雙金屬復(fù)合管液脹成形壓力分析研究

胡 洪，梁國棟，寇永樂，徐能惠，隋 建

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.西安向陽航天材料股份有限公司，陜西 西安 710000)

雙金屬復(fù)合管液脹成形壓力分析研究

胡 洪1，梁國棟2，寇永樂1，徐能惠1，隋 建1

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.西安向陽航天材料股份有限公司，陜西 西安 710000)

本文首先分析了雙金屬復(fù)合管液脹成形原理，在獲得基管和襯管材料力學(xué)性能參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)基管和襯管滿足液脹復(fù)合判據(jù)條件進(jìn)行了研究；研究了不同脹形壓力下基管與襯管殘余接觸壓應(yīng)力的變化；最后研究了不同襯管材料對(duì)脹形壓力和殘余接觸壓應(yīng)力的影響，為雙金屬復(fù)合管液脹成形工程實(shí)際提供了重要依據(jù)。

雙金屬；復(fù)合管；液脹成形；脹形壓力；殘余應(yīng)力

0 前言

隨著全世界油氣采輸向海洋、深井等高腐蝕環(huán)境的發(fā)展，由于油氣田中CO2、H2S等腐蝕物質(zhì)含量很高，常出現(xiàn)因管道腐蝕造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和事故，因此，如何提高鋼管的耐腐蝕能力是當(dāng)前鋼管工業(yè)研究的重要課題之一。 采用耐蝕合金是提高油氣管道在高腐蝕性油氣田開采作業(yè)中安全性的有效措施，但管材僅有1/3左右部分用作抗蝕，其余部分用作結(jié)構(gòu)支撐，另外由于純合金管材的耐壓強(qiáng)度低，同樣壓力需要鋼管的壁厚較大，造成了資源的浪費(fèi)；國外的研究和應(yīng)用結(jié)果都表明，使用雙金屬復(fù)合管是解決油氣管道內(nèi)部腐蝕問題相對(duì)安全和經(jīng)濟(jì)的最為有效方式之一。

雙金屬復(fù)合管是由兩種不同材質(zhì)的金屬管材構(gòu)成，一種管材在內(nèi)，主要承受腐蝕，另一種管材在外，用于強(qiáng)度支撐，管層之間通過各種變形和連接技術(shù)形成緊密結(jié)合的新型管材。文獻(xiàn)[1～8]對(duì)雙金屬復(fù)合管的成形方法以及應(yīng)用前景進(jìn)行了分析，對(duì)比了幾種成形工藝，對(duì)我國雙金屬復(fù)合管工業(yè)的發(fā)展有一定參考，文獻(xiàn)[9]對(duì)雙金屬復(fù)合管的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析。結(jié)合國外經(jīng)驗(yàn)，液脹成形技術(shù)是雙金屬復(fù)合管最佳的成形方式，但目前國內(nèi)對(duì)該成形方式僅進(jìn)行了初步理論研究，雖然有指導(dǎo)意義，但對(duì)其成形關(guān)鍵技術(shù)研究較少，因此本文在中國重型院雙金屬復(fù)合管液脹成形設(shè)備研制的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)雙金屬復(fù)合管液脹成形關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入分析研究。

1 雙金屬復(fù)合管液脹成形原理分析

雙金屬復(fù)合管液脹成形主要是依靠液壓力，使內(nèi)層合金管(以下簡稱襯管)和外層碳鋼管(以下簡稱基管)發(fā)生變形，并在兩管之間產(chǎn)生殘余接觸應(yīng)力，其原理如圖1所示。首先將外層碳鋼管和內(nèi)層合金管兩管穿套在一起；然后在襯管內(nèi)加壓，隨著管內(nèi)壓力升高，襯管由彈性變形狀態(tài)進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，并剛好與基管貼合；之后當(dāng)管內(nèi)壓力繼續(xù)升高，基管和內(nèi)襯管兩管同時(shí)產(chǎn)生一定變形；當(dāng)襯管內(nèi)壓力卸除后，如基管彈性回復(fù)能力大于襯管的彈性回復(fù)能力，則基管和內(nèi)襯管緊密結(jié)合，并產(chǎn)一定殘余接觸應(yīng)力，形成雙金屬復(fù)合管。圖1中，0為內(nèi)襯管與基管穿管完成后示意；1為內(nèi)襯管發(fā)生塑性變形后與基管剛好緊密接觸示意；2為內(nèi)襯管、基管均發(fā)生變形示意；4為復(fù)合結(jié)束，管內(nèi)壓力卸除后示意。

圖1 雙金屬復(fù)合管液脹成形原理圖Fig.1 Double metal composite tube hydraulic expansion forming principle diagram

