高温工况阀用波纹管疲劳寿命有限元分析及试验研究

2021-05-11张全厚宋林红张文良

流体机械 2021年4期

张全厚，钱江，宋林红，张文良，李敏

（沈阳仪表科学研究院有限公司，沈阳 110000）

0 引言

金属波纹管具有良好的伸缩性，能适应高温、高压工况等优异性能，越来越多的阀门企业选择采用金属波纹管作为阀门动密封的关键零部件［1］。阀门用波纹管失效形式较多，如波纹管强度不够引起波纹管失稳，导致寿命降低引起失效［2］，腐蚀环境下波纹管材料发生晶间腐蚀引起波纹管失效等［3］。但波纹管在阀门应用领域最多的还是疲劳失效［4］。以往各专家学者们对波纹管疲劳失效研究都是在常温工况下进行的［5-11］，高温环境阀用波纹管疲劳失效目前还没有学者进行相应的研究。黄泽好等［12］在研究汽车排气歧管时考虑了温度对波纹管疲劳寿命的影响，但研究方法是采用有限元进行的并没有进行试验研究因此其结果准确性有待商榷，而且波纹管使用工况压力较低，与阀用波纹管使用工况相差较大。在核电、化工、航天等领域，波纹管工作环境大多处在高温高压环境。为此本文以波纹管制造常用材料316L为基础对阀用波纹管进行高温疲劳寿命预测，为波纹管设计提供一种有效方法。

1 波纹管疲劳寿命预测有限元分析

波纹管设计常用方法为有限元计算方法和工程试验方法，采用有限元法对波纹管进行设计能够减小设计周期、减少设计成本。为此本文以某阀门企业用户提出的高温高压波纹管为研究对象，对波纹管的疲劳寿命进行预测。波纹管参数见如表1。

表1 波纹管参数Tab.1 Bellows parameters

阀门用波纹管设计寿命一般较低，如核电用截止阀及闸阀一般设计寿命大于2 000次即可［12］。所以波纹管疲劳失效形式为低周疲劳失效，仿真疲劳参数［13］见表 2。

表2 316L疲劳参数Tab.2 316L fatigue parameters

由于液压成型波纹管成型后壁厚会有所减薄，因此仿真计算时应该考虑壁厚变化对波纹管疲劳寿命的影响。国内学者［2，14］对波纹管壁厚减薄处理方式多采用EJMA标准中的计算公式进行壁厚修正。但运用该方法对波纹管进行刚度、疲劳寿命仿真计算时与以往试验数据计算误差较大。本文对壁厚减薄处理方式为，采用仿真结果与以往试验数据相匹配，然后利用相关变量对壁厚进行拟合计算，本次仿真计算壁厚减薄率为21%。波纹管设计条件为低周疲劳，运行过程中部分材料会进入塑性，对于316L材料的真应力应变曲线采用本公司以往的试验数据［15］进行材料定义。波纹管壁厚减薄后，会引起加工硬化现象，当波纹管外径与内径比值较小时，300系列不锈钢波纹管采用陈晔等［16］提出的计算方法取屈服强度时，能够得到比较满意的仿真结果。但本文计算的波纹管外径与内径比值已经超过1.5，运用文献［16］计算的波纹管屈服强度达到700 MPa，这一数值已经超过了材料本身的抗拉强度值。显然取值是不合理的。为此本文对材料仿真屈服强度取值的处理方法是结合材料的应力应变曲线，利用拉伸试件体积不变，利用壁厚减薄量与总应变的关系曲线确定屈服强度值为500 MPa左右。316L材料在350 ℃高温下的屈服强度是参考文献［17］中304屈服强度随温度变化规律近似计算为300 MPa。仿真设计参数如表3所示。

表3 仿真参数Tab.3 Simulation parameters

鉴于Ansys Workbench在疲劳计算中的成功应用［18-19］，为此采用相同计算软件进行仿真计算。波纹管模型为轴对称图形，为了减少计算量采用二维模型进行仿真计算。波纹管网格划分结果如图1所示。

