原作者：孫見君
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【關(guān)鍵詞】直徑,U形膨脹節(jié),制造,計(jì)算公式 【論文摘要】簡要介紹了液壓成型大直徑無環(huán)焊縫U形膨脹節(jié)的方法，通過應(yīng)力分析，給出了液壓成型的加載內(nèi)壓計(jì)算公式。 |
中圖分類號(hào)：TE 973 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
Manufacture of major diameter circline weldless U-expansion joint
SUN Jian-jun
(Nanjing Chemical Engineering Junior College, Nanjing 210048,China)
Abstract:A manufacture method of a major diameter circline weldless U-expansion joint by hydrostratic forming is introduced,a calculation formula of loading with hydrostratic forming is given by stress analysis.
Key words:diameter; U-expansion joint; manufacture; calculation formula
符號(hào)說明
n——材料的應(yīng)變剛度指數(shù)
A——材料的基本強(qiáng)度常數(shù)，MPa
σθ——筒體周向應(yīng)力，MPa
σr——筒體徑向應(yīng)力，MPa
r0——筒體變形前平均直徑，mm
r——筒體變形后平均直徑，mm
t0——變形前壁厚，mm
p——筒內(nèi)液體壓力，MPa
pz——筒體軸向總載荷，MPa
εfi——失穩(wěn)應(yīng)變
εr——筒體徑向應(yīng)變
α——應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)
εo——材料的預(yù)應(yīng)變
σi——應(yīng)力強(qiáng)度
σz——筒體軸向應(yīng)力，MPa
t——變形后壁厚，mm
p1——軸向壓力，MPa
εθ——筒體周向應(yīng)變
εi——應(yīng)變強(qiáng)度
εz——筒體軸向應(yīng)變
U形膨脹節(jié)作為一種能自由伸縮的彈性補(bǔ)償元件，具有工作可靠、性能良好和結(jié)構(gòu)緊湊等多種優(yōu)點(diǎn)，已在石油化工、管道工程等*得到廣泛應(yīng)用。然而，由于制造水平的原因，目前化工設(shè)備上的U形膨脹節(jié)都存在波峰或波谷焊縫。當(dāng)U形膨脹節(jié)產(chǎn)生伸縮變形時(shí)，*徑向應(yīng)力發(fā)生在波峰或波谷處的環(huán)縫上［1］。文獻(xiàn)［2］～［3］表明，這些環(huán)縫的焊接質(zhì)量對(duì)U形膨脹節(jié)的壽命有著重要影響。因此，如何生產(chǎn)出一種無環(huán)縫U形膨脹節(jié)，提高壽命系數(shù)，成了科研單位和生產(chǎn)企業(yè)亟待解決的問題，特別是尋求一種制造大直徑無環(huán)縫U形膨脹節(jié)的方法，在石油化工生產(chǎn)不斷深化，生產(chǎn)條件不斷苛刻的今天，更有其現(xiàn)實(shí)意義。
1 無環(huán)縫U形膨脹節(jié)成型受力分析
在膨脹節(jié)液壓成型工藝過程中，成型時(shí)筒外設(shè)有模具，所以只限制膨脹節(jié)成型后波長，而不能限制波高，波高完全是由液壓決定的。為了防止出現(xiàn)管壁破裂并確定裝置的安全泄壓壓力，必須預(yù)先算出筒節(jié)能夠承受的極限壓力。對(duì)于由應(yīng)變硬化材料所制成的筒節(jié)，極限壓力就是當(dāng)管壁材料進(jìn)入塑性流動(dòng)狀態(tài)后，筒徑的增大及壁厚的減薄效應(yīng)抵消應(yīng)變硬化強(qiáng)化效應(yīng)時(shí)達(dá)到的壓力。這一壓力也稱為筒節(jié)的塑性失穩(wěn)壓力。
