波紋(wen)管膨(peng)脹(zhang)節(jie)是管(guan)道位(wei)移(yi)補(bu)償(chang)的(de)壹(yi)種重要(yao)形式，多(duo)用於(yu)石油(you)、化(hua)工等(deng)行業。波紋(wen)管的(de)成形多(duo)采用液壓(ya)、滾壓(ya)等(deng)方(fang)式，將(jiang)卷成圓柱體(ti)的(de)薄(bo)壁圓筒體(ti)通(tong)過冷(leng)擠(ji)壓(ya)的(de)方(fang)式加工成波紋(wen)。由(you)於(yu)金屬在(zai)成形過程(cheng)中發(fa)生了(le)不均勻塑性(xing)變形，成形後(hou)的(de)金屬波紋(wen)管會(hui)產(chan)生(sheng)很(hen)大(da)的(de)殘(can)余(yu)應(ying)力。為(wei)了提(ti)高波(bo)紋(wen)管的(de)防腐性(xing)能(neng)，需要(yao)對(dui)金屬波紋(wen)管進行固溶(rong)處(chu)理。為(wei)了研(yan)究(jiu)金屬波紋(wen)管加工後(hou)殘(can)余(yu)應(ying)力的(de)大(da)小，以(yi)及(ji)固(gu)溶(rong)處(chu)理對(dui)殘(can)余(yu)應(ying)力的(de)影(ying)響，本文(wen)對(dui)固(gu)溶(rong)處(chu)理前(qian)後(hou)的(de)波(bo)紋(wen)管進行了殘(can)余(yu)應(ying)力測試。
本次試(shi)驗采用(yong)盲(mang)孔法(fa)測量殘(can)余(yu)應(ying)力，首先在(zai)波(bo)紋(wen)管測點處(chu)鉆孔，使該部位(wei)的(de)殘(can)余(yu)應(ying)力得以釋(shi)放(fang)，用粘(zhan)貼(tie)在(zai)測點位(wei)置(zhi)的(de)電(dian)阻應變片測出(chu)殘(can)余(yu)應(ying)力釋放(fang)後(hou)產生的(de)應(ying)變，最後(hou)用彈塑性(xing)力學(xue)原(yuan)理求(qiu)得(de)殘(can)余(yu)應(ying)力數據(ju)。
測試試件及儀器
儀器采(cai)用(yong)聚(ju)航科(ke)技生(sheng)產的(de)JHMK殘(can)余(yu)應(ying)力測試系統(tong)，由(you)JHYC靜態應變儀和JHZK專(zhuan)用(yong)鉆孔裝(zhuang)置組成，軟(ruan)件式操(cao)作，可(ke)實時(shi)顯示測試數據(ju)、保(bao)存(cun)數據(ju)。
表1中8個試件，材(cai)質均為(wei)304奧氏(shi)不銹(xiu)鋼(gang)，厚(hou)度(du)t=1mm。
表1 測試試件
試件號 直徑(jing) | 液壓(ya)成形 | 滾壓(ya)成形 |
固溶(rong)處(chu)理 | 未固(gu)溶(rong)處(chu)理 | 固溶(rong)處(chu)理 | 未固(gu)溶(rong)處(chu)理 |
DN400 | 1# | 2# | —— | —— |
DN600 | 3# | 4# | 5# | 6# |
DN800 | —— | —— | 7# | 8# |
測試結果及(ji)分析
假設(she)材(cai)料為(wei)各向同性，材(cai)料的(de)彈(dan)性模量E=193000MPa，固溶(rong)處(chu)理過(guo)的(de)波(bo)紋(wen)管，μ=0.3；未(wei)經(jing)過(guo)固溶(rong)處(chu)理的(de)波(bo)紋(wen)管，取μ=0.5。應(ying)變片相(xiang)應的(de)參(can)數為(wei)：a=1mm，r1=2mm，r2=4mm。由(you)以上(shang)數據(ju)，計算(suan)出(chu)釋(shi)放(fang)系數為(wei)：對(dui)成形態，A=-4.4875mm2/N，B=-10.8282mm2/N；對(dui)固(gu)溶(rong)態A=-4.2098mm2/N，B=-11.1116mm2/N。因為(wei)當(dang)殘(can)余(yu)應(ying)力超過材(cai)料屈(qu)服(fu)極限的(de)1/2時(shi)，鉆孔後(hou)會(hui)在(zai)孔邊(bian)造成應力集中，引起孔邊(bian)材(cai)料發(fa)生塑性(xing)變形。