公司產(chǎn)品通徑范圍從DN10--DN5000mm,壓力等級從0.1mpa--4.0mpa共十幾種系列波紋管設(shè)計采用EJMA<美國膨脹節(jié)制造商標(biāo)準(zhǔn)》第七版及GB/T1277--1999,GB16749--1997所*的設(shè)計方法合公司的工藝特點采用計算機(jī)輔助設(shè)計,波形結(jié)構(gòu)以U型多層為主,其產(chǎn)品具有補(bǔ)償量大,剛度值小,承壓能力高結(jié)構(gòu)緊湊等特點,對管道固定支座的推力較小。
波紋管膨脹節(jié)補(bǔ)償器:
金屬波紋管膨脹節(jié)是近十幾年來在我國廣泛應(yīng)用的一種管道補(bǔ)償構(gòu)件,特別在電力、石化、供熱、鋼鐵、城建等領(lǐng)域應(yīng)用。其作用是在動力或熱力管網(wǎng)中、設(shè)備和管路、設(shè)備與設(shè)備之間的連接中起補(bǔ)償作用,同時也承受系統(tǒng)壓力。波紋管膨脹節(jié)以它的軸向伸縮或角度變化來補(bǔ)償管或路系統(tǒng)設(shè)備因溫差(或機(jī)械運動)造成的位置移動,消除設(shè)備開車、停車或正常運行條件下的振動。采用波紋管膨脹節(jié)來補(bǔ)償這些管路的膨脹比傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法有明顯的優(yōu)點,波紋管膨脹節(jié)占地面積小、密封性能好、不易泄露、補(bǔ)償能力大。所以,近年來工廠的動力管網(wǎng)和城市的集中供熱管網(wǎng)中大量的使用波紋管膨脹節(jié)。
(1)波紋管補(bǔ)償器也稱伸縮節(jié)、膨脹節(jié),主要為保障管道安全運行,是一種撓性、薄壁、有橫向波紋的具有伸縮功能的器件,主要彈性元件為不銹鋼波紋管,依靠波紋管伸縮、彎曲來對管道進(jìn)行軸向、橫向、角向補(bǔ)償。其作用可以起到: 1.補(bǔ)償吸收管道軸向、橫向、角向熱變形。 2.吸收設(shè)備振動,減少設(shè)備振動對管道的影響。 3.吸收地震、地陷對管道的變形量。
波紋管補(bǔ)償器是由金屬波紋管與構(gòu)件組成。波紋管補(bǔ)償器的工作原理主要是利用自身的彈性伸縮功能,補(bǔ)償管道由于熱變形、機(jī)械變形和各種機(jī)械振動而產(chǎn)生的軸向、角向、側(cè)向及其組合位移,補(bǔ)償?shù)淖饔镁哂心蛪骸⒚芊狻⒛透g、耐溫度、耐沖擊、減振降噪的功能,起到降低管道變形和提高管道使用壽命的作用。
金屬波紋管補(bǔ)償器的設(shè)計、制造、安裝和運行管理等多個環(huán)節(jié)組成。因此可靠性也應(yīng)該從幾方面考慮。選擇在波紋管在供熱管網(wǎng)選擇使用的材料,除了它的工作效率,也應(yīng)考慮它的介質(zhì)、工作溫度和外部環(huán)境,我們也必須考慮到的應(yīng)力腐蝕,水處理劑,清洗管道的可能性影響材料,并在此基礎(chǔ)上,與波紋管材料,焊接,成型,材料成本和性能,指出了材料的經(jīng)濟(jì)和實際生產(chǎn)優(yōu)化波紋管。
在正常情況下,用金屬波紋管補(bǔ)償器材料應(yīng)當(dāng)符合下列條件:
1)高彈性極限,抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度,以確保波紋管工作。
2)良好的可塑性,以方便補(bǔ)償器成型加工,并通過隨后的處理過程(加工硬化,熱處理等),以獲得足夠的硬度和強(qiáng)度。
3)良好的耐腐蝕性能,以滿足波紋管的工作在不同的環(huán)境要求。
4)良好的焊接性能,以滿足在焊接工藝要求生產(chǎn)過程中波紋管。
波紋管補(bǔ)償器的應(yīng)用:
1、變形與變形量大而空間位置受到限制的管道。
2、變形與位移量大而工作壓力低的大直徑管道。
3、需要限制接管負(fù)載的設(shè)備。
4、要求吸收或隔離高頻機(jī)械震動的管道。
