复合机械自紧技术研究

]
式中
=
E
s
m 1-
m
,
= 1/ (
+
E 3( 1- v)
)
s
C* =
1 b2- a
{
1+ f tg
f
ctg -1
[
1 2
(
2
b2+
- 1) ( a2- a2) + ( 1-
) ( a2ln a -
1 2
a2 ) -
( 1-
) ( a2ln a -
1 2
a2) +
2ln
a a
]+
2a fh[
1 2
(
2
第 19 卷第 4 期
压力容器
总第 113 期
P a 这个压力可以根据关系式
r R
-
r=
m s (1+
t
rp i
)
和应
力连续条件得到
P=
s
2
[
(
1+
m) + (
+
mt )
(
2
a
2 1
-
1) ] (
b2
a
2 1
-
1) / ( ab221)
式中 m、t 为 Bauschinger 效应因子和 t = Em /
性, 因而最终的残余应力为弹性区( R b)
r R
=
1 2
2
s( - R2+
2
b2 )
r=
1 2
2
2
s( R2 + b2)
r z
=
b2-
s
a
2[
1
( 21+ 2) ln a1 -
21ln
1
-
( 2-
21) +
1 2
(
2-
21) ]
塑性区( a1 R )
z=
1 2
2
s ( b2 + 2C* - 1)
r R
a+
。
头柱面长度; 分别是自紧胀大量和冲头锥面角;
4 机械自紧冲头推力
f 摩擦系数。
PI = 2
a hf
s[
1 2
( 1-
2
b2 ) +
( 1-
) ln a
+
1 2
根据文献[ 1] 可得到机械自紧冲头推力 PI
2
( a2 - 1) ] +
( 1+ f ctg ) f tg - 1
s[
1 2
(
2
b2 +
屈服极限 MPa
s
0- 2
49 98
25 02
1 9976
1067 0
0- 4
50 00
25 01
1 9992
1095 0
1- 2 1- 4
50 00 50 02
25 01 25 02
1 9992 1 9992
1124 0 1121 0
2- 2 2- 4
50 00 50 02
25 01 25 01
1 9992 2 000
6 工艺试验与讨论
为了探讨该工艺和验证理论预测的正确性, 利 用 1Cr18Ni9Ti 钢制成的 6 根试验管在试验装置中进 行了工艺试验研究, 其模拟管的原始尺寸如表 1 所 示, 试验工艺如表 2 所示, 内膛面理想弹塑性模型切 向残余应力计算值与实测值如表 3 所示。从表 3 可 看出该工艺对消除 Bauschinger 效应, 提高厚壁管强 度是相当明显的。比如 0- 2、1- 2、1- 4 号管是严 格在自 紧时 效 工 艺时 效 压 力范 围 内 Pmin Ps Pmax, 其 理论计算值与 实测值基本相 同, 自紧度 在 30% ~ 70% 的范围内。而 0- 4 管是时效过程中原 自紧塑性区全部屈服后, 塑性区又向外表面扩展, 时 效压力为 529 2MPa 时, 再次屈服后的自紧过盈应变 量为 42 7% , 实测值与理想弹塑性模型计算值相比 误差为 36 03% , 这种情况使残余应力下降最大, 时 效压力对残余应力的影响最为明显。这完全背离了 自紧 时效工艺提高强度的出发点, 是该工艺所不
1080 0 1103 0
模拟管
0- 2 0- 4 1- 2 1- 4 2- 2 2- 4
表 2 自紧时效 工艺方案
自紧参数
时效处理工艺参数
Pa 过应变量 Ps
MPa
%
MPa
规范
634 0 657 0
30 0 31 0
459 0 360 2h 540 0 360 2h
748 0 810 0
47 5 70 0
1 引言
压力容器和管道自紧是通过一定的工艺手段在 产品加工的过程中对其内壁预加载荷, 使容器壁达 到一定的塑性变形引起有益的预应力( 残余应力) , 这个残余应力能部分地抵消压力容器和管道在服役 下的工作应力, 并延迟内壁表面疲劳裂纹的扩展, 从 而提高压力容器和管道弹性强度和疲劳寿命。
根据自紧过程所采用的方法不同, 通常分为液 压自紧、机械自紧和爆炸自紧三种。目前广泛应用 的自紧方法主要有液压自紧和机械自紧两种。由于 在自紧过程中 Bauschinger 效应的存在, 严重的降低 了自紧产品的工作强度。为了消除 Bauschinger 效应 的影响, 先后进行了很多的研究和试验, 其中最为有 效的 技 术是 高 效 液压 自 紧技 术。它 可完 全 消 除
1-
2
b2) + ( 1-
) ln a
+
1 2
2
( a2-
1) ] -
[
1 2
(
2
b2-
1) ( b2-
a2 ) +
( 式中 m、h
、
-
1 2
)
(
2- a2 ) + a2 ln a
-
( a2 + 2) ln a ] }
分别为材料加载段的硬化指数和冲
a1= a+
r a
,
r a
为容器内壁残余胀大量,
a
=
Bauschinger 效应, 极大 地提高了自紧产品的工作强 度。本文是在充分研究了液压自紧、机械自紧和高 效液压自紧技术的基础上, 提出了复合机械自紧技 术。它保留了机械自紧技术操作简便, 安全可靠, 生 产 效 率 高 的 特 点 和 优 点, 又 可 有 效 地 消 除 Bauschinger 效应, 提高自紧产品的工作强度。
Abstract:Owing to Bauschinger effect and back yield phenomena exited, the residual stress of a thick- walled cylinder was reduced so that elast ic strength of a thick- walled cylinder was declined. Therefore, when a complex mechanical autofrettage technique of eliminating Bauschinger effect was studied, It may be used for reference in enhancing the strength of autofrettage cylinder. In this paper, the complex mechanical autofrettage technique was studied in theory and experiment . The results obtained in this paper can provide valuable reference design of autofrettage cylinder and piping tube. Key words: thick- walled cylinder; mechanical autofrettage; residual stress
2 复合机械自紧技术工艺简介
复合机械自紧技术研究主要包括三个方面: 工 艺方法的研究、自紧理论的研究和自紧设备研究开 发。本文主要对前两个问题进行研究。复合机械自 紧技术即是机械自紧加上高温时效处理, 即是利用 液体压力直接作用在机械自紧的冲头上, 在冲头还 没有完全冲出身管和管道容器时部分卸压, 但保证 容器内壁还没发生反向屈服时, 进行高温时效处理,
机械自紧设备后即可完成复合自紧技术。
具体对于试验管复合机械自紧消除 Bauschinger
效应时效工艺为: 时效保温温度: 360 10 ; 时效
保温时间: 2h, 之后随炉冷却; 时效载荷压力: Pmin Ps Pmax。 利用这一工艺在高效液压自紧技术应用中消除
了 Bauschinger 效应, 提高了自紧管的强度。
允许的。而 2- 2、2- 4 号管是时效处理中在原自紧
塑性区部分再次屈服。也使残余应力下降, 降幅分
别是 10 69% 和 8 75% 。因此, 在实际生产中, 时效
压力的波动是不可避免的, 当时效拟管
外径 D 10- 3m
内径 d 10- 3m
W= D / d
中图分类号: O242. 21,TL424 文献标 识码: A 文章编号: 1001- 4837( 2002) 04- 0001- 03
Study of Complex Mechanical Autofrettage Technique
Institute of Nuclear Energy T echnology, Tsinghua University WANG Jiachun