连轧钢管限动芯棒温度场及热疲劳有限元分析

芯棒是钢管生产中一种重要的变形工具，其服役条件非常恶劣，温度场变化情况较为复杂，并且承受急冷急热的热应力。长期服役之后，芯棒会出现疲劳裂纹等形式的缺陷。为了达到提高芯棒使用寿命、降低生产成本的目的，必须对芯棒在服役过程中的温度场及热应力进行研究。但是，对芯棒温度的测量局限于各空冷阶段的表面温度，而对于轧制阶段和水冷阶段的表面温度、整个服役过程中的内部温度分布和热应力进行在线实测的可行性不高。因此，采用实测和模拟仿真相结合的方法对芯棒服役过程中的温度场及热应力进行研究是一个很好的选择。
　　北京科技大学的学者针对340MPM机组(Multi-StandPipeMill限动芯棒连轧管机组)芯棒服役过程建立三维有限元模型，研究芯棒在服役过程中温度场变化规律。同时，通过对热应力的研究，分析了芯棒热疲劳裂纹萌生机理及裂纹在芯棒内部的扩展规律。对比实测数据与模拟结果，认为所建立的有限元模型能够反映芯棒温度变化趋势。芯棒首次脱管后表面最高温度为630℃，此后经历三次反复的水冷降温和空冷返温过程，冷却结束后表面最高温度为98℃。脱管后，芯棒表面轴向和环向压缩热应力均达到900MPa，第三次水冷结束时刻，轴向拉伸热应力达到186MPa，环向拉伸热应力达到221MPa。芯棒的拉压交变热应力使其表面出现热疲劳裂纹并逐渐扩展，环向裂纹扩展至距表面17.5mm深、轴向裂纹扩展至距表面20mm深时会显著受阻，热应力对轴向裂纹的促进作用强于环向裂纹。