波紋管膨脹節(jié)是管道位移補(bǔ)償?shù)囊环N重要形式，多用于石油、化工等行業(yè)。波紋管的成形多采用液壓、滾壓等方式，將卷成圓柱體的薄壁圓筒體通過冷擠壓的方式加工成波紋。由于金屬在成形過程中發(fā)生了不均勻塑性變形，成形后的金屬波紋管會產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力。為了提高波紋管的防腐性能，需要對金屬波紋管進(jìn)行固溶處理。為了研究金屬波紋管加工后殘余應(yīng)力的大小，以及固溶處理對殘余應(yīng)力的影響，本文對固溶處理前后的波紋管進(jìn)行了殘余應(yīng)力測試。

本次試驗(yàn)采用盲孔法測量殘余應(yīng)力，首先在波紋管測點(diǎn)處鉆孔，使該部位的殘余應(yīng)力得以釋放，用粘貼在測點(diǎn)位置的電阻應(yīng)變片測出殘余應(yīng)力釋放后產(chǎn)生的應(yīng)變，最后用彈塑性力學(xué)原理求得殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)。

測試試件及儀器

儀器采用聚航科技生產(chǎn)的JHMK殘余應(yīng)力測試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK專用鉆孔裝置組成，軟件式操作，可實(shí)時(shí)顯示測試數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)。

表1中8個(gè)試件，材質(zhì)均為304奧氏不銹鋼，厚度t=1mm。

表1 測試試件

測試結(jié)果及分析

假設(shè)材料為各向同性，材料的彈性模量E=193000MPa，固溶處理過的波紋管，μ=0.3；未經(jīng)過固溶處理的波紋管，取μ=0.5。應(yīng)變片相應(yīng)的參數(shù)為：a=1mm，r₁=2mm，r₂=4mm。由以上數(shù)據(jù)，計(jì)算出釋放系數(shù)為：對成形態(tài)，A=-4.4875mm²/N，B=-10.8282mm²/N；對固溶態(tài)A=-4.2098mm²/N，B=-11.1116mm²/N。因?yàn)楫?dāng)殘余應(yīng)力超過材料屈服極限的1/2時(shí)，鉆孔后會在孔邊造成應(yīng)力集中，引起孔邊材料發(fā)生塑性變形。此時(shí)，應(yīng)變片不僅記錄了由殘余應(yīng)力引起的應(yīng)變，還記錄了材料發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生的應(yīng)變ε_p。因此，計(jì)算結(jié)果偏大，必須進(jìn)行修正。試驗(yàn)中采用簡便的應(yīng)變釋放系數(shù)分級計(jì)算法，由*次計(jì)算出的主應(yīng)力σ₁和σ₂中的*對值大多決定修正計(jì)算時(shí)所選擇的釋放系數(shù)A、B的級別。計(jì)算過程采用計(jì)算機(jī)編程，力求計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確無誤，見圖1。

圖1固溶處理前后的殘余應(yīng)力比較

圖1中測點(diǎn)的位置符號，*一個(gè)數(shù)字代表的是第幾個(gè)波峰或波谷；第二個(gè)字母，F(xiàn)代表波峰，G代表波谷；第三個(gè)數(shù)代表該點(diǎn)在波峰或波谷上所處的角度（圖2）。

圖2殘余應(yīng)力測點(diǎn)方位示意圖

圖1中（a）-（h）為兩兩尺寸相同的4組試件，固溶處理前后，兩試件主應(yīng)力σ₁和σ₂的對比圖。由于測定的試件取自不同的尺寸和成形工藝，因此測試結(jié)果反映的規(guī)律具有一定的普遍意義。

殘余應(yīng)力的極限是材料的屈服強(qiáng)度，雖然對圖1中一些測點(diǎn)進(jìn)行修正，但結(jié)果仍然偏大。其主要原因是這些點(diǎn)本身的殘余應(yīng)力增大，鉆孔后孔邊由于應(yīng)力集中而發(fā)生了局部的塑性變形，產(chǎn)生了附加應(yīng)變ε_p，使計(jì)算結(jié)果偏大。另外，試驗(yàn)誤差也是導(dǎo)致結(jié)果偏大的一個(gè)原因。

分析圖1中（a）-（h），反映了以下三點(diǎn)情況：

1. 固溶處理前的試件，其波峰處的*大主應(yīng)力σ₁均為拉應(yīng)力，波谷處則有拉應(yīng)力，也有壓應(yīng)力；而固溶處理后的試件，波峰、波谷處的*大主應(yīng)力σ₁均為壓應(yīng)力。從表2可看出，對于固溶處理前的波紋管，波峰處的σ₁為正值，且成形工藝相同時(shí)，直徑大的殘余應(yīng)力小，直徑小的殘余應(yīng)力大；比較不同成形工藝的試件，滾壓成形的波紋管比液壓成形的波紋管殘余應(yīng)力增大了約40%。固溶處理之后，不同尺寸及成形工藝的波紋管，*大主應(yīng)力σ₁均為負(fù)值，且大小相近。其*對值比固溶處理前有所降低，直徑越小，降低越多，滾壓比液壓下降快。

表2 波紋管波峰處的σ₁平均值

2.所有試件測點(diǎn)的主應(yīng)力σ₂基本為壓應(yīng)力。固溶處理前的試件，其主應(yīng)力σ₂的*對值大小相近。固溶處理后σ₂仍為壓應(yīng)力，但*對值有所增大。

3.所有測點(diǎn)主應(yīng)力σ₁的方向與波紋管的軸線方向基本一致。

結(jié)論

1. 固溶處理后波紋管殘余應(yīng)力并未消除，但*大主應(yīng)力σ₁方向發(fā)生了變化。這是因?yàn)樵诠倘芴幚淼目绽潆A段，波峰、波谷在冷卻過程中，收縮量不成比例，相互制約，在波紋管中重新形成了熱處理殘余應(yīng)力的緣故。

2. 對于成型后未經(jīng)過固溶處理的波紋管，直徑小的殘余應(yīng)力相對較大，直徑大的殘余應(yīng)力較小；滾壓成形的波紋管，其殘余應(yīng)力約是液壓成形波紋管的1.4倍。

3. 殘余應(yīng)力的主應(yīng)力方向與波紋管的軸線方向基本一致。這導(dǎo)致了波紋管應(yīng)力腐蝕沿周向開裂。

4. 固溶處理有利于提高波紋管的抗應(yīng)力腐蝕性能，波紋管應(yīng)力腐蝕只發(fā)生在拉應(yīng)力參與的情況下，而試驗(yàn)中波紋管殘余應(yīng)力的*大主應(yīng)力，在固溶處理后由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)力，因而阻止了應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。