5、要求吸收地震或地基沉降的管道。
6、吸收管道泵出口震動。
(2)金屬波紋管種類:有碳鋼的,不銹鋼的,也有鋼質(zhì)襯朔的、鋁質(zhì)的等等,因其用途不同而選擇不同的金屬材料。因其材質(zhì)不同,故所加工制作的金屬波紋管性能及用途也有所不同。
材質(zhì)及特性:
黃銅波紋管 H80 H -60℃~+100℃ 彈性較低,遲滯和后效較大,釬焊性較好??捎糜诜歉g介質(zhì)和精度不高的儀器儀表中作為測量元件。
錫青銅波紋管 QSn6.5~0.1 X -60℃~+100℃ 彈性、強(qiáng)度和耐蝕均好,遲滯和彈性后效較小,釬焊性較好,廣泛用作測量元件。
鈹青銅波紋管 QBe2 P -60℃~+150℃ 具有很小的遲滯和彈性后效,很高的彈性穩(wěn)定性、耐腐蝕、無磁性。多用于高精度的測量儀表中。
不銹鋼波紋管 1Cr18Ni9Ti G -194℃~+400℃ 具有很高的彎曲疲勞強(qiáng)度和耐蝕性,焊接性能良好??捎米鞲g性介質(zhì)中的測量、密封、連接和補(bǔ)償元件。
作為敏感元件、減震元件、補(bǔ)償元件、密封元件、閥門元件及管路連接件的金屬波紋管,廣泛應(yīng)用于自動控制和測量儀表、真空技術(shù)、機(jī)械工業(yè)、電力工業(yè)、交通運輸及原子能工業(yè)等領(lǐng)域。
金屬波紋管是一種外形像規(guī)則的波浪樣的管材,主要由波紋管部分和兩端配合連接部分所組成,主要用于需要很小的彎曲半徑非同心軸向傳動,或者不規(guī)則轉(zhuǎn)彎、伸縮,或者吸收管道的熱變形等,或者不便于用固定彎頭安裝的場合做管道與管道的連接,或者管道與設(shè)備的連接使用。
金屬波紋管的主要技術(shù)參數(shù):
功能參數(shù)
它們是金屬波紋管類彈性元件的主要功能指標(biāo),是判定波紋管類組件能否應(yīng)用的重要判據(jù)。這類參數(shù)除給定一個額定值外,還要給定一個允差范圍(界限值),以保證彈性元件使用的可靠性。
質(zhì)量參數(shù)
在金屬波紋管類組件使用時并不涉及此類參數(shù),只有在彈性元件性能檢測與質(zhì)量評定時才直接測量這些參數(shù)。根據(jù)測試結(jié)果,來判定元件的功能、質(zhì)量、失效性和可靠程度。
載荷
作用在金屬波紋管及其它彈性元件上的各種預(yù)期的負(fù)荷值,如集中力F、壓力p 和力矩M 等。在金屬波紋管類彈性元件使用時,除給定施加的載荷值外,還須給定載荷的作用方向及作用位置。對于壓力載荷,還要說明彈性元件是承受內(nèi)腔壓力或外腔壓力。
公稱載荷
金屬波紋管及其它彈性元件在正常工作條件下允許使用的zui大載荷值或滿量程值。它通常是預(yù)期的設(shè)計值,或是對產(chǎn)品原型經(jīng)過實際檢測后再經(jīng)修定的設(shè)計值。
行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及國家的相關(guān)規(guī)定 :符合GBT9647-2003國家標(biāo)準(zhǔn)、《預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁用金屬波紋管》JG225-2007。
不銹鋼金屬波紋管管坯采用薄壁不銹鋼帶焊管進(jìn)行波形加工而成,是金屬軟管、波紋管、波紋管補(bǔ)償器、波紋管管坯、汽車排汽管、高壓膠管、電纜穿線管等管體*的配套產(chǎn)品,光亮柔軟,質(zhì)量可靠,規(guī)格齊全。產(chǎn)品耐腐蝕,外形光潔美觀,可提高軟管成品的承壓力、耐高低溫力,延長管體的使用壽命,降低成本,廣泛用于機(jī)械、化工、冶金、建筑等各行業(yè)。
預(yù)應(yīng)力金屬波紋管主要有兩種材質(zhì)組成,一種是黑色的鋼帶,一種是鍍鋅的鋼帶,應(yīng)用于公路橋梁、鐵路橋梁、建筑水利、電力等國家重點工程。預(yù)應(yīng)力金屬波紋管的加工工藝主要是用波紋管的機(jī)器加工,波浪形的端口,相互的咬合,一圈一圈的制作而成。
