7 mm且≤10 mm，密封端堵頭6底部放入密封套3內(nèi)，內(nèi)錐件2與密封套3為螺紋聯(lián)接并用>50 N的預(yù)緊力預(yù)緊，與實(shí)驗(yàn)機(jī)聯(lián)接的通孔堵頭4放入密封套5中，內(nèi)錐件2與密封套5為螺紋聯(lián)接并用>50 N的預(yù)緊力預(yù)緊，在通孔堵頭4一端與實(shí)驗(yàn)機(jī)螺紋聯(lián)接前先注入液壓油；其次系統(tǒng)排空，開始加壓加載至管材1爆破泄壓。對完成實(shí)驗(yàn)后的試樣，從內(nèi)錐件2根部鋸切拆卸組件去除擴(kuò)口部分。然后，使用密封組件對下一個(gè)樣品進(jìn)行擴(kuò)口裝夾，實(shí)現(xiàn)密封組件的循環(huán)利用。

爆破實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證

使用同一臺線性加載爆破設(shè)備對對同批次、同規(guī)格10根薄壁管材采用新型密封組件擴(kuò)孔密封后進(jìn)行內(nèi)壓爆破，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 新型密封組件使用測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過相對標(biāo)準(zhǔn)差RSD來衡量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和統(tǒng)一性，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD計(jì)算公式為：

其中，標(biāo)準(zhǔn)差SD的計(jì)算公式為：

用公式(2)計(jì)算表2中的爆破強(qiáng)度數(shù)據(jù)得到標(biāo)準(zhǔn)差SD=0.15；公式(2)計(jì)算表2中的周向延伸率數(shù)據(jù)得到標(biāo)準(zhǔn)差SD=2。用公式(1)計(jì)算得到爆破強(qiáng)度的相對標(biāo)準(zhǔn)差RSD=0.28%；周向延伸率相對標(biāo)準(zhǔn)差RSD=0.42%。由相對標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)不難看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的穩(wěn)定性和統(tǒng)一性，而且10個(gè)試樣在實(shí)驗(yàn)過程中無泄漏，爆破后的破口均勻、平整，如圖2所示。

圖2 爆破后的試樣

結(jié)束語

(1) 實(shí)驗(yàn)證明，新型密封組件很好地解決了爆破實(shí)驗(yàn)過程中不但滿足實(shí)驗(yàn)的要求而且在擴(kuò)口密封、安裝過程中能夠有效避免試樣所受到的不同程度的作用力而導(dǎo)致的試樣內(nèi)應(yīng)力，保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、有效性；

(2) 通過開展內(nèi)壓爆破擴(kuò)口式密封組件的測試驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明，新型密封組件能夠承受較高的內(nèi)壓負(fù)載，具有較高的密封及聯(lián)接可靠性及穩(wěn)定性；

(3) 新型密封組件不僅僅適用于內(nèi)壓爆破實(shí)驗(yàn)的密封及聯(lián)接裝置，還適用于任何一種液壓系統(tǒng)的導(dǎo)管聯(lián)接或者密封，其實(shí)用性及可靠性值得推廣。經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型密封組件極具應(yīng)用及推廣使用價(jià)值。