高溫工況閥用波紋管疲勞壽命有限元分析及試驗研究

張全厚，錢 江，宋林紅，張文良，李 敏

（沈陽儀表科學研究院有限公司，沈陽 110000）

0 引言

金屬波紋管具有良好的伸縮性，能適應高溫、高壓工況等優異性能，越來越多的閥門企業選擇采用金屬波紋管作為閥門動密封的關鍵零部件［1］。閥門用波紋管失效形式較多，如波紋管強度不夠引起波紋管失穩，導致壽命降低引起失效［2］，腐蝕環境下波紋管材料發生晶間腐蝕引起波紋管失效等［3］。但波紋管在閥門應用領域最多的還是疲勞失效［4］。以往各專家學者們對波紋管疲勞失效研究都是在常溫工況下進行的［5-11］，高溫環境閥用波紋管疲勞失效目前還沒有學者進行相應的研究。黃澤好等［12］在研究汽車排氣歧管時考慮了溫度對波紋管疲勞壽命的影響，但研究方法是采用有限元進行的并沒有進行試驗研究因此其結果準確性有待商榷，而且波紋管使用工況壓力較低，與閥用波紋管使用工況相差較大。在核電、化工、航天等領域，波紋管工作環境大多處在高溫高壓環境。為此本文以波紋管制造常用材料316L為基礎對閥用波紋管進行高溫疲勞壽命預測，為波紋管設計提供一種有效方法。

1 波紋管疲勞壽命預測有限元分析

波紋管設計常用方法為有限元計算方法和工程試驗方法，采用有限元法對波紋管進行設計能夠減小設計周期、減少設計成本。為此本文以某閥門企業用戶提出的高溫高壓波紋管為研究對象，對波紋管的疲勞壽命進行預測。波紋管參數見如表1。

表1 波紋管參數Tab.1 Bellows parameters

閥門用波紋管設計壽命一般較低，如核電用截止閥及閘閥一般設計壽命大于2 000次即可［12］。所以波紋管疲勞失效形式為低周疲勞失效，仿真疲勞參數［13］見表 2。

表2 316L疲勞參數Tab.2 316L fatigue parameters

由于液壓成型波紋管成型后壁厚會有所減薄，因此仿真計算時應該考慮壁厚變化對波紋管疲勞壽命的影響。國內學者［2，14］對波紋管壁厚減薄處理方式多采用EJMA標準中的計算公式進行壁厚修正。但運用該方法對波紋管進行剛度、疲勞壽命仿真計算時與以往試驗數據計算誤差較大。本文對壁厚減薄處理方式為，采用仿真結果與以往試驗數據相匹配，然后利用相關變量對壁厚進行擬合計算，本次仿真計算壁厚減薄率為21%。波紋管設計條件為低周疲勞，運行過程中部分材料會進入塑性，對于316L材料的真應力應變曲線采用本公司以往的試驗數據［15］進行材料定義。波紋管壁厚減薄后，會引起加工硬化現象，當波紋管外徑與內徑比值較小時，300系列不銹鋼波紋管采用陳曄等［16］提出的計算方法取屈服強度時，能夠得到比較滿意的仿真結果。但本文計算的波紋管外徑與內徑比值已經超過1.5，運用文獻［16］計算的波紋管屈服強度達到700 MPa，這一數值已經超過了材料本身的抗拉強度值。顯然取值是不合理的。為此本文對材料仿真屈服強度取值的處理方法是結合材料的應力應變曲線，利用拉伸試件體積不變，利用壁厚減薄量與總應變的關系曲線確定屈服強度值為500 MPa左右。316L材料在350 ℃高溫下的屈服強度是參考文獻［17］中304屈服強度隨溫度變化規律近似計算為300 MPa。仿真設計參數如表3所示。

表3 仿真參數Tab.3 Simulation parameters

鑒于Ansys Workbench在疲勞計算中的成功應用［18-19］，為此采用相同計算軟件進行仿真計算。波紋管模型為軸對稱圖形，為了減少計算量采用二維模型進行仿真計算。波紋管網格劃分結果如圖1所示。

圖1 網格劃分Fig.1 Meshing diagram

波紋管仿真過程中涉及材料非線性、幾何非線性、接觸非線性，對于材料非線性參考文獻［15］中316L真實應力應變曲線進行材料定義，通過開啟大變形開關解決幾何非線性問題，根據公司以往對波紋管的刨切試驗及波紋管應用在高壓環境的背景下，采用不分離接觸模型更為合理。由于材料不同溫度下的疲勞仿真參數很難獲取，同時考慮保守設計思想。因此不考慮波紋管的熱固耦合計算，采取波紋管各層之間溫度均為恒定350 ℃進行仿真計算。在高溫環境進行疲勞仿真計算，平均應力修正方法采用SWT法修正更為合理，疲勞強度影響系數設為0.8。經過計算得波紋管疲勞壽命分布云圖如圖2所示。