預(yù)應(yīng)力金屬波紋管的產(chǎn)品性能:
1、剛性試驗:抗集中載荷0.75KN或均布載荷1.5KN時,徑向變形≤0.1d。
2、抗?jié)B試驗:灌水或水灰比為0.5的水泥漿30分鐘無漏水、漏漿。
3、抗拉實驗:軸向拉力5KN管壁無損壞。
4、抗拔實驗:埋設(shè)在混凝土中抗拔力為地腳螺栓設(shè)計抗拔力為地腳螺栓設(shè)計抗拔力的2.3倍以上。
5、抗彎實驗:彎曲度為曲率半徑的30d時,無漏水、漏漿。
金屬波紋管的使用壽命:
是指在工作條件下使用時,能夠保證正常工作的zui短工作期限或循環(huán)次數(shù)。它的額定壽命是在產(chǎn)品設(shè)計時定出的預(yù)期使用壽命,要求在這段時期內(nèi)波紋管不允許出現(xiàn)疲勞、失效、損壞等現(xiàn)象。用波紋管組成的彈性密封系統(tǒng),經(jīng)常在承受較多循環(huán)次數(shù)的變動載荷和較大位移條件下工作,金屬波紋管的疲勞失效將使系統(tǒng)失效,因此保證波紋管的使用壽命具有重要意義。
傳統(tǒng)的壽命主要是利用EJMA標(biāo)準(zhǔn)中的經(jīng)驗公式進(jìn)行估算的方法來獲取。這種計算方法偏差很大,而且復(fù)雜工況下壽命往往只能靠安全系數(shù)來修正,不能很好地滿足工程應(yīng)用的需要,因此,需要找到一種更*的壽命分析方法來進(jìn)行金屬波紋管疲勞壽命分析。文中主要針對u型金屬波紋管的疲勞壽命分析來進(jìn)行研究。
1有限元分析方法和解決方案
MSC.Fatigue軟件是一個通用性很強(qiáng)的基于有限元分析結(jié)果的疲勞分析設(shè)計工具,可用來靈活地預(yù)測各種復(fù)雜零件和結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,能夠很好地預(yù)測出波紋管壽命次數(shù)。材料失效前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)不同,高于l0次的為高周疲勞區(qū),低于l0次的為低周疲勞區(qū)中,a,=10,a=10。JS表示應(yīng)變/?Y力,低周疲勞時縱坐標(biāo)為,高周疲勞時縱坐標(biāo)為S.高周疲勞主要用全壽命法進(jìn)行分析,而低周疲勞主要用初始裂紋法來進(jìn)行分析。波紋管的壽命次數(shù)一般在l0~l0次之間,一般同時采用全壽命法和初始裂紋法2種方法來進(jìn)行分析,然后取其zui小值。該次分析實例的疲勞壽命次數(shù)在l0次以內(nèi),只需采用初始裂紋法分析即可。初始裂紋分析方法通常是基于應(yīng)變壽命曲線(E—N曲線)理論來進(jìn)行壽命分析。S—N&E—N曲線在高周區(qū)域重合,因為名義應(yīng)力是線性的。E—N曲線可以用于低周疲勞區(qū),S—N曲線不能,因為線性應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系無效。
2疲勞分析模型的創(chuàng)建
波紋管疲勞失效指的是波紋管在特定載荷和工況下往復(fù)運動從而出現(xiàn)裂紋、破裂和泄漏等現(xiàn)象。以4層波紋管為例進(jìn)行壽命分析,材料為304SS(0Crl8Ni9),波紋數(shù)為9,幾何尺寸。
2.1讀入模型和前處理結(jié)果
在Fatigue軟件中,需要通過前處理軟件分析出波紋管的應(yīng)力和應(yīng)變分布結(jié)果,然后根據(jù)該結(jié)果進(jìn)行壽命分析。前處理過程的分析非常關(guān)鍵,一般應(yīng)力或應(yīng)變和真實值相差10%,壽命就會偏差50%一100%。文中采用二維軸對稱模型進(jìn)行分析,前處理軟件采用的是MSC.Mare,對波紋管施加內(nèi)壓至16.5MPa,然后保持不變,壓縮波紋管,位移為4mm.是讀入模型后的應(yīng)變結(jié)果圖.
