波紋管固溶處理前后殘余應力測試與分析

波紋管膨脹節(jié)是管道位移補償?shù)囊环N重要形式，多用于石油、化工等行業(yè)。波紋管的成形多采用液壓、滾壓等方式，將卷成圓柱體的薄壁圓筒體通過冷擠壓的方式加工成波紋。由于金屬在成形過程中發(fā)生了不均勻塑性變形，成形后的金屬波紋管會產生很大的殘余應力。為了提高波紋管的防腐性能，需要對金屬波紋管進行固溶處理。為了研究金屬波紋管加工后殘余應力的大小，以及固溶處理對殘余應力的影響，本文對固溶處理前后的波紋管進行了殘余應力測試。

本次試驗采用盲孔法測量殘余應力，首先在波紋管測點處鉆孔，使該部位的殘余應力得以釋放，用粘貼在測點位置的電阻應變片測出殘余應力釋放后產生的應變，最后用彈塑性力學原理求得殘余應力數(shù)據(jù)。

測試試件及儀器

儀器采用聚航科技生產的JHMK殘余應力測試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應變儀和JHZK專用鉆孔裝置組成，軟件式操作，可實時顯示測試數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)。

表1中8個試件，材質均為304奧氏不銹鋼，厚度t=1mm。

表1 測試試件

測試結果及分析

假設材料為各向同性，材料的彈性模量E=193000MPa，固溶處理過的波紋管，μ=0.3；未經過固溶處理的波紋管，取μ=0.5。應變片相應的參數(shù)為：a=1mm，r₁=2mm，r₂=4mm。由以上數(shù)據(jù)，計算出釋放系數(shù)為：對成形態(tài)，A=-4.4875mm²/N，B=-10.8282mm²/N；對固溶態(tài)A=-4.2098mm²/N，B=-11.1116mm²/N。因為當殘余應力超過材料屈服極限的1/2時，鉆孔后會在孔邊造成應力集中，引起孔邊材料發(fā)生塑性變形。此時，應變片不僅記錄了由殘余應力引起的應變，還記錄了材料發(fā)生塑性變形而產生的應變ε_p。因此，計算結果偏大，必須進行修正。試驗中采用簡便的應變釋放系數(shù)分級計算法，由首次計算出的主應力σ₁和σ₂中的絕對值大多決定修正計算時所選擇的釋放系數(shù)A、B的級別。計算過程采用計算機編程，力求計算結果準確無誤，見圖1。

圖1固溶處理前后的殘余應力比較

圖1中測點的位置符號，第一個數(shù)字代表的是第幾個波峰或波谷；第二個字母，F(xiàn)代表波峰，G代表波谷；第三個數(shù)代表該點在波峰或波谷上所處的角度（圖2）。

圖2殘余應力測點方位示意圖

圖1中（a）-（h）為兩兩尺寸相同的4組試件，固溶處理前后，兩試件主應力σ₁和σ₂的對比圖。由于測定的試件取自不同的尺寸和成形工藝，因此測試結果反映的規(guī)律具有一定的普遍意義。

殘余應力的極限是材料的屈服強度，雖然對圖1中一些測點進行修正，但結果仍然偏大。其主要原因是這些點本身的殘余應力增大，鉆孔后孔邊由于應力集中而發(fā)生了局部的塑性變形，產生了附加應變ε_p，使計算結果偏大。另外，試驗誤差也是導致結果偏大的一個原因。

分析圖1中（a）-（h），反映了以下三點情況：

1. 固溶處理前的試件，其波峰處的最大主應力σ₁均為拉應力，波谷處則有拉應力，也有壓應力；而固溶處理后的試件，波峰、波谷處的最大主應力σ₁均為壓應力。從表2可看出，對于固溶處理前的波紋管，波峰處的σ₁為正值，且成形工藝相同時，直徑大的殘余應力小，直徑小的殘余應力大；比較不同成形工藝的試件，滾壓成形的波紋管比液壓成形的波紋管殘余應力增大了約40%。固溶處理之后，不同尺寸及成形工藝的波紋管，最大主應力σ₁均為負值，且大小相近。其絕對值比固溶處理前有所降低，直徑越小，降低越多，滾壓比液壓下降快。

表2 波紋管波峰處的σ₁平均值

2.所有試件測點的主應力σ₂基本為壓應力。固溶處理前的試件，其主應力σ₂的絕對值大小相近。固溶處理后σ₂仍為壓應力，但絕對值有所增大。

3.所有測點主應力σ₁的方向與波紋管的軸線方向基本一致。

結論

1. 固溶處理后波紋管殘余應力并未消除，但最大主應力σ₁方向發(fā)生了變化。這是因為在固溶處理的空冷階段，波峰、波谷在冷卻過程中，收縮量不成比例，相互制約，在波紋管中重新形成了熱處理殘余應力的緣故。

2. 對于成型后未經過固溶處理的波紋管，直徑小的殘余應力相對較大，直徑大的殘余應力較??；滾壓成形的波紋管，其殘余應力約是液壓成形波紋管的1.4倍。

3. 殘余應力的主應力方向與波紋管的軸線方向基本一致。這導致了波紋管應力腐蝕沿周向開裂。

4. 固溶處理有利于提高波紋管的抗應力腐蝕性能，波紋管應力腐蝕只發(fā)生在拉應力參與的情況下，而試驗中波紋管殘余應力的最大主應力，在固溶處理后由拉應力轉變成壓應力，因而阻止了應力腐蝕的發(fā)生.