工况环境下振动对波纹管疲劳性能的影响_郑霏.pdf

材料开发与应用2023 年 2 月文章编号:10031545(2023)01004807工况环境下振动对波纹管疲劳性能的影响郑霏，刘煜，王灵水，董志翔，刘鑫，鲁钰斌(中船双瑞(洛阳)特种装备股份有限公司，河南 洛阳 471000)摘要:研究了热网波纹管在工作应力、工作介质及工作温度等工况环境下系统振动对其疲劳性能的影响，采用显微组织分析、硬度分析、SEM 分析等手段对波纹管的失效情况进行了分析。结果表明:波纹管的疲劳裂纹从内、外表面两侧起裂，并向材料中心方向扩展至尖端相近时，发生瞬断，裂纹相接处呈韧性断裂。工况环境下振动对波纹管残余应力起到了一定的消除作用，并显著提升了波纹管的抗疲劳性能。关键词:波纹管;疲劳性能;振动中图分类号:TG306文献标识码:AEffect of Vibration on Fatigue Performance of Bellowsunder Working ConditionsZHENG Fei，LIU Yu，WANG Lingshui，DONG Zhixiang，LIU Xin，LU Yubin(CSSC Sunrui(Luoyang)Special Equiment Co，Ltd，Luoyang 471023，China)Abstract:Here is studied the influence of system vibration on the fatigue performance of bellows for thermal networks underworking conditions like working stress，working medium and working temperature The failure of the bellows is analyzed bymeans of microstucture analysis，hardness analysis and SEM The results show that the fatigue crack of the bellows initiates fromthe inner and outer surfaces，and when it expands to near the tip of the crack along the direction to the center of the material，the below fractures instantly The joint fracture shows ductile morphology Under the working condition，the vibration has a cer-tain effect on eliminating the residual stress of the bellows，and can significantly improve the fatigue properties of the bellowsKeywords:bellows;fatigue performance;vibration收稿日期:20220530作者简介:郑霏，男，1993 年生，硕士，主要从事新产品、新材料的研发。Email:cnzhengfei outlookcom引用格式:郑霏，刘煜，王灵水，等 工况环境下振动对波纹管疲劳性能的影响 J 材料开发与应用，2023，38(1):4854ZHENG F，LIU Y，WANG L S，et al Effect of vibration on fatigue performance of bellows under working conditions J Development and Application of Materials，2023，38(1):4854金属波纹管补偿器广泛应用于城镇供热等行业中，随着供热范围越来越大，波纹管补偿器在供热管网中的应用也越来越多，适用范围越来越广，波纹管一旦失效将产生严重后果。波纹管在供热管道中运行时处于复杂的工况环境之中，对于城镇供热工程而言，外压轴向式波纹管材质一般为 316L，设计压力通常在1625 MPa，温度通常维持在 90130。根据对北京、太原、天津等城市供热水质的调查结果，大部分管网的氯离子含量在 1050 mg/L，个别可达 150 mg/L。波纹管运行过程中渗入的雨雪水、污水、泥土等腐蚀性溶液在高温下蒸发浓缩，附着于波纹管内表面，使得波纹管局部处于高浓度的腐蚀环境中12。此外，管道在运行过程中并不是一直处于平稳的状态，也会受到管道振动的影响发生高频的位移应力变化34。供热波纹管的寿命受到多种因素的耦合影响，但目前针对热网波纹管在多工况耦合环境中的研究较为缺乏，尤其缺少将振动因素包含在内的研究方法和结果。根据文献 56 可知，振动84DOI:10.19515/ki.1003-1545.2023.01.002第 38 卷第 1 期郑霏，等:工况环境下振动对波纹管疲劳性能的影响具有一定消除残余应力的作用，常用于构件的残余应力消除，且振动后构件内应力不仅降低而且分布更加均匀。因此本研究将针对供热工程实际应用情况，考察振动在多因素耦合的工况环境下对波纹管疲劳寿命的影响。1试验11试验件设计根据 GB 127772019 金属波纹管膨胀节通用技术条件 的规定，选择外压轴向式单层波纹管，材质为热网波纹管常用的 316L，波纹管试验件的设计参数见表 1。12振动试验为了模拟外界干湿交替的工作环境，设计了如图 1 所示的试验装置。试验波纹管采用外压轴向单层结构，各由两个几何参数相同的波纹管串联组成，试验件外管的外部设有加热、保温及温度控制部件。外腔介质采用氯离子含量为 150mg/L 的 NaCl 溶液，为供热管道工作介质的峰值浓度。内腔介质采用 5%的 NaCl 溶液，每隔 15h 充满并保持 10 min 后将内腔中溶液排空。