图1 网格划分Fig.1 Meshing diagram

波纹管仿真过程中涉及材料非线性、几何非线性、接触非线性，对于材料非线性参考文献［15］中316L真实应力应变曲线进行材料定义，通过开启大变形开关解决几何非线性问题，根据公司以往对波纹管的刨切试验及波纹管应用在高压环境的背景下，采用不分离接触模型更为合理。由于材料不同温度下的疲劳仿真参数很难获取，同时考虑保守设计思想。因此不考虑波纹管的热固耦合计算，采取波纹管各层之间温度均为恒定350 ℃进行仿真计算。在高温环境进行疲劳仿真计算，平均应力修正方法采用SWT法修正更为合理，疲劳强度影响系数设为0.8。经过计算得波纹管疲劳寿命分布云图如图2所示。

图2 寿命（350 ℃）分布云图Fig.2 Life distribution nephogram（350 ℃）

从图2可知，波纹管寿命最小为5 924次，由于外压工况，环板段向内压缩造成波峰位置及波峰与环板段连接处的应力较大导致该区域寿命较低。所以和内压工况下不同，波纹管在外压工况下工作，波峰及波峰与环板段连接处是疲劳的敏感区。这和文献［20-21］研究结论比较一致。通过仿真计算该波纹管几何参数满足设计要求。

2 波纹管疲劳寿命试验

国内目前无法采购到合适的试验装置进行高温高压波纹管疲劳试验。为了满足波纹管的试验条件，研制了一种可以提供不同温度和不同压力工况下的波纹管疲劳试验装置。该装置包含试验平台及压力系统。疲劳试验装置如图3所示。试验平台的输出端上设有连杆，试验平台上设有顶部开口的保温部，保温部内设有顶部开口的釜体，釜体内设有与温度传感器，保温部与釜体之间的隔层内设有加热部，压力系统通过进液管与釜体相连，进液管上设有与控制系统相连的压力传感器；釜体顶部通过中央心设有贯通孔的釜盖密封，釜盖的贯通孔通过压盖法兰密封，釜盖的贯通孔内设有石墨盘根；釜体与釜盖之间设有试验法兰，试验法兰与釜体之间设有第一缠绕垫，试验法兰与釜盖之间设有第二缠绕垫；连杆伸入到釜体内。

图3 疲劳试验装置示意Fig.3 Schematic diagram of fatigue test device

通过压力系统控制釜体内的压力，通过加热部控制釜体内的介质温度。由连杆驱动金属波纹管作轴向拉伸与压缩运动，通过控制系统控制压力系统控制釜体内的压力，由进液管上的压力传感器将压力数据传回控制系统；由釜体内的温度传感器将釜体内的温度数值传回控制系统。从而实现了金属波纹管在不同温度、不同压力、不同位移下的疲劳寿命试验。该装置能够实现极限压力42 MPa（常温）、极限温度400 ℃的金属波纹管疲劳寿命试验，并可针对不同规格尺寸、不同工况的波纹管进行疲劳寿命试验。通过试验测试按照表1的位移量，在加载频率30次/min、温度354 ℃、外压17.4 MPa工况下得到波纹管的疲劳寿命为5 881次。通过仿真计算和试验检测该波纹管能够满足设计要求。

由于本次试验过程极为复杂，试验装置升温时间长，试验过程危险性大，操作人员需要不间歇值守在设备旁，试验效率较低。为此想通过波纹管在较高外压下进行常温疲劳试验代替高温疲劳试验。以波纹管寿命接近为外压试验条件。

3 波纹管常温高压仿真计算

波纹管在高温环境下屈服强度减小是疲劳强度低的主要原因，即相同压力下高温环境波纹管更易进入塑性阶段。那么通过常温下增大外压强度也可以达到类似的试验条件，这样就可以避免波纹管进行高温试验。试验压力的确定可以通过有限元法进行仿真计算得出。图4示出波纹管在外压20，23，26 MPa常温下的疲劳寿命云图。通过仿真计算得到外压26 MPa时波纹管的寿命为4 583次、外压23 MPa时波纹管的疲劳寿命为6 099次，虽然23 MPa时仿真计算结果更接近高温工况下的试验值，但由于是替代试验，因此安全系数略高为宜。因此选择26 MPa外压工况按表1位移进行疲劳试验。本次试验样本为2个，通过试验测得的波纹管疲劳寿命分别为5 360次和5 571次。通过试验对比可以看出运用常温工况超压条件进行疲劳试验是可以替代高温疲劳试验的。