在壓縮4mm和內(nèi)壓16.5MPa的共同作用下波紋管的zui大應(yīng)變?yōu)?.0534,波谷外層為應(yīng)變zui大的位置,以此為基礎(chǔ)進(jìn)行金屬波紋管疲勞壽命分析。
2.2設(shè)置疲勞分析參數(shù)
2.2.1總體設(shè)置.有限元軟件中的菜單命令A(yù)nalysis選用E—N方法Initia—tion;F.E.Results選用Strain作為主要失效形式。從一系列的LCF試驗中可以獲得應(yīng)變壽命的關(guān)系,它可以用Coffin-Manson-Basquin方程來描述。
為總體應(yīng)變;6pl為塑性應(yīng)變;6el為彈性應(yīng)變;s為疲勞延性系數(shù);Ⅳf為失數(shù)循環(huán)次數(shù);E為彈性模量;tf為疲勞強(qiáng)度系數(shù);b為疲勞強(qiáng)度指數(shù);c為疲勞延性指數(shù);s為應(yīng)變幅。
其中,Basquin指出高周疲勞,其疲勞壽命跟彈性應(yīng)變之間符合冪函數(shù)關(guān)系,Coffin和Manson對于低周疲勞和塑性應(yīng)變,得到同樣的結(jié)果,把兩者加在一起,就可以得到全應(yīng)變和疲勞壽命的關(guān)系(包括低周和高周疲勞).
2.2.2設(shè)置位移變化譜
波紋管在壽命試驗時,處于一個壓縮循環(huán)的過程中,故位移變化譜應(yīng)該為一個三角波,波峰位置為壓縮4mm時刻波紋管位移變化波譜.
2.2.3關(guān)聯(lián)有限元載荷工況與時間歷程
將波紋管壓縮4朋時刻的工況作為疲勞分析時的載荷工況,此時波紋管所承受的應(yīng)力和應(yīng)變均處于zui大時刻O需將隨時間變化的位移譜與有限元載荷工況關(guān)聯(lián)起來,從而模擬出波紋管往復(fù)壓縮4mm這一虛擬過程。
2.2.4設(shè)置材料信息
Fatigue軟件中提供了大量的材料數(shù)據(jù)庫,常用材料參數(shù)均可在里面獲取,對于特殊材料產(chǎn)品的壽命分析需要做相關(guān)材料的疲勞試驗,從而獲取對應(yīng)的s—N曲線和E—N曲線。由于該波紋管采用的材料為304SS,在Fatigue的材料數(shù)據(jù)庫中可以查到,直接調(diào)用即可,是304SS材料對應(yīng)的E—N曲線.
在選擇材料的同時,需選擇波紋管的表面光潔度和表面處理形式,使之與真實的環(huán)境更加接近。
2.2.5設(shè)置求解參數(shù)
分析方法選擇S—W—T方法,即Smith—WatsonTopper法,它是用一個包含每個循環(huán)的zui大應(yīng)力和應(yīng)變損傷參數(shù)來修正平均應(yīng)力,從而更加準(zhǔn)確的模擬出波紋管的疲勞過程。其力學(xué)模型為一s=(2Ⅳf)。+fsrf(2Ⅳf)¨。式中為zui大應(yīng)力。
基于該模型可知,S—W—T方法在受拉時趨于保守,在受壓時趨于非保守。
在Stress/Strain結(jié)合選項中可以根據(jù)該產(chǎn)品的主要失效形式來進(jìn)行選擇。分析中采用的是zui大主應(yīng)力和主應(yīng)變方式來進(jìn)行分析,它是對該類型波紋管壽命影響zui大的參數(shù)。
3計算結(jié)果
參數(shù)設(shè)置完之后進(jìn)行疲勞分析,然后調(diào)用所生成的結(jié)果,就可以在結(jié)果查看選項中讀取需要的疲勞結(jié)果??梢缘贸?,波紋管的zui小壽命為6080次,位于波谷的zui外層,而波紋管的波峰處大部分處于無限壽命區(qū)。在試驗驗證中,波紋管的裂紋主要產(chǎn)生在波谷處,軟件分析和試驗驗證的結(jié)果基本*。
4結(jié)論
根據(jù)應(yīng)變分析計算結(jié)果,*主應(yīng)變的極值位于波紋管波谷的外層,該部位應(yīng)是疲勞壽命的控制部位。采用MSC.Fatigue進(jìn)行疲勞分析,疲勞壽命分布圖,zui小壽命為6080次,也位于波紋管波谷的外層,與*主應(yīng)變的zui大位置相對應(yīng)。
金屬波紋管試驗驗證壽命為4000~5000次,在波谷處出現(xiàn)了裂紋,而波紋管的其他位置未發(fā)生損壞。金屬波紋管疲勞壽命軟件分析的結(jié)果與試驗驗證對比,誤差在20%一40%之間,且薄弱位置與試驗驗證*,精度大大高于經(jīng)驗公式的計算結(jié)果。
通過有限元來進(jìn)行波紋管疲勞分析能夠提供零部件表面的疲勞分布圖,可以在設(shè)計階段判斷零部件的疲勞壽命薄弱位置,通過修改設(shè)計,可以避免不合理的壽命分布。因此,有限元分析方法能夠減少試驗樣件的數(shù)量,縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,提高波紋管的設(shè)計水平,確保金屬波紋管的設(shè)計壽命。