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圖1 內(nèi)筒受力分析模型 對(duì)于圖1所示模型，兩端封閉，筒內(nèi)充壓，軸向受壓力p1的作用，模型兩段的壓力互為獨(dú)立參數(shù)。加載后，平均半徑由r0變?yōu)閞，壁厚由t0變?yōu)閠，若忽略端頭效應(yīng)與徑向應(yīng)力，則有： σθ=pr／t （1） ?。?） σr=0 (3) εθ=ln(r/r0) (4) εz=－（εθ+εr） (5) εr=ln(t/t0) (6) 材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系： σi=A（εo+εi）n (7) 其中，A、εo、n為材料常數(shù)。在雙向拉應(yīng)力獨(dú)立作用下，即σθ≥σz＞0，σr=0，設(shè)α=σθ/σz，則有： ?。?） 當(dāng)εθ＞0時(shí)，筒徑擴(kuò)大而失穩(wěn)，即dp＝0，利用式(8)，可由式(1)寫成： （9） 對(duì)式(9)進(jìn)行微分，根據(jù)dp=0可得： 根據(jù)塑性穩(wěn)定理論［4］，可得失穩(wěn)應(yīng)變?yōu)椋?/P> ?。?0） 因此，成型過程中只要確定好應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)α，就可以根據(jù)式(9)確定加載內(nèi)壓的大小，同時(shí)根據(jù)式(4)～(6)也可以控制好U形膨脹節(jié)的波高。 2 制造工藝過程U形膨脹節(jié)成型裝置主要由水壓機(jī)、高壓柱塞泵及模具等組成。 2.1 準(zhǔn)備工作 將待成型膨脹節(jié)的筒節(jié)兩端焊上剛性鋼板。為保證筒節(jié)與平板間的焊接質(zhì)量，采用內(nèi)開坡口雙面焊。先在內(nèi)部焊接，然后在外部挑根焊滿。坡口夾角為45°±5°，鈍邊與上下剛性平板間隙為2～3 mm，為使筒節(jié)上下環(huán)縫與上下平板都能實(shí)現(xiàn)內(nèi)開坡口雙面焊，鈍邊厚度為2～3 mm，先采用一剛性環(huán)板與筒節(jié)焊接，再采用一圓形平板蓋在環(huán)板上，見圖2。*，將膨脹節(jié)模具安放在膨脹節(jié)成型筒節(jié)端部，兩模具之間裝上定距塊，以控制膨脹節(jié)波長。 |
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圖2 膨脹節(jié)坯料焊接結(jié)構(gòu) 2.2 膨脹節(jié)成型 有一D＝1 900 mm，t0＝6 mm，材料為1Cr18Ni9Ti的膨脹節(jié)，材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為： σi＝1 558（0．016＋εi）0．5 取應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)α＝0.8，根據(jù)式(10)得： 由式(7)得： σi＝1 558（0．016＋εi）0．5＝1 558（0．016＋0．382）0．5＝982．75 將εfi和σi代入式(9)得： 實(shí)際操作中，*次加壓至2 MPa，打開水壓機(jī)，使缸頭頂牢筒節(jié)上蓋板，再打壓至3.5 MPa，筒節(jié)開始塑變，保壓成型。經(jīng)測量膨脹節(jié)周長的誤差為130 mm，完全滿足技術(shù)要求。 4 結(jié) 語①無環(huán)縫U形膨脹節(jié)改善了膨脹節(jié)筒體的受力狀態(tài)，提高了U形膨脹節(jié)的疲勞壽命。②用此法制造大直徑U形膨脹節(jié)，方便易行，成型美觀，質(zhì)量可靠，具有廣泛的應(yīng)用前景。③通過調(diào)節(jié)應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)α，可以獲得合理成型的內(nèi)壓，并能很好地控制膨脹節(jié)的波高。④由于波谷處的筒壁無塑性變形，故實(shí)際操作壓力比設(shè)計(jì)內(nèi)壓大，成型后波峰處壁厚減薄量較小。 作者簡介：孫見君(1965-)，男，江蘇姜堰人，講師，1987年畢業(yè)于江蘇化工化工機(jī)械專業(yè)，1955年獲南京化工*碩士學(xué)位，現(xiàn)在南京化工學(xué)校從事教學(xué)與科研工作。 參考文獻(xiàn)： |
