波纹管固溶处理前后残余应力测试与分析

波纹管膨胀节是管道位移补偿的一种重要形式，多用于石油、化工等行业。波纹管的成形多采用液压、滚压等方式，将卷成圆柱体的薄壁圆筒体通过冷挤压的方式加工成波纹。由于金属在成形过程中发生了不均匀塑性变形，成形后的金属波纹管会产生很大的残余应力。为了提高波纹管的防腐性能，需要对金属波纹管进行固溶处理。为了研究金属波纹管加工后残余应力的大小，以及固溶处理对残余应力的影响，本文对固溶处理前后的波纹管进行了残余应力测试。

本次试验采用盲孔法测量残余应力，首先在波纹管测点处钻孔，使该部位的残余应力得以释放，用粘贴在测点位置的电阻应变片测出残余应力释放后产生的应变，最后用弹塑性力学原理求得残余应力数据。

测试试件及仪器

仪器采用聚航科技生产的JHMK残余应力测试系统，由JHYC静态应变仪和JHZK专用钻孔装置组成，软件式操作，可实时显示测试数据、保存数据。

表1中8个试件，材质均为304奥氏不锈钢，厚度t=1mm。

表1 测试试件

测试结果及分析

假设材料为各向同性，材料的弹性模量E=193000MPa，固溶处理过的波纹管，μ=0.3；未经过固溶处理的波纹管，取μ=0.5。应变片相应的参数为：a=1mm，r₁=2mm，r₂=4mm。由以上数据，计算出释放系数为：对成形态，A=-4.4875mm²/N，B=-10.8282mm²/N；对固溶态A=-4.2098mm²/N，B=-11.1116mm²/N。因为当残余应力超过材料屈服极限的1/2时，钻孔后会在孔边造成应力集中，引起孔边材料发生塑性变形。此时，应变片不仅记录了由残余应力引起的应变，还记录了材料发生塑性变形而产生的应变ε_p。因此，计算结果偏大，必须进行修正。试验中采用简便的应变释放系数分级计算法，由首次计算出的主应力σ₁和σ₂中的绝对值大多决定修正计算时所选择的释放系数A、B的级别。计算过程采用计算机编程，力求计算结果准确无误，见图1。

图1固溶处理前后的残余应力比较

图1中测点的位置符号，第一个数字代表的是第几个波峰或波谷；第二个字母，F代表波峰，G代表波谷；第三个数代表该点在波峰或波谷上所处的角度（图2）。

图2残余应力测点方位示意图

图1中（a）-（h）为两两尺寸相同的4组试件，固溶处理前后，两试件主应力σ₁和σ₂的对比图。由于测定的试件取自不同的尺寸和成形工艺，因此测试结果反映的规律具有一定的普遍意义。

残余应力的极限是材料的屈服强度，虽然对图1中一些测点进行修正，但结果仍然偏大。其主要原因是这些点本身的残余应力增大，钻孔后孔边由于应力集中而发生了局部的塑性变形，产生了附加应变ε_p，使计算结果偏大。另外，试验误差也是导致结果偏大的一个原因。

分析图1中（a）-（h），反映了以下三点情况：

1. 固溶处理前的试件，其波峰处的最大主应力σ₁均为拉应力，波谷处则有拉应力，也有压应力；而固溶处理后的试件，波峰、波谷处的最大主应力σ₁均为压应力。从表2可看出，对于固溶处理前的波纹管，波峰处的σ₁为正值，且成形工艺相同时，直径大的残余应力小，直径小的残余应力大；比较不同成形工艺的试件，滚压成形的波纹管比液压成形的波纹管残余应力增大了约40%。固溶处理之后，不同尺寸及成形工艺的波纹管，最大主应力σ₁均为负值，且大小相近。其绝对值比固溶处理前有所降低，直径越小，降低越多，滚压比液压下降快。

表2 波纹管波峰处的σ₁平均值

2.所有试件测点的主应力σ₂基本为压应力。固溶处理前的试件，其主应力σ₂的绝对值大小相近。固溶处理后σ₂仍为压应力，但绝对值有所增大。

3.所有测点主应力σ₁的方向与波纹管的轴线方向基本一致。

结论

1. 固溶处理后波纹管残余应力并未消除，但最大主应力σ₁方向发生了变化。这是因为在固溶处理的空冷阶段，波峰、波谷在冷却过程中，收缩量不成比例，相互制约，在波纹管中重新形成了热处理残余应力的缘故。

2. 对于成型后未经过固溶处理的波纹管，直径小的残余应力相对较大，直径大的残余应力较小；滚压成形的波纹管，其残余应力约是液压成形波纹管的1.4倍。

3. 残余应力的主应力方向与波纹管的轴线方向基本一致。这导致了波纹管应力腐蚀沿周向开裂。

4. 固溶处理有利于提高波纹管的抗应力腐蚀性能，波纹管应力腐蚀只发生在拉应力参与的情况下，而试验中波纹管残余应力的最大主应力，在固溶处理后由拉应力转变成压应力，因而阻止了应力腐蚀的发生。