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波纹管设计疲劳寿命与稳定性及应力腐蚀的关系

众所周知,波纹管的设计主要考虑三个方面的因素:耐压强度、稳定性和疲劳性能。在国家标准和美国EJMA标准中,对这几方面的计算和评定都有明确的规定。
从多年的应用实践中,尤其是从一些波纹管失效分析中,感到标准中给出的关于稳定性的计算和评定方法不够全面;关于疲劳寿命也仅给出了比较粗的界限范围(平均疲劳寿命Nc在103~105适用)。有时,一个完全符合标准要求的产品,在实际使用时也会出现一些问题。如内压轴向型补偿器预变位状态在压力试验时波纹管易产生平面失稳,大直径外压轴向型补偿器全位移工作状态波纹管易产生周向失稳,小直径复式拉杆型补偿器、铰链型补偿器全位移工作状态易产生柱失稳。波纹管过大的变形不仅对其稳定性造成影响,变形引起的综合应力的增加,还会为应力腐蚀提供有利的环境条件。以下将就波纹管稳定性与疲劳寿命(单波补偿量)的关系及波纹管综合应力与应力腐蚀的关系进行简要分析。
a. 波纹管疲劳寿命与其综合应力
波纹管的补偿量取决与其疲劳寿命,要求的疲劳寿命越高,波纹管单波补偿量越小。为了降低成本,提高单波补偿量,有些生产厂家将波纹管的许用疲劳寿命降的很低。这样就导致由位移引起的波纹管子午向弯曲应力很大,综合应力很高,大大降低了波纹管的稳定性。表1给出了无加强U形波纹管许用疲劳寿命与子午向综合应力及单波补偿量之间的关系。
表1    波纹管许用疲劳寿命与综合应力及单波补偿量之间的关系

许用疲劳寿命[N](次)
5000
3000
2000
1000
500
200
100
综合应力σt(MPa)
902
988
1066
1224
1417
1741
2051
单波位移e(%)
70
80
90
100
120
150
175

关于表1的几点说明:
1) 综合应力σt为由位移和压力引起的波纹管子午向综合名义应力;
2) 波纹管平均疲劳寿命N=[N]×10;
3) 单波位移给出的是以许用寿命1000次为参照的参考值。
由表1可以清楚的看出,降低疲劳寿命可以大幅度的提高波纹管单波位移,但同时波纹管综合应力也有大幅度的提高,必将对波纹管的强度和稳定性造成较大的影响。
b. 波纹管的综合应力与其耐压强度
由标准中给出的波纹管平面稳定性和周向稳定性的计算方法和评定标准可以看出,其实二者反映的均为强度问题。当波纹管设计的许用寿命较低时,不仅其子午向综合应力较高,其环向应力也比较高,使得波纹管局部很快进入塑性,导致波纹管产生失稳。
对于内压波纹管,位移应力在波纹管波峰和波谷处形成塑性铰,再加上压力应力,波纹管很快产生平面失稳。这就是低疲劳寿命波纹管在位移条件下平面失稳压力远低于高疲劳寿命的波纹管的根本原因。例如在预变位状态下,即波纹管位移量为许用值的1/2时,一个许用疲劳寿命为200次的波纹管,尚未达到其允许设计压力时,已经产生平面失稳;许用疲劳寿命为1000次的波纹管,达到设计压力时,波纹管处于平面稳定状态,达到1.5倍设计压力时,波纹管处于临界失稳状态;许用疲劳寿命为2000次的波纹管达到设计压力1.5倍时,波纹管仍处于平面稳定状态。
 
外压波纹管从纵向剖面看,相当于一个受压力的拱梁,工作时波纹管处于拉伸状态,相当于拱梁降低了拱高,其抗失稳的能力自然降低。当波纹管单波位移过大时,波纹平直部分倾斜,使得波纹管波峰直径有缩小的趋势,但波峰圆环直径是确定的,为了协调变形,就会产生波峰塌陷,波纹管周向失稳。在国内外相应的标准中,关于位移对波纹管外压周向稳定性的影响均未涉及,有待于深入探讨。
综上所述,虽然至今为止在供热管网的应用过程中尚未发现由疲劳而引起的破坏,但波纹管过低的设计疲劳寿命,可能会导致灾难性的后果。
c. 补偿器位移与其柱稳定性
对于复式拉杆型和铰链型补偿器,横向位移是由波纹管角变位引起中间管段倾斜实现的。当波纹管产生角变位时,波纹管凸出侧承压面积大于凹陷侧承压面积,导致补偿器附加了一个横向力,较之轴向型补偿器更易产生柱失稳。显然波纹管单波位移越大,补偿器横向位移越大,越易产生柱失稳。
d. 波纹管综合应力与应力腐蚀
    过高的综合应力不仅会使波纹管局部很快进入塑性状态,导致波纹管的失稳,并且对应力腐蚀的影响也很大。同样条件下,波纹管应力越高其产生应力腐蚀的倾向越明显。如同一小室固定支架两端各装一个补偿器,一个补偿器补偿长度较长(为168m)管段的的热位移,另一个补偿器补偿长度较短(为120m)管段的热位移。补偿168m管段热伸长的补偿器已腐蚀泄漏,补偿120m管段热伸长的补偿器仅在波纹管内表面(与外部环境接触)有几个腐蚀坑。
 
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