CN101646510B - 滚珠自紧法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种增加具有管状内部空间的金属部件的动态压力阻力的方法，在该方法中，在高压下将硬金属滚珠强制通过所述管状内部空间的内部，其中所述硬金属滚珠的直径大于在所述硬金属滚珠被强制通过所述管状内部空间之前该管状内部空间的内径。

Description

滚珠自紧法
技术领域
本发明涉及一种增加具有管状内部空间的金属部件的动态压力阻力或交变的弯曲强度的方法，该金属部件具体而言为金属管部件、配件及其它的压力承受部件。本发明还涉及按照该方法制造的部件。
背景技术
压力承受管及其它部件被应用于许多技术领域，例如高压技术和化学工业。静压负载(保持相同)和动态压力负载(交替或脉动的)之间存在区别。在许多应用中，压力承受部件频繁地处于交替压力负载或脉动压力负载，该交替压力负载或脉动压力负载根据负载程度导致部件不同程度地快速失效。有关负载的影响值例如为压力集中度、压力逆变交替的频率以及压力Δ(最大压力和最小压力之差)。在这种情况下，独立部件的动态压力阻力或使用寿命远远小于将承受静压负载的管道、管或部件所达到的动态压阻力或使用寿命。
部件的静压阻力尤其取决于材料的机械特性，例如屈服强度(Rp0.2)和抗拉强度(Rm)。动态压力阻力由其它参数确定，例如材料的延展性(破裂伸长率A)、管壁内初裂的深度、纯度、以及微观结构。
由于临界裂缝的生长，例如从管的内表面到其外表面，所以会出现因动态负载而造成管或其它部件的失效。在这种情况下，会由于局部应力集中而出现裂缝，例如在金属间夹杂物处，或者已存在的初裂将进一步扩展。因此，处于动态负载下的管或另一部件的使用寿命尤其取决于每个压力波的裂缝扩展大小和材料厚度。
为延长处于给定负载集中度下的部件的动态使用寿命，在材料的制造过程中最优化上述影响因素和/或使用诸多方法，例如自紧法，用以随后改善某些材料性质。
自紧法是指以高压技术增加部件的疲劳强度的方法。在这种情况下，使得管道、管及其它部件一次性承受计算出的破裂压力的大约80％且仅维持几秒钟，也就是说，该压力远在计算出的静态工作压力之上。在该负载下，材料中出现的微塑性流(microplastic flow)大于材料的屈服强度或弹性极限，且剩余的压缩应力出现在材料物质中。当该部件解除负载时，那些残余应力保留在材料中，并防止或减少初裂的扩展。由于自紧法仅仅非物质地影响自紧材料的机械特性，因此，其几乎不会影响管或部件的静压阻力，但会影响动态压力阻力。
自紧法的缺陷在于该方法在将要自紧的部件的所需压力和静压载荷能力方面具有局限性。在某些情况或对于某些特定材料而言，为实现部件中令人满意的结果，通过运算必须产生超过15,000巴的压力，例如18,000巴和22,000巴之间的压力，而该结果仅能通过安装技术以极其复杂和极高费用为成本来实现，或者说目前根本不能实现。此外，由于不能根据部件破裂需要来增大自紧压力，因此，限制了可局部产生的残余压缩应力的水平。因而，自紧法在技术上具有局限性，且不能为多数材料提供完全基于运算所需要的压力，而且该方法也极其消耗和浪费成本。
发明内容
发明目的
因此，需要一种增加动态压力阻力或延长用于高压用途的部件的使用寿命的方法，其中，克服了根据现有技术自紧法的已知缺陷和局限性。
发明描述
通过增加具有管状内部空间的金属部件的动态压力阻力的方法来实现上述目的，在该方法中，在高压下将硬金属滚珠强制地通过该管状内部空间的内部，其中，该硬金属滚珠的直径大于在硬金属滚珠被强制通过管状内部空间之前该管状内部空间的内径。
根据本发明的方法较之用于上述目的的自紧法具有一系列优点：
a)将硬金属滚珠移动通过管状内部空间内部所需的压力远小于在自紧法中所施加的压力。本发明的方法在安装技术方面具有诸多优点，其为用于产生极高压力的设备节省了大量成本，且这些压力不需要接近金属的负载极限，而这些对自紧法来说却成为问题。