圖2 壽命（350 ℃）分布云圖Fig.2 Life distribution nephogram（350 ℃）

從圖2可知，波紋管壽命最小為5 924次，由于外壓工況，環板段向內壓縮造成波峰位置及波峰與環板段連接處的應力較大導致該區域壽命較低。所以和內壓工況下不同，波紋管在外壓工況下工作，波峰及波峰與環板段連接處是疲勞的敏感區。這和文獻［20-21］研究結論比較一致。通過仿真計算該波紋管幾何參數滿足設計要求。

2 波紋管疲勞壽命試驗

國內目前無法采購到合適的試驗裝置進行高溫高壓波紋管疲勞試驗。為了滿足波紋管的試驗條件，研制了一種可以提供不同溫度和不同壓力工況下的波紋管疲勞試驗裝置。該裝置包含試驗平臺及壓力系統。疲勞試驗裝置如圖3所示。試驗平臺的輸出端上設有連桿，試驗平臺上設有頂部開口的保溫部，保溫部內設有頂部開口的釜體，釜體內設有與溫度傳感器，保溫部與釜體之間的隔層內設有加熱部，壓力系統通過進液管與釜體相連，進液管上設有與控制系統相連的壓力傳感器；釜體頂部通過中央心設有貫通孔的釜蓋密封，釜蓋的貫通孔通過壓蓋法蘭密封，釜蓋的貫通孔內設有石墨盤根；釜體與釜蓋之間設有試驗法蘭，試驗法蘭與釜體之間設有第一纏繞墊，試驗法蘭與釜蓋之間設有第二纏繞墊；連桿伸入到釜體內。

圖3 疲勞試驗裝置示意Fig.3 Schematic diagram of fatigue test device

通過壓力系統控制釜體內的壓力，通過加熱部控制釜體內的介質溫度。由連桿驅動金屬波紋管作軸向拉伸與壓縮運動，通過控制系統控制壓力系統控制釜體內的壓力，由進液管上的壓力傳感器將壓力數據傳回控制系統；由釜體內的溫度傳感器將釜體內的溫度數值傳回控制系統。從而實現了金屬波紋管在不同溫度、不同壓力、不同位移下的疲勞壽命試驗。該裝置能夠實現極限壓力42 MPa（常溫）、極限溫度400 ℃的金屬波紋管疲勞壽命試驗，并可針對不同規格尺寸、不同工況的波紋管進行疲勞壽命試驗。通過試驗測試按照表1的位移量，在加載頻率30次/min、溫度354 ℃、外壓17.4 MPa工況下得到波紋管的疲勞壽命為5 881次。通過仿真計算和試驗檢測該波紋管能夠滿足設計要求。

由于本次試驗過程極為復雜，試驗裝置升溫時間長，試驗過程危險性大，操作人員需要不間歇值守在設備旁，試驗效率較低。為此想通過波紋管在較高外壓下進行常溫疲勞試驗代替高溫疲勞試驗。以波紋管壽命接近為外壓試驗條件。

3 波紋管常溫高壓仿真計算

波紋管在高溫環境下屈服強度減小是疲勞強度低的主要原因，即相同壓力下高溫環境波紋管更易進入塑性階段。那么通過常溫下增大外壓強度也可以達到類似的試驗條件，這樣就可以避免波紋管進行高溫試驗。試驗壓力的確定可以通過有限元法進行仿真計算得出。圖4示出波紋管在外壓20，23，26 MPa常溫下的疲勞壽命云圖。通過仿真計算得到外壓26 MPa時波紋管的壽命為4 583次、外壓23 MPa時波紋管的疲勞壽命為6 099次，雖然23 MPa時仿真計算結果更接近高溫工況下的試驗值，但由于是替代試驗，因此安全系數略高為宜。因此選擇26 MPa外壓工況按表1位移進行疲勞試驗。本次試驗樣本為2個，通過試驗測得的波紋管疲勞壽命分別為5 360次和5 571次。通過試驗對比可以看出運用常溫工況超壓條件進行疲勞試驗是可以替代高溫疲勞試驗的。

圖4 波紋管壽命分布云圖Fig.4 Distribution nephogram of bellows life

4 結論

（1）運用有限元法對波紋管進行仿真計算時，通過大量試驗數據對仿真參數和幾何模型進行修正得到的仿真結果比較準確。

（2）運用本文設計的高溫疲勞試驗裝置能夠實現不同壓力、不同溫度工況下波紋管的疲勞試驗要求。該裝置可以解決特殊用戶對波紋管型式試驗的需求。

（3）通過有限元仿真計算確定的適宜外壓值在常溫下對波紋管進行疲勞試驗是可以替代波紋管高溫疲勞試驗的。