某型波组件振动开裂故障分析

某型波组件振动开裂故障分析

杨博霄

太原航空仪表有限公司  山西太原 030006

摘要  某型波组件在振动试验中出现波纹管开裂现象，针对此故障，从设计、加工、试验方面对波组件的各个过程进行了复查，其故障主要原因为波纹管加工过程中未及时对焊缝表面夹杂进行清理，导致焊缝出现初始缺陷，试验中出现波纹管开裂故障。

关键词：波组件；振动开裂；故障分析

中图分类号：V241

1  引言

金属波纹管是一种薄壁金属零件，能够感受压力，输出位移，在航空航天、石油化工、船舶等领域得到了越来越广泛的应用。

在金属波纹管使用过程中，由于其抗振性能较差，容易出现振动破裂故障。本文选取某型波组件在试验中出现的振动开裂问题进行了分析，并采取了优化措施，解决了波组件在试验中出现的开裂问题。

2  故障概述

某型波组件在产品试验过程中，出现破裂故障。对该产品进行气密性检查，发现波纹管第1个和第4个波谷破裂，第1个波谷处裂纹宽度约10mm，第4个波谷处裂纹宽度约4mm，破裂位置均位于管坯纵缝焊位置。

3  故障分析

针对波纹管开裂故障，从以下几方面开展故障分析工作。

3.1  波纹管设计方面

产品波纹管材料采用3J1，标准为YB/T5256-1993，壁厚为0.2mm。

利用膨胀节辅助设计计算软件，对波纹管静强度和疲劳寿命进行计算，考虑波纹管壁厚为下差的情况下，计算工况为波纹管内腔加压0.3MPa，轴向位移压缩17mm，波纹管最大应力为712.82MPa，小于材料时效后屈服（980MPa）；理论疲劳寿命为34770次，其安全裕度为34770/4500=7.73，满足疲劳寿命设计5倍设计裕度的要求。

利用ANSYS有限元仿真软件，对波纹管振动应力进行仿真分析，其应力分布如图1所示。

a）X向、Y向振动应力       b）Z向振动应力

图1  X向、Y向振动应力

如图1所示，在耐久振动载荷下，波纹管在99.73%置信概率下的最大应力分别为178.39MPa、162.69MPa，均小于材料屈服极限（980MPa），能够满足产品振动技术要求。

综上，波纹管设计能够满足产品静强度、动强度及疲劳寿命要求,不会导致开裂故障。

3.2  波纹管加工方面

波纹管破裂处为管坯纵缝焊处，对波纹管断口进行扫描检查，发现裂纹从焊缝处萌生，对裂纹源处放大面，可见裂纹源处有脱落空洞（如图2）。

图2  断口图片

对产品加工过程进行清查，产品在纵缝焊过程中基体熔化，内部夹杂浮现在焊缝表面，导致焊缝表面有大量夹杂，在滚压焊缝时，将夹杂压入焊缝中，焊缝上可见黑色夹杂。产品在使用过程中，由于焊缝处夹杂和基体间结合力较小，容易脱落，导致焊缝表面缺陷。

综上，波纹管加工过程中未及时对表面夹杂进行处理是导致振动开裂的主要原因。

3.3  试验验证方面

对产品试验过程进行清查，产品安装后性能调试合格，安装过程无异常，试验过程符合试验大纲要求。对返厂产品外观进行检查，产品外观无异常，没有尖锐压坑、划伤等缺陷。

综上，产品试验过程符合试验大纲要求，不会因过试验导致振动开裂故障。

3.4  结果分析

综上所述，波纹管破裂的主要原因为波纹管管坯纵缝焊后，为细化焊接晶粒，较少焊接应力，会对焊缝进行滚压处理。由于原材料夹杂较多，纵缝焊焊接过程中基体熔化，原材料中夹杂浮现在焊缝表面，由于未及时对表面夹杂进行清理，在滚压焊缝时，将夹杂压入焊缝中，使用过程中夹杂掉落，导致焊缝表面出现脱落空洞，形成表面缺陷。

4改进措施

波纹管在纵缝焊后，采用机械打光和酸洗的方法，技术对焊缝表面夹杂进行清理，并采用内窥镜对焊缝表面质量进行确认，防止出现脱落空洞。采取该方法控制后，产品通过试验考核，满足产品使用要求。

5  结束语

随着航空航天、石油化工等行业的快速发展，波纹管所处的工作环境日渐严酷，且存在较大的振动载荷。由于波纹管耐振性能差，因此在产品设计、制造和试验验证过程中，应关注各个阶段的质量，提升产品的可靠性。

参考文献

[1]  周毅锦，李永生. 波纹管非线性特性的有限元分析[J]. 南京滑动大学学报， 1999,21(4):61-64

[2]  韩淑洁，王心风. U型波纹管振动特性的有限元分析[J]. 压力容器， 2004,21(11):23-26

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