b)在根据本发明的方法中，部分或完全地去除了出现于管状内部空间内壁上的表面裂缝，由此明显地减小在高压操作中形成裂缝以及裂缝扩展的风险。
c)由根据本发明的方法在材料中产生的残余压缩应力与自紧法相比具有相同或更好的积极效果。
d)另外，根据本发明的方法提供用于矫正在制造过程中出现的部件的管状内部空间内径的波动。
e)此外，管状内部空间的内壁通过根据本发明的方法而变得光滑，因此，内壁的表面糙度明显减小，这对于需要部件内流动特性的诸多应用是非常有利的。
f)通过根据本发明方法处理的部件较之自紧部件具有明显更高水平的动态压力阻力。
根据本发明具有管状内部空间的金属部件包括压力承受系统中具有管状内部空间的所有部件。这些部件优选为用于传送液体或气体的管道、管，也可以是配件、连接部分、T形件、管的十字接头、阀门、阀座及其它部件。
不同的金属材料在高压技术中用于管道或管以及其它部件的生产。这些金属材料主要包括非合金钢、低合金钢以及高合金钢。对进行冷加工硬化或时效硬化、然后按照本发明方法进行处理的高合金钢管或其它部件而言，实现了特别高的动态压力阻力，如下文所描述的实例所示。
在本发明的优选实施例中，硬金属滚珠强制通过部件的管状内部空间所需的压力在2000巴和7000巴的范围内，优选在3000巴和6000巴的范围内，尤其优选在3500巴和5500巴的范围内。使用小于2000巴的压力具有这样的结果，即，滚珠不规则地移动通过部件的管状内部空间或被保持粘附于其内。
在本发明的又一优选实施例中，硬金属滚珠强制通过部件的管状内部空间所需的压力是通过处于压力下的液体、优选通过受压油液产生的。“起动压力”和“移动压力”之间存在区别，起动压力为用以克服摩擦阻力及其它阻力并使得硬金属滚珠在部件的管状内部空间内从静止位置移动所需要的压力，而移动压力为用以使得硬金属滚珠在初始起动后、在部件的管状内部空间内保持移动所需的压力。起动压力始终明显大于移动压力。这两个压力均取决于各种参数，尤其是材料的机械强度以及硬金属滚珠的外径与部件管状内部空间的内径之差。
尽管将直径比部件的管状内部空间的内径大的硬金属滚珠压迫通过部件需要相当大的力，但为在动态压力阻力方面实现相同或更好的结果，根据本发明的方法所需要的压力较之已知自紧法操作要小得多。
在本发明的又一有利构造中，硬金属滚珠的直径比在硬金属滚珠强制通过部件的管状内部空间之前该部件管状内部空间内径大1％到5％之间，优选大1.5％到4％之间，尤其优选大2％到3％之间。滚珠直径过大的后果是，滚珠不能移动或者保持粘附于部件的管状内部空间内。如果该直径过小，则会将过低的压缩应力引入材料。
在根据本发明方法的又一实施例中，将硬金属滚珠在高压下连续多次、优选为连续两次到四次、尤其优选为两次移动通过部件的管状内部空间，其中，这些硬金属滚珠的直径是以这样的顺序增大的，即在高压下将这些硬金属滚珠以所述顺序连续地强制通过部件的管状内部空间。
这样，能以多个阶段加工部件的内表面。在第一硬金属滚珠已经被强制通过部件内部之后，该部件管状内部空间的内径增大，其中，内表面已经历了所描述的材料性质改善。随后，较大直径的又一硬金属滚珠被强制通过部件内部，从而由该方法进一步改善了材料性质、部件的内表面以及动态压力阻力。以此方式，可使直径增加的两个、三个、四个或更多的硬金属滚珠连续地强制通过部件管状内部空间的内部，从而不断改善所需性质。已经证明的是，如果两次精密地重复上述操作，即，精确地使外径增加的两个金属滚珠连续地强制通过该部件，则特别有利于并足以实现极好的效果。但是，重复次数、各个直径的选择以及将由硬金属滚珠施加的压力取决于部件的管状内部空间的材料和相应尺寸。为生产用于给定动态压力负载的部件的适当参数可通过几个实验并通过生成
Figure G2007800342149D00051
(沃勒)曲线来确定。
Figure G2007800342149D00052
曲线对本领域的技术人员来说是已知的，且该曲线协助技术人员选择用于预定用途的适当部件、材料和工作参数。
