張全厚，錢 江，宋林紅，張文良，李 敏

（沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，沈陽 110000）

0 引言

金屬波紋管具有良好的伸縮性，能適應(yīng)高溫、高壓工況等優(yōu)異性能，越來越多的閥門企業(yè)選擇采用金屬波紋管作為閥門動(dòng)密封的關(guān)鍵零部件［1］。閥門用波紋管失效形式較多，如波紋管強(qiáng)度不夠引起波紋管失穩(wěn)，導(dǎo)致壽命降低引起失效［2］，腐蝕環(huán)境下波紋管材料發(fā)生晶間腐蝕引起波紋管失效等［3］。但波紋管在閥門應(yīng)用領(lǐng)域最多的還是疲勞失效［4］。以往各專家學(xué)者們對(duì)波紋管疲勞失效研究都是在常溫工況下進(jìn)行的［5-11］，高溫環(huán)境閥用波紋管疲勞失效目前還沒有學(xué)者進(jìn)行相應(yīng)的研究。黃澤好等［12］在研究汽車排氣歧管時(shí)考慮了溫度對(duì)波紋管疲勞壽命的影響，但研究方法是采用有限元進(jìn)行的并沒有進(jìn)行試驗(yàn)研究因此其結(jié)果準(zhǔn)確性有待商榷，而且波紋管使用工況壓力較低，與閥用波紋管使用工況相差較大。在核電、化工、航天等領(lǐng)域，波紋管工作環(huán)境大多處在高溫高壓環(huán)境。為此本文以波紋管制造常用材料316L為基礎(chǔ)對(duì)閥用波紋管進(jìn)行高溫疲勞壽命預(yù)測(cè)，為波紋管設(shè)計(jì)提供一種有效方法。

1 波紋管疲勞壽命預(yù)測(cè)有限元分析

波紋管設(shè)計(jì)常用方法為有限元計(jì)算方法和工程試驗(yàn)方法，采用有限元法對(duì)波紋管進(jìn)行設(shè)計(jì)能夠減小設(shè)計(jì)周期、減少設(shè)計(jì)成本。為此本文以某閥門企業(yè)用戶提出的高溫高壓波紋管為研究對(duì)象，對(duì)波紋管的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。波紋管參數(shù)見如表1。

表1 波紋管參數(shù)Tab.1 Bellows parameters

閥門用波紋管設(shè)計(jì)壽命一般較低，如核電用截止閥及閘閥一般設(shè)計(jì)壽命大于2 000次即可［12］。所以波紋管疲勞失效形式為低周疲勞失效，仿真疲勞參數(shù)［13］見表 2。

表2 316L疲勞參數(shù)Tab.2 316L fatigue parameters

由于液壓成型波紋管成型后壁厚會(huì)有所減薄，因此仿真計(jì)算時(shí)應(yīng)該考慮壁厚變化對(duì)波紋管疲勞壽命的影響。國內(nèi)學(xué)者［2，14］對(duì)波紋管壁厚減薄處理方式多采用EJMA標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式進(jìn)行壁厚修正。但運(yùn)用該方法對(duì)波紋管進(jìn)行剛度、疲勞壽命仿真計(jì)算時(shí)與以往試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算誤差較大。本文對(duì)壁厚減薄處理方式為，采用仿真結(jié)果與以往試驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配，然后利用相關(guān)變量對(duì)壁厚進(jìn)行擬合計(jì)算，本次仿真計(jì)算壁厚減薄率為21%。波紋管設(shè)計(jì)條件為低周疲勞，運(yùn)行過程中部分材料會(huì)進(jìn)入塑性，對(duì)于316L材料的真應(yīng)力應(yīng)變曲線采用本公司以往的試驗(yàn)數(shù)據(jù)［15］進(jìn)行材料定義。波紋管壁厚減薄后，會(huì)引起加工硬化現(xiàn)象，當(dāng)波紋管外徑與內(nèi)徑比值較小時(shí)，300系列不銹鋼波紋管采用陳曄等［16］提出的計(jì)算方法取屈服強(qiáng)度時(shí)，能夠得到比較滿意的仿真結(jié)果。但本文計(jì)算的波紋管外徑與內(nèi)徑比值已經(jīng)超過1.5，運(yùn)用文獻(xiàn)［16］計(jì)算的波紋管屈服強(qiáng)度達(dá)到700 MPa，這一數(shù)值已經(jīng)超過了材料本身的抗拉強(qiáng)度值。顯然取值是不合理的。為此本文對(duì)材料仿真屈服強(qiáng)度取值的處理方法是結(jié)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，利用拉伸試件體積不變，利用壁厚減薄量與總應(yīng)變的關(guān)系曲線確定屈服強(qiáng)度值為500 MPa左右。316L材料在350 ℃高溫下的屈服強(qiáng)度是參考文獻(xiàn)［17］中304屈服強(qiáng)度隨溫度變化規(guī)律近似計(jì)算為300 MPa。仿真設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 仿真參數(shù)Tab.3 Simulation parameters

