雙金屬?gòu)?fù)合管復(fù)合模型有限元分析

邊 城，王 強(qiáng)，李翠艷

（1.渤海裝備研究院輸送裝備分院，河北 青縣062658；2.渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣062658）

雙金屬?gòu)?fù)合管復(fù)合模型有限元分析

邊 城1，王 強(qiáng)1，李翠艷2

（1.渤海裝備研究院輸送裝備分院，河北 青縣062658；2.渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣062658）

運(yùn)用“縮徑法”思路制造雙金屬?gòu)?fù)合管，通過(guò)SolidWorks軟件建立復(fù)合管復(fù)合模型，并通過(guò)SolidWorks Simulation模塊進(jìn)行有限元分析，通過(guò)復(fù)合管的內(nèi)、外管應(yīng)力分析和管壁接觸應(yīng)力分析，最終得出采用“縮徑法”理論可以成功復(fù)合雙金屬?gòu)?fù)合管；復(fù)合過(guò)程伴隨著鋼管壁厚增加，且縮頸率越大壁厚增加越大。

焊管；雙金屬?gòu)?fù)合管；縮徑法；有限元分析

1 概 述

雙金屬?gòu)?fù)合管是將鍍鋅鋼管或焊管、無(wú)縫鋼管與壁厚更薄的不銹鋼管強(qiáng)力嵌合在一起的新型復(fù)合管材，也是一種更理想的管道升級(jí)換代產(chǎn)品。它保留了兩種（基管與襯管）不同材料的優(yōu)點(diǎn)，互補(bǔ)了它們各自的不足。根據(jù)基管與襯管選材的不同以及制造工藝的提升，雙金屬?gòu)?fù)合管已被廣泛應(yīng)用于腐蝕性較強(qiáng)的石油、石化、核工業(yè)、醫(yī)藥、食品加工等領(lǐng)域。

該類復(fù)合管由兩種不同金屬材料構(gòu)成，管層之間通過(guò)各種變形和連接技術(shù)緊密結(jié)合。鋼管由基管和襯管組成，基管采用碳鋼管（無(wú)縫鋼管或焊接鋼管）或其他合金鋼管，保證優(yōu)良的力學(xué)性能；襯管采用薄壁耐蝕合金材料（普通/特種不銹鋼、鈦/鋁、銅合金或其他耐蝕合金），保證良好的耐腐蝕性能。 該類復(fù)合管兼具外層鋼管和內(nèi)層鋼管的所有優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于整體合金管能有效降低成本，在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的氯化物或酸性環(huán)境中又可以提高安全性和可靠性。因此，雙金屬?gòu)?fù)合管能最大限度地實(shí)現(xiàn)材料的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，節(jié)省合金元素，降低工程費(fèi)用，提高管道的耐腐蝕性、耐磨性，是純不銹鋼管、銅管或其他耐腐蝕性合金管的替代產(chǎn)品。

2 雙金屬?gòu)?fù)合管復(fù)合原理

鑒于雙金屬?gòu)?fù)合管的種種優(yōu)勢(shì)，渤海裝備研究院組織相關(guān)技術(shù)人員對(duì)該類復(fù)合管的成型方式進(jìn)行了深入研究。同時(shí)，結(jié)合渤海裝備研究院目前生產(chǎn)狀況和設(shè)備條件，最終確定采用“縮徑法”制造雙金屬?gòu)?fù)合管。筆者根據(jù)研究現(xiàn)狀，運(yùn)用SolidWork軟件建立了復(fù)合管復(fù)合模型，并運(yùn)用FEA模塊SolidWorks Simulation進(jìn)行了復(fù)合過(guò)程的有限元仿真。

根據(jù)金屬材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線規(guī)律，基管與襯管同軸心套裝在一起，在同步縮徑過(guò)程中，應(yīng)保證基管至少發(fā)生塑性變形，襯管達(dá)到最大彈性變形。在襯管徑向向外回彈力的作用下，基管內(nèi)徑與襯管外徑脹接在一起，達(dá)到緊密貼合，最終實(shí)現(xiàn)內(nèi)襯雙金屬?gòu)?fù)合管的過(guò)盈配合。該方法生產(chǎn)的雙金屬?gòu)?fù)合管，基管處于塑性變形狀態(tài)，襯管處于徑向向外回彈狀態(tài)，顯著提高了鋼管襯管的抗壓潰性能，有益于復(fù)合管的受力及運(yùn)行狀態(tài)。

3 復(fù)合模型有限元分析

3.1 模型建立

雙金屬?gòu)?fù)合管的復(fù)合模型如圖1所示，基管材質(zhì)為X60低碳鋼，襯管材質(zhì)為316L不銹鋼。最終復(fù)合成功后，基管外徑為610 mm，壁厚22mm；內(nèi)襯管外徑為566mm，壁厚為3mm。

圖1 雙金屬?gòu)?fù)合管的復(fù)合模型

3.2 分析思路

對(duì)于復(fù)合管縮徑情況，筆者選擇模型內(nèi)表面一點(diǎn)評(píng)估應(yīng)力，選擇模型外表面一點(diǎn)評(píng)估模型變形。同時(shí)，根據(jù)應(yīng)力結(jié)果，取得相應(yīng)時(shí)間處變形結(jié)果，即可獲得縮徑后殘余變形量，具體可以根據(jù)相關(guān)點(diǎn)的響應(yīng)圖表來(lái)求得。