此(ci)時，應(ying)變片不僅(jin)記(ji)錄了由(you)殘(can)余(yu)應(ying)力引起的(de)應(ying)變，還記(ji)錄了材(cai)料發(fa)生塑性(xing)變形而(er)產生(sheng)的(de)應(ying)變εp。因此(ci)，計算(suan)結果偏(pian)大，必須進行修(xiu)正。試(shi)驗中采(cai)用簡(jian)便的(de)應(ying)變釋放(fang)系數分級計算(suan)法(fa)，由(you)首次計算(suan)出(chu)的(de)主應(ying)力(li)σ1和σ2中的(de)絕(jue)對(dui)值(zhi)大(da)多(duo)決(jue)定(ding)修(xiu)正計算(suan)時所選(xuan)擇(ze)的(de)釋(shi)放(fang)系數A、B的(de)級別(bie)。計算(suan)過程(cheng)采用計算(suan)機編(bian)程(cheng)，力求計算(suan)結果準(zhun)確(que)無誤，見圖(tu)1。
圖1固溶(rong)處(chu)理前(qian)後(hou)的(de)殘(can)余(yu)應(ying)力比較(jiao)
圖1中測點的(de)位(wei)置(zhi)符(fu)號，第壹(yi)個數字代表的(de)是(shi)第幾(ji)個波峰或波谷(gu)；第二個字母，F代表波峰(feng)，G代(dai)表波谷(gu)；第三(san)個數代表該點在(zai)波(bo)峰或波谷(gu)上(shang)所處(chu)的(de)角(jiao)度(du)（圖(tu)2）。
圖2殘(can)余(yu)應(ying)力測點方(fang)位(wei)示意(yi)圖(tu)
圖1中（a）-（h）為(wei)兩兩尺(chi)寸相(xiang)同的(de)4組試件，固溶(rong)處(chu)理前(qian)後(hou)，兩試件主應(ying)力(li)σ1和σ2的(de)對(dui)比(bi)圖(tu)。由(you)於(yu)測定的(de)試(shi)件取自不(bu)同(tong)的(de)尺(chi)寸和成形工藝(yi)，因此測試結果反(fan)映(ying)的(de)規(gui)律具(ju)有(you)壹(yi)定(ding)的(de)普(pu)遍(bian)意(yi)義(yi)。
殘(can)余(yu)應(ying)力的(de)極限是材(cai)料的(de)屈(qu)服(fu)強度(du)，雖然對(dui)圖(tu)1中壹(yi)些測點進行修(xiu)正，但(dan)結(jie)果仍(reng)然偏(pian)大。其(qi)主要(yao)原(yuan)因是(shi)這些點本身(shen)的(de)殘(can)余(yu)應(ying)力增大，鉆(zuan)孔後(hou)孔邊(bian)由(you)於(yu)應力(li)集中而(er)發(fa)生了(le)局部的(de)塑性(xing)變形，產(chan)生了(le)附(fu)加應(ying)變εp，使計算(suan)結果偏(pian)大。另(ling)外，試(shi)驗誤差(cha)也是導(dao)致結(jie)果偏(pian)大的(de)壹(yi)個原(yuan)因。
分析圖(tu)1中（a）-（h），反(fan)映(ying)了以下三(san)點情況(kuang)：
1. 固溶(rong)處(chu)理前(qian)的(de)試(shi)件，其(qi)波(bo)峰(feng)處(chu)的(de)最大(da)主應(ying)力(li)σ1均為(wei)拉應(ying)力，波(bo)谷處(chu)則有(you)拉(la)應(ying)力(li)，也有(you)壓(ya)應力(li)；而(er)固溶(rong)處(chu)理後(hou)的(de)試(shi)件，波峰(feng)、波谷(gu)處(chu)的(de)最大(da)主應(ying)力(li)σ1均為(wei)壓(ya)應力(li)。從表2可看(kan)出(chu)，對(dui)於(yu)固溶(rong)處(chu)理前(qian)的(de)波(bo)紋(wen)管，波(bo)峰處(chu)的(de)σ1為(wei)正值(zhi)，且成形工藝(yi)相(xiang)同時(shi)，直徑(jing)大(da)的(de)殘(can)余(yu)應(ying)力小，直徑(jing)小的(de)殘(can)余(yu)應(ying)力大；比較(jiao)不(bu)同(tong)成形工藝(yi)的(de)試(shi)件，滾壓(ya)成形的(de)波(bo)紋(wen)管比(bi)液壓(ya)成形的(de)波(bo)紋(wen)管殘(can)余(yu)應(ying)力增大了(le)約(yue)40%。