表 1波纹管试验件设计参数Table 1Design parameters of test parts of bellows设计温度T/设计压力P/MPa波根直D/mm层数 n单层厚度t/mm波距q/mm波高h/mm波数N/个设计补偿量 x/mm设计疲劳次数 Nc1151615911026244222200图 1试验装置示意图Fig 1Schematic diagram of the test device为了比较振动对波纹管性能的影响，设计了4 组波形参数、压力和位移完全相同的材质为316L 的试验件，在不同疲劳试验方式下进行对比试验。第 1 组波纹管试验件采用位移循环、无振动作为试验条件;第 2 组和第 3 组波纹管试验件先进行振动，然后进行位移循环试验，其中第 2组进行 500 万次振动，第 3 组进行 1 000 万次振动;第 4 组波纹管试验件位移循环和振动交替进行，即将 21 个位移循环和 119 万次振动作为一个周期。位移循环的试验速率 v=044 m/s，根据文献 78 选定振动频率为 35 Hz，振幅为003 mm。13微观组织与硬度检测采用 ZEISS Observer Z1m 金相显微镜检测试验件组织;采用 Wilson VH3300 显微硬度计检测试验件的硬度，试验力为 200 g，硬度值表示为HV02;采用 Quanta650 扫描电子显微镜进行裂纹形貌的表征。2试验结果21疲劳试验结果4 组试验均采用拉伸试验平台进行试验，为了进行对比分析，4 组试验件只在加载方式上有所区别，其他试验参数均相同。疲劳试验结果如表 2 所示。由表 2 可知，经过振动后的试验件疲劳次数高于未经振动的试验件疲劳次数，且振动 1 000 万次的试验件疲劳次数高于振动 500 万次的试验件疲劳次数。4 组试验件的安全系数均大于 GB/T 127772019 标准规定的最小设计安全系数。94材料开发与应用2023 年 2 月表 2疲劳试验结果Table 2Fatigue test results试件编号疲劳次数/次安全系数18304221 0805431 5007541 5547822波纹管失效部位将 4 组波纹管试验件解剖，解剖后示意图见图 2。从整体来看，上下两个波纹管的波形都比较均匀一致，无异常变形现象。将解剖后的波纹管进行渗透检测，裂纹位置和状态见图 3。图 3(a)为第 1 组波纹管试验件裂纹位置，出现在下方波纹管 1 波波谷位置。图3(b)为第 2 组波纹管试验件裂纹位置，与第 1 组一样，裂纹位置出现在下方波纹管 1 波波谷位置。第 3 组波纹管试验件的裂纹同样出现在了下方波纹管，此外，在焊缝位置波谷处也有一处细小裂纹(见图 3(c)、(d)。第 4 组波纹管试验件的裂纹出现在上方波纹管 3、4 波中间的波谷处(见图 3(e)。图 2波纹管连接示意图Fig 2Schematic diagram of bellows图 3波纹管试件裂纹位置Fig 3The crack positions of of specimens3讨论与分析当试验件进行疲劳试验时，相较于上方波纹管，下方波纹管波谷位置应力更大，尤其是上端波位置，靠近中间板，位移最多，应力最大，裂纹位置均产生于波纹管应力最大处。31显微组织和硬度分析为了比较振动对波纹管性能的影响，设置第05第 38 卷第 1 期郑霏，等:工况环境下振动对波纹管疲劳性能的影响0 组对照试样。第 0 组波纹管试验件不进行疲劳试验，第 2 组与第 3 组均为先进行振动再进行位移循环，因此只选择第 3 组进行分析，分别对第0、1、3、4 组波纹管取样，对从直边段到 2 波波峰之间共 8 处位置进行母材显微硬度的检测，具体位置见图 4 所示，检测结果见图 5。图 4显微硬度取样位置Fig 4Microhardness sampling positions由图 5 可以看出，不同波纹管试样中显微硬度的变化趋势一致，相同位置显微硬度测试结果图 5母材的显微硬度Fig 5Microhardness of the base material相近，与未进行疲劳试验的波纹管的硬度相比无明显差距，可见振动及位移循环对波纹管的显微硬度没有显著的影响。对第 0、1、3 组波纹管的直边、波谷和波峰进行金相组织检测，结果见图 6图 8。图 6第 0 组波纹管显微组织Fig 6The 0thgroup of microstructures of bellows specimens图 7第 1 组波纹管组织Fig 7Microstructures of bellows of the 1stgroup specimens与未进行疲劳试验的波纹管的金相组织相比，第 1 组和第 3 组的直边与波谷处的金相组织并未有明显的变化，孪晶带及滑移带的数量很少，塑性变形的迹象并不明显。但通过对比波峰处的金相组织发现，波纹管在无振动仅进行位移循环后，孪晶带与滑移带的数量并无显著增加，但加载振动后，虽然直边与波谷处仍无明显的塑性变形痕迹，但波峰处滑移带密度增加，表明振动会使波纹管中原本形变严重的部分发生微小的塑性变形，抵消了成形过程中因形变生成的残余应力。15材料开发与应用2023 年 2 月图 8第 3 组波纹管显微组织Fig 8Microstructures of bellows of the 3rdgroup specimens32扫描分析取波纹管裂纹试样，使用 10%磷酸溶液清洗表面油污及附着物，吹干后通过扫描电子显微镜对断口形貌进行观察，如图 9图 11 所示。左侧靠近外表面处的接触介质为供热热水，即 150mg/L 的 NaCl 溶液;右侧靠近内表面处的接触介质为渗入波纹管内的环境介质，即 5%的 NaCl溶液。图 9第 1 组裂纹断口微观形貌Fig 9Microstructure of cracks of the 1stgroup specimens由图 9图 11 可看出，本试验中波纹