3.3 內(nèi)管分析

內(nèi)管材質(zhì)為316L不銹鋼，最小屈服強(qiáng)度約為172 MPa。優(yōu)化過(guò)程中筆者選擇內(nèi)管外徑為566.5～566.8mm， 步長(zhǎng)為 0.1mm； 縮徑（半徑）為0.25～0.4mm，步長(zhǎng)為0.05mm；采用應(yīng)力不大于172MPa做為約束條件，優(yōu)化目標(biāo)為應(yīng)力最大且不超過(guò)172MPa。內(nèi)管外徑優(yōu)化分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 內(nèi)管外徑優(yōu)化分析結(jié)果的界面

如果保證內(nèi)管最終外徑為566mm，根據(jù)模型優(yōu)化結(jié)果得出內(nèi)管初始外徑約為566.5mm，保證縮徑為0.5mm。此時(shí)，內(nèi)管應(yīng)力及位移響應(yīng)界面如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，最大應(yīng)力約為172MPa，在極限彈性范圍。

圖3 內(nèi)管應(yīng)力及位移響應(yīng)界面

優(yōu)化完成后，可求得內(nèi)管外徑為566.5mm，縮徑0.5 mm（直徑）時(shí)，正好在極限強(qiáng)度且未超過(guò)，計(jì)算結(jié)果符合項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

3.4 外管分析

外管材質(zhì)為X60管線鋼，最小屈服強(qiáng)度為415 MPa。復(fù)合模型采用 1/48模型（用 7.5°分析，目的是為了簡(jiǎn)化模型以節(jié)省計(jì)算時(shí)間，同時(shí)也為小內(nèi)存計(jì)算機(jī)提供分析求解可能）并以平面單元進(jìn)行分析，如圖4所示。外管外徑分別采用611 mm，612 mm，613 mm，614 mm，615 mm和616mm尺寸逐一嘗試。

圖4 1/4內(nèi)外管復(fù)合模型

外徑為611mm時(shí)外管應(yīng)力及位移響應(yīng)界面如圖5所示。還分別對(duì)外徑為612 mm，613 mm，614 mm，615 mm和616 mm的外管求得外管應(yīng)力響應(yīng)圖。外管不同外徑縮徑成型對(duì)比見(jiàn)表1。

圖5 外徑611mm時(shí)外管應(yīng)力及位移響應(yīng)界面

表1 外管不同外徑縮徑成型對(duì)比

3.5 管壁接觸應(yīng)力

上述分析得出，若要內(nèi)管達(dá)到復(fù)合條件，初始外徑為566.5 mm，最終外徑理論為566 mm（但內(nèi)管最終外徑需根據(jù)外管內(nèi)殘余位移得出）。

外管殘余外徑為610.16mm時(shí)，內(nèi)、外管壁間接觸應(yīng)力最大為1.59MPa；外管殘余外徑為610.2mm時(shí)，內(nèi)、外管壁間接觸應(yīng)力1.42MPa；根據(jù)相同方法，筆者求出了不同外徑外管不同縮頸率下，內(nèi)、外管壁間接觸應(yīng)力見(jiàn)表2。

表2 不同外徑外管不同縮頸率下內(nèi)、外壁間接觸應(yīng)力

由表2可以看出：①理論分析模型可以成功復(fù)合，且外管外徑為616 mm，縮頸率為0.95%時(shí)，復(fù)合后模型內(nèi)外管壁間接觸應(yīng)力最大，數(shù)值為2.28MPa。② 對(duì)比序號(hào)1和序號(hào)6中近乎相等的“殘余外徑”及不同的“管壁間接觸應(yīng)力”數(shù)值可以得出，縮徑過(guò)程發(fā)生壁厚增加現(xiàn)象。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)復(fù)合管復(fù)合模型有限元分析結(jié)果，可以得出：

（1）采用“縮徑法”理論可以成功復(fù)合雙金屬?gòu)?fù)合管。

（2）復(fù)合過(guò)程伴隨著鋼管壁厚增加，且縮頸率越大壁厚增加越大。

（3）理論分析可復(fù)合成功，實(shí)際生產(chǎn)能否通過(guò)該方法成功復(fù)合及復(fù)合后管壁間接觸應(yīng)力是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，還需結(jié)合實(shí)際。

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［2］周杰.一種雙金屬?gòu)?fù)合管的制造方法：中國(guó)，201210393366.0[P].2014-05-07.

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［6］陳超祥，胡其登.SolidWorks Simulation基礎(chǔ)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

［7］陳超祥，胡其登.SolidWorks Simulation高級(jí)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［8］API SPEC 5L（第45版），管線鋼管規(guī)范[S].

［9］API SPEC 5LD （第3版），內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合鋼管規(guī)范[S].

［10］API SPEC 5LC：第3版，耐腐蝕合金管線鋼管[S].

Finite Element Analysis for Comp lex M odel of Bimetallic Com posite Pipe

BIAN Cheng1，WANG Qiang1，LICuiyan2
（1.CNPC Bohai Equipment Research Institute Transmission Equipment Branch,Qingxian 062658,Hebei,China；2.CNPCBohai Equipment Julong Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China)

Using the idea of “necking method” to manufacture bimetallic composite pipe,builded composite pipe complex model by SolidWorks software and carried out finite element analysis by SolidWorks Simulation module.Through stress analysis of composite pipe inside and outside pipe and tube wall contact stress analysis,finally it is concluded that：using the“neckingmethod” theory can successfully compound bimetallic composite pipe;with steel pipe wall thickness increasing,the necking rate and the wall thickness increase.

welded pipe;bimetallic composite pipe； neckingmethod； finite elementanalysis

TG335

A

1001－3938（2015）11-0006-03

邊 城（1980—），男，山東泰安人， 碩士研究生， 工程師，長(zhǎng)期從事焊管生產(chǎn)與研究工作。

2015-06-29

羅 剛