固溶(rong)處(chu)理之(zhi)後(hou)，不同尺(chi)寸及(ji)成形工藝(yi)的(de)波(bo)紋(wen)管，最大(da)主應(ying)力(li)σ1均為(wei)負值(zhi)，且大(da)小相(xiang)近。其(qi)絕(jue)對(dui)值(zhi)比(bi)固(gu)溶(rong)處(chu)理前(qian)有(you)所降(jiang)低，直徑(jing)越(yue)小，降(jiang)低越(yue)多(duo)，滾壓(ya)比液(ye)壓(ya)下降快。
表2 波紋(wen)管波(bo)峰處(chu)的(de)σ1平均值
應力(li) 狀(zhuang)態 | 固溶(rong)處(chu)理前(qian) | 固溶(rong)處(chu)理後(hou) |
DN400/液壓(ya) | 338.6 | -143.6 |
DN600/液壓(ya) | 217.9 | -176.7 |
DN600/滾壓(ya) | 311.8 | -182.3 |
DN800/滾壓(ya) | 187.8 | -174.7 |
2.所有(you)試(shi)件測點的(de)主應(ying)力(li)σ2基本(ben)為(wei)壓(ya)應力(li)。固溶(rong)處(chu)理前(qian)的(de)試(shi)件，其(qi)主應(ying)力(li)σ2的(de)絕(jue)對(dui)值(zhi)大(da)小相(xiang)近。固(gu)溶(rong)處(chu)理後(hou)σ2仍(reng)為(wei)壓(ya)應力(li)，但(dan)絕(jue)對(dui)值(zhi)有(you)所增(zeng)大(da)。
3.所有(you)測點主應(ying)力(li)σ1的(de)方(fang)向與波(bo)紋(wen)管的(de)軸(zhou)線(xian)方(fang)向基本壹致(zhi)。
結論(lun)
1. 固溶(rong)處(chu)理後(hou)波紋(wen)管殘(can)余(yu)應(ying)力並未消除，但(dan)最大(da)主應(ying)力(li)σ1方(fang)向發(fa)生了(le)變化。這是因為(wei)在(zai)固(gu)溶(rong)處(chu)理的(de)空(kong)冷階(jie)段(duan)，波峰(feng)、波(bo)谷(gu)在(zai)冷(leng)卻過程(cheng)中，收(shou)縮量(liang)不(bu)成比例，相(xiang)互(hu)制約(yue)，在(zai)波(bo)紋(wen)管中重(zhong)新形成了熱(re)處(chu)理殘(can)余(yu)應(ying)力的(de)緣故。
2. 對(dui)於(yu)成型後(hou)未經(jing)過(guo)固溶(rong)處(chu)理的(de)波(bo)紋(wen)管，直徑(jing)小的(de)殘(can)余(yu)應(ying)力相(xiang)對(dui)較(jiao)大(da)，直徑(jing)大(da)的(de)殘(can)余(yu)應(ying)力較(jiao)小；滾(gun)壓(ya)成形的(de)波(bo)紋(wen)管，其(qi)殘(can)余(yu)應(ying)力約是液(ye)壓(ya)成形波紋(wen)管的(de)1.4倍。
3. 殘(can)余(yu)應(ying)力的(de)主應(ying)力(li)方(fang)向與波(bo)紋(wen)管的(de)軸(zhou)線(xian)方(fang)向基本壹致(zhi)。這導致了波(bo)紋(wen)管應(ying)力腐(fu)蝕沿周向開裂(lie)。
4. 固溶(rong)處(chu)理有(you)利(li)於(yu)提(ti)高波(bo)紋(wen)管的(de)抗應(ying)力腐蝕性能(neng)，波紋(wen)管應(ying)力腐(fu)蝕只發(fa)生在(zai)拉(la)應力參(can)與的(de)情(qing)況下，而(er)試驗中波(bo)紋(wen)管殘(can)余(yu)應(ying)力的(de)最大(da)主應(ying)力(li)，在(zai)固(gu)溶(rong)處(chu)理後(hou)由(you)拉應力(li)轉(zhuan)變成壓(ya)應力(li)，因而(er)阻止(zhi)了應力腐蝕的(de)發(fa)生.