鑒于Ansys Workbench在疲勞計(jì)算中的成功應(yīng)用［18-19］，為此采用相同計(jì)算軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。波紋管模型為軸對(duì)稱圖形，為了減少計(jì)算量采用二維模型進(jìn)行仿真計(jì)算。波紋管網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分Fig.1 Meshing diagram

波紋管仿真過程中涉及材料非線性、幾何非線性、接觸非線性，對(duì)于材料非線性參考文獻(xiàn)［15］中316L真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行材料定義，通過開啟大變形開關(guān)解決幾何非線性問題，根據(jù)公司以往對(duì)波紋管的刨切試驗(yàn)及波紋管應(yīng)用在高壓環(huán)境的背景下，采用不分離接觸模型更為合理。由于材料不同溫度下的疲勞仿真參數(shù)很難獲取，同時(shí)考慮保守設(shè)計(jì)思想。因此不考慮波紋管的熱固耦合計(jì)算，采取波紋管各層之間溫度均為恒定350 ℃進(jìn)行仿真計(jì)算。在高溫環(huán)境進(jìn)行疲勞仿真計(jì)算，平均應(yīng)力修正方法采用SWT法修正更為合理，疲勞強(qiáng)度影響系數(shù)設(shè)為0.8。經(jīng)過計(jì)算得波紋管疲勞壽命分布云圖如圖2所示。

圖2 壽命（350 ℃）分布云圖Fig.2 Life distribution nephogram（350 ℃）

從圖2可知，波紋管壽命最小為5 924次，由于外壓工況，環(huán)板段向內(nèi)壓縮造成波峰位置及波峰與環(huán)板段連接處的應(yīng)力較大導(dǎo)致該區(qū)域壽命較低。所以和內(nèi)壓工況下不同，波紋管在外壓工況下工作，波峰及波峰與環(huán)板段連接處是疲勞的敏感區(qū)。這和文獻(xiàn)［20-21］研究結(jié)論比較一致。通過仿真計(jì)算該波紋管幾何參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

2 波紋管疲勞壽命試驗(yàn)

國內(nèi)目前無法采購到合適的試驗(yàn)裝置進(jìn)行高溫高壓波紋管疲勞試驗(yàn)。為了滿足波紋管的試驗(yàn)條件，研制了一種可以提供不同溫度和不同壓力工況下的波紋管疲勞試驗(yàn)裝置。該裝置包含試驗(yàn)平臺(tái)及壓力系統(tǒng)。疲勞試驗(yàn)裝置如圖3所示。試驗(yàn)平臺(tái)的輸出端上設(shè)有連桿，試驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)有頂部開口的保溫部，保溫部?jī)?nèi)設(shè)有頂部開口的釜體，釜體內(nèi)設(shè)有與溫度傳感器，保溫部與釜體之間的隔層內(nèi)設(shè)有加熱部，壓力系統(tǒng)通過進(jìn)液管與釜體相連，進(jìn)液管上設(shè)有與控制系統(tǒng)相連的壓力傳感器；釜體頂部通過中央心設(shè)有貫通孔的釜蓋密封，釜蓋的貫通孔通過壓蓋法蘭密封，釜蓋的貫通孔內(nèi)設(shè)有石墨盤根；釜體與釜蓋之間設(shè)有試驗(yàn)法蘭，試驗(yàn)法蘭與釜體之間設(shè)有第一纏繞墊，試驗(yàn)法蘭與釜蓋之間設(shè)有第二纏繞墊；連桿伸入到釜體內(nèi)。

