压力容器O形金属密封环的回弹行为研究

2012-11-15蔡力勋江亚男

中国测试 2012年1期

姚博，蔡力勋，江亚男

（西南交通大学力学与工程学院，四川成都 610031）

0 引言

O形金属密封环位于上、下法兰之间，是压力容器的重要密封部件，其密封性能依赖于回弹量H和O形环的线载荷P。O形金属密封环回弹行为与压缩量和线载荷相关，基于回弹量预测的研究对压力容器的安全性能评价至关重要。已有工作[1-8]通过试验结合有限元分析对金属O形环回弹行为进行了研究，获得了变形与回弹行为的一些规律认识，但目前有关金属O形环回弹行为的预测尚不成熟。

该文依据回弹特性的实验与有限元分析，提出了一种回弹预测新模型，并采用304不锈钢、60Si2Mn钢和TA16合金3类典型材料对O形环回弹预测模型进行了试验验证。

1 研究条件

1.1 材料与试样

试验材料为304不锈钢、60Si2Mn钢和TA16合金，304不锈钢的化学成分（质量分数）为：C 0.062，Mn 1.12，P 0.023，S 0.018，Si 0.74，Ni 10.27，Cr 18.57；60Si2Mn 钢的化学成分为：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，余量为 Fe；TA16 合金的化学成分为：C 0.08，Si≤0.12，AI 1.8～2.52，Zr 2.0～3.0，N 0.04，Fe 0.25，H 0.006，O 0.15。

O形环管状试样的长度10 mm，共采用了9种规格试样，即 3种外径（D=8，10，12.5 mm），且每种外径包含3种不同壁厚尺寸，试样具体尺寸如表1所示。

表1 压扁-回弹短管试样主要参数

1.2 试验与研究方法

所有试验在美国MTS公司产MTS809（25 kN）电液伺服材料试验机上完成，试验机控制系统为TestStarⅡ，采用配套软件Test-Ware/SX实现试验加载及数据自动采集。试验机载荷传感器和应变引伸计精度为0.5级。

O形环管试样压扁试验设计为多级加载工况，即采用8级压缩比λ（λ=d/D，其中，d为最大压缩量，D为试样外径），分别为 4%，6%，8%，10%，12%，15%，18%和21%进行加载。加载采用位移控制，加载速率为0.01 mm/s，卸载采用载荷控制，每次卸载用时20 s。

O形环的回弹行为模拟采用商业有限元软件ANSYS 11.0以及接触分析方法进行。分析中采用平面应变网格模型，应用柔-柔接触分析方法。图1给出了刚柔接触的二维有限元计算模型，图2显示出O形环受压大变形时的凹陷现象，从而表明该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构选用 NLISO 模型，即：σ=k+R0εp+R∞[1-exp（-bεp）]，其中 ε=σ/E+εp，k，R0，R∞和 b 为材料常数，σ 和 εp分别是轴向应力和塑性应变[9-10]。NLISO模型的材料常数可由单轴拉伸试验获得，结果如表2所示。

图1 刚柔接触模型

图2 λ=21%时的试样凹陷现象

表2 试样NLISO模型参数表

2 O形环回弹量预测模型

根据试验和有限元计算结果，在不同压缩比d/D下，回弹比H/D和几何比D/t在一定范围内均符合线性律，由此提出了回弹量预测模型TSM（tube springback model），表达式为

式中，回弹量H是从最大压缩位置到0载荷位置的卸载位移，A1，A2，B1和 B2是材料常数，与 NLISO 模型中的 E、k、R0和 R∞相关。文献[4]研究表明，回弹量 H对NLISO模型中的常数b并不敏感。

3 O形环试样的回弹行为

3.1 试样的压缩响应

304不锈钢、60Si2Mn钢和TA16合金的薄壁试样在多级载荷工况下，载荷P和压缩比d/D的试验关系如图3所示。60Si2Mn钢的P-d/D关系明显高于304不锈钢和TA16合金，而TA16合金的P-d/D关系与304不锈钢接近。图4给出了各试样回弹量H、最大线载荷Pmax和压缩比d/D的试验关系。图4表明，回弹量H随压缩比d/D逐渐增加，TA16合金与60Si2Mn钢回弹量H较为接近，只是在压缩比d/D较低的时候差别稍大；TA16合金的回弹量为304不锈钢的2～3倍；同一压缩比下60Si2Mn钢的最大线载荷明显高于304不锈钢和TA16合金，且随压缩比的增加最大线载荷增加趋势明显；而304不锈钢最大线载荷略高于TA16合金，且随压缩比增加最大线载荷微增。可见，就化工、热能密封的耐腐蚀和高回弹性能要求而言，TA16材料是不错的选择，但若耐腐蚀要求不高时，60Si2Mn钢可提供高压缩接触力和高回弹性能。当腐蚀要求比较高时可用304不锈钢和TA16合金代替，二者线载荷相近，目前304不锈钢使用较多，TA16合金的使用则相对较少。由于TA16合金回弹量明显优于304不锈钢，建议使用TA16合金。

图3 载荷和压缩比的试验关系

图4 回弹量、最大线载荷和压缩比的试验关系

3.2 O形环的回弹预测

根据ANSYS有限元接触分析和TSM回弹预测模型，60Si2Mn钢的TSM模型参数为：A1=0.006 26，B1=0.001 09，A2=0.014 3 和 B2=0.006 80；304 不锈钢的TSM 模型系数为：A1=0.001 85，B1=0.000 521，A2=0.0115和B2=0.00241；TA16合金的TSM模型系数为：A1=0.0041，B1=0.0016，A2=0.019 和 B2=0.0028。

图5给出了304不锈钢、60Si2Mn钢和TA16合金试样的回弹试验结果和该文提出的TSM模型回弹预测结果。图5表明，回弹比和几何比呈线性变化关系且随着压缩比的增加回弹量增加，TSM的回弹预测结果与实验结果较为符合。进一步分析表明，当d/D在4%~20%变化时，基于TSM模型的60Si2Mn钢的试验结果和有限元分析的预测结果的误差是12.9%~4.42%，304不锈钢和TA16合金的TSM回弹预测误差均不超过12%。如果数据只来源于有限元分析，这3种材料的TSM回弹预测结果与有限元分析结果误差均小于5%。因此，新的TSM预测模型可用于压力容器密封性安全的预测。