根据本发明的术语“硬金属滚珠”是指材料比将被加工部件的材料更硬的滚珠，当该硬金属滚珠强制通过该部件管状内部空间的内部时，该硬金属滚珠不会变形，而该部件的材料变形。在这里的术语“硬金属”并不局限于传统意义上的烧结碳化物，而是包括比将被加工部件的材料更硬的所有材料。但是，特别优选的是，硬金属滚珠包括WC烧结碳化物或SiC烧结碳化物。但冷加工钢硬金属滚珠也是合适的，例如，根据DIN EN 10027-1+2或DIN 17007，材料号为1.2002、1.2067或1.4021。
示例
对具有奥氏体结构的两个不同高合金钢管进行测试，以实施根据本发明的方法：
(1)Sandvik TP316L
(即：德国Werther的Sandvik P&P，材料号1.4404，也就是X2CrNiMo17-12-3)
(2)Sandvik HP160
(德国Werther的Sandvik P&P，未给定材料号)。
两种材料的样品的每一个长大约220mm、内径4.7mm以及外径14.3mm。上述样品各自出现在冷加工情况中。材料的指导性分析结果在表1中列出。
表1：材料TP316L和HP160的指导性分析结果
在高热制造(熔炼、钢坯生产、挤压)之后，使用冷轧管机对这些管进行横截面减小60％-90％的处理，在1120℃温度下对管进行固溶退火，并且进行横截面减小10％-20％(HP160)以及30％-40％(TP316L)的冷拉。表2列出了以上述方式冷加工的产品的机械性能基准(mechanical benchmark)。
表2：TP316L和HP160的机械性能基准：
  材料   屈服强度Rp0.2[MPa]   抗拉强度Rm[MPa]   破裂伸长率A[％]
  HP160   ＞1100   ＞1200   ＞12
  TP316L   ＞600   ＞700   ＞16
然后，对样品进行下文所列的后处理1到4，并测试它们的动态压力阻力。
冷加工样品的后处理：
1不进行后处理
2自紧法：
自紧压力：HP160：12000巴
          TP316L：6000巴
维持时间：5分钟
介质：液压油
3根据本发明的滚珠自紧法(一次)
滚珠材料：碳化钨
滚珠直径：4.76mm
介质：液压油
压力：HP160：5000巴/3200巴
TP316L：5000巴/3200巴
(起动压力/移动压力)
4根据本发明的滚珠自紧法(两次)
滚珠材料：碳化钨
介质：液压油
第一次：如(c)一样
第二次：
滚珠直径：4.79mm
压力：HP160：7000巴/5000巴
TP316L：5000巴/4000巴
(起动压力/移动压力)
在有关动态压力阻力的测试过程中，样品管在最大压力(Pmax)和最小压力(Pmin)之间的油压下以6Hz的负载反向频率经受负载反向。在每种情况下，Pmin为200巴。对于不同的样品，Pmax设定为3000巴、3500巴或4000巴。
分别在图1和图2示出对材料HP160和材料TP316L的动态压力阻力的测试结果。样品所受到各个最大压力在纵坐标上绘出。直到样品破裂或爆裂的负载改变分别在横坐标上绘出。如果样品能承受介于Pmin和Pmax之间的200万次的负载反向而没有损坏，则可将该样品归类为“具有额定耐久强度的样品(rated for endurance strength)”。然后，在200万次的负载反向之后，中断对该样品的测试。
在3000巴、3500巴和4000巴的Pmax下的几千次负载反向之后，仅进行冷加工(未进行后处理1)的HP160和TP316L的样品就已经损坏了。
通过常规自紧法(后处理2)大量增加材料TP316L样品在3500巴的Pmax下的动态压力阻力是不可能的。常规自紧材料在3000巴Pmax下仅能达到数量级大约为700,000次的负载反向的使用寿命。进行了相同后处理的材料HP160在4000巴的Pmax下达到大约750,000次负载反向的使用寿命，并且仅在3500巴Pmax下达到具有超过200万次负载反向的使用寿命的额定耐久强度。