圖3 疲勞試驗(yàn)裝置示意Fig.3 Schematic diagram of fatigue test device

通過壓力系統(tǒng)控制釜體內(nèi)的壓力，通過加熱部控制釜體內(nèi)的介質(zhì)溫度。由連桿驅(qū)動(dòng)金屬波紋管作軸向拉伸與壓縮運(yùn)動(dòng)，通過控制系統(tǒng)控制壓力系統(tǒng)控制釜體內(nèi)的壓力，由進(jìn)液管上的壓力傳感器將壓力數(shù)據(jù)傳回控制系統(tǒng)；由釜體內(nèi)的溫度傳感器將釜體內(nèi)的溫度數(shù)值傳回控制系統(tǒng)。從而實(shí)現(xiàn)了金屬波紋管在不同溫度、不同壓力、不同位移下的疲勞壽命試驗(yàn)。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)極限壓力42 MPa（常溫）、極限溫度400 ℃的金屬波紋管疲勞壽命試驗(yàn)，并可針對(duì)不同規(guī)格尺寸、不同工況的波紋管進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)。通過試驗(yàn)測(cè)試按照表1的位移量，在加載頻率30次/min、溫度354 ℃、外壓17.4 MPa工況下得到波紋管的疲勞壽命為5 881次。通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)檢測(cè)該波紋管能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

由于本次試驗(yàn)過程極為復(fù)雜，試驗(yàn)裝置升溫時(shí)間長，試驗(yàn)過程危險(xiǎn)性大，操作人員需要不間歇值守在設(shè)備旁，試驗(yàn)效率較低。為此想通過波紋管在較高外壓下進(jìn)行常溫疲勞試驗(yàn)代替高溫疲勞試驗(yàn)。以波紋管壽命接近為外壓試驗(yàn)條件。

3 波紋管常溫高壓仿真計(jì)算

波紋管在高溫環(huán)境下屈服強(qiáng)度減小是疲勞強(qiáng)度低的主要原因，即相同壓力下高溫環(huán)境波紋管更易進(jìn)入塑性階段。那么通過常溫下增大外壓強(qiáng)度也可以達(dá)到類似的試驗(yàn)條件，這樣就可以避免波紋管進(jìn)行高溫試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力的確定可以通過有限元法進(jìn)行仿真計(jì)算得出。圖4示出波紋管在外壓20，23，26 MPa常溫下的疲勞壽命云圖。通過仿真計(jì)算得到外壓26 MPa時(shí)波紋管的壽命為4 583次、外壓23 MPa時(shí)波紋管的疲勞壽命為6 099次，雖然23 MPa時(shí)仿真計(jì)算結(jié)果更接近高溫工況下的試驗(yàn)值，但由于是替代試驗(yàn)，因此安全系數(shù)略高為宜。因此選擇26 MPa外壓工況按表1位移進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。本次試驗(yàn)樣本為2個(gè)，通過試驗(yàn)測(cè)得的波紋管疲勞壽命分別為5 360次和5 571次。通過試驗(yàn)對(duì)比可以看出運(yùn)用常溫工況超壓條件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)是可以替代高溫疲勞試驗(yàn)的。

圖4 波紋管壽命分布云圖Fig.4 Distribution nephogram of bellows life

4 結(jié)論

（1）運(yùn)用有限元法對(duì)波紋管進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真參數(shù)和幾何模型進(jìn)行修正得到的仿真結(jié)果比較準(zhǔn)確。

（2）運(yùn)用本文設(shè)計(jì)的高溫疲勞試驗(yàn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)不同壓力、不同溫度工況下波紋管的疲勞試驗(yàn)要求。該裝置可以解決特殊用戶對(duì)波紋管型式試驗(yàn)的需求。

（3）通過有限元仿真計(jì)算確定的適宜外壓值在常溫下對(duì)波紋管進(jìn)行疲勞試驗(yàn)是可以替代波紋管高溫疲勞試驗(yàn)的。