可通过根据本发明的方法来显著增加两种材料样品的动态压力阻力。仅执行一次根据本发明的滚珠自紧法(后处理3)的材料TP316L的样品在3500巴的Pmax下达到数量级大约为190万的负载反向的使用寿命，而在3000巴的Pmax下达到超过200万负载反向的额定耐久强度(没有对材料HP160进行后处理3)。当使用两次根据本发明的滚珠自紧法(后处理4)时，两种材料的样品均已达到在4000巴的Pmax下的额定耐久强度。
这些结果表明根据本发明的方法相对于常规自紧法再次显著增加动态压力阻力。

Claims (14)

1.一种增加压力承受系统的具有管状内部空间的金属部件的动态压力阻力的方法，在所述方法中，在2000巴到7000巴之间的范围内的高压下将硬金属滚珠强制通过所述管状内部空间的内部，其中所述硬金属滚珠的直径大于在所述硬金属滚珠被强制通过所述管状内部空间之前所述管状内部空间的内径，且所述硬金属滚珠被强制通过所述部件的所述管状内部空间所需的压力是借助于处于压力下的油液来产生的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硬金属滚珠被强制通过所述部件的所述管状内部空间所需的压力在3000巴到6000巴之间的范围内。
3.如权利要求1到2中的任一项所述的方法，其特征在于，所述硬金属滚珠的直径比在所述硬金属滚珠被强制通过所述部件的所述管状内部空间之前所述部件的所述管状内部空间的内径大1％到5％之间。
4.如权利要求1到2中的任一项所述的方法，其特征在于，在高压下将所述硬金属滚珠连续多次移动通过所述部件的所述管状内部空间，其中，所述硬金属滚珠的直径以这样的顺序增大，即在高压下将这些硬金属滚珠以所述顺序连续地强制通过所述部件的所述管状内部空间。
5.如权利要求1-2中的任一项所述的方法，其特征在于，所述金属部件由非合金钢、低合金钢或高合金钢。
6.如权利要求1-2中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述硬金属滚珠或多个所述硬金属滚珠被强制通过所述金属部件之前，对所述金属部件进行固溶退火。
7.如权利要求中1-2的任一项所述的方法，其特征在于，在所述硬金属滚珠或多个所述硬金属滚珠被强制通过所述金属部件之前，对所述金属部件进行冷加工硬化或时效硬化。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述硬金属滚珠被强制通过所述部件的所述管状内部空间所需的压力在3500巴到5500巴之间的范围内。
9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述硬金属滚珠的直径比在所述硬金属滚珠被强制通过所述部件的所述管状内部空间之前所述部件的所述管状内部空间的内径大1.5％到4％之间。
10.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述硬金属滚珠的直径比在所述硬金属滚珠被强制通过所述部件的所述管状内部空间之前所述部件的所述管状内部空间的内径大2％至3％之间。
11.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在高压下将所述硬金属滚珠连续两次到四次移动通过所述部件的所述管状内部空间。
12.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在高压下将所述硬金属滚珠连续两次移动通过所述部件的所述管状内部空间。
13.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述金属部件由高合金钢制成。
14.一种用于在交替或脉动内部压力情况下的高压应用的金属部件，所述金属部件按照如权利要求1至13中的任一项所述的方法制成。
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