2 材料力學(xué)性能參數(shù)確定

雙金屬復(fù)合管液脹成形過程中，涉及了不同材料的彈塑性變形、自動(dòng)穿管裝置的研制、復(fù)合全夾持模具設(shè)計(jì)、脹形壓力的確定及精確控制、高壓脹形模具的設(shè)計(jì)、基管和內(nèi)襯管間的排氣等關(guān)鍵技術(shù)，受篇幅所限，本文僅對(duì)復(fù)合脹形壓力的確定及不同脹形壓力對(duì)殘余接觸應(yīng)力的影響進(jìn)行深入研究。

本文研究雙金屬復(fù)合管尺寸參數(shù)如下：

基管直徑D219 mm

基管壁厚T11.7 mm

基管材質(zhì) X65

襯管外徑d192.6 mm

襯管壁厚t3 mm

襯管材質(zhì) 316L

基管與襯管直徑間隙 △ 3 mm

基管的材料和內(nèi)襯管的材料性能參數(shù)是確定液壓脹形力的基礎(chǔ)，因此首先需要確定材料的力學(xué)性能參數(shù)。

本文通過單向拉伸實(shí)驗(yàn)，獲得管件基本力學(xué)性能參數(shù)。分別沿鋼管周向和軸向取樣，如圖2所示，該單向拉伸實(shí)驗(yàn)可在常用單向拉伸試驗(yàn)機(jī)上完成，試樣具體尺寸按國標(biāo)GB228-87選取，測(cè)得主要力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

圖2 拉伸試樣變形前后實(shí)例圖Fig.2 Tensile samples of before and after deformation

316LX65彈性模量E/GPa200207泊松比λ0.280.3屈服強(qiáng)度σ0.2/MPa300418真實(shí)應(yīng)變0.1時(shí)對(duì)應(yīng)的σ/MPa420785真實(shí)應(yīng)變0.2時(shí)對(duì)應(yīng)的σ/MPa620853

3 基管與襯管液脹復(fù)合判據(jù)分析

雙金屬復(fù)合管液脹成形過程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示，雙金屬復(fù)合管液脹成形主要分為三個(gè)階段，0～1為襯管變形，襯管由彈性變形進(jìn)入塑性變形，并最終與基管接觸；1～2基管和內(nèi)襯管一起發(fā)生變形；2～3基管與襯管發(fā)生回彈。

圖3 雙金屬復(fù)合管液脹成形過程應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Double metal composite tube hydraulic expansion forming process stress strain curves

由前述可知，在雙金屬復(fù)合管液脹成形過程中主要需要研究襯管發(fā)生變形時(shí)脹形壓力P1，基管與襯管同時(shí)發(fā)生變形時(shí)的最大脹形力P2，以及完成復(fù)合脹形后基管與襯管之間的殘余接觸應(yīng)力PC； 另外，研究基管與襯管材料匹配性以及研究影響基管與襯管之間的殘余接觸應(yīng)力PC大小的因素也具有較大意義。

通過本文第1節(jié)關(guān)于雙金屬復(fù)合管液脹成形原理分析可知，基管與襯管之間要獲得殘余接觸應(yīng)力，必須要求在卸載完成后(即圖1中完成程序3后)，復(fù)合完成后基管回彈量εoback必須大于復(fù)合完成后襯管回彈量εiback，因此要求εoback>εiback。如圖3所示，εoback和εiback均為彈性卸載的應(yīng)變變化量，其中基管周向應(yīng)力σθo、基管彈性模量Eo、襯管周向應(yīng)力σθi、襯管彈性模量Ei之間的關(guān)系為

εoback=σθo/Eo，εiback=σθi/Ei

以本文主要研究的兩種規(guī)格鋼管為例進(jìn)行具體說明。假設(shè)基管與襯管在復(fù)合過程中，基管內(nèi)壁達(dá)到最大彈性變形量，此時(shí)σθo= 418 MPa，Eo= 207 GPa；對(duì)于襯管，在復(fù)合過程中周向應(yīng)變由兩部分組成，第一部分為圖1中由0～1過程發(fā)生的周向應(yīng)變，第二部分為圖1中由1～2過程發(fā)生的周向應(yīng)變，基于在復(fù)合過程中基管僅發(fā)生彈性變形，對(duì)襯管而言第二部分周向應(yīng)變相對(duì)于第一部分很小，可以忽略，襯管第一部分周向應(yīng)變公式(1)計(jì)算得到，εi=0.01558，由襯管的力學(xué)性能曲線可知此時(shí)對(duì)應(yīng)的σθi=318.7 MPa，

(1)

因此εoback=σθo/Eo=418/207=2.02

εiback=σθi/Ei=318.7/200=1.59

由于εoback>εiback，因此本文研究的這兩種鋼管是可以采用液脹成形方式進(jìn)行復(fù)合成形。

需要說明的是，上述探討是基于假設(shè)基管不發(fā)生塑性變形得到的，而在基管與襯管復(fù)合過程中，基管會(huì)發(fā)生一定的變形量，但這并不影響基管與襯管復(fù)合判據(jù)分析，只需要將基管與襯管的最終的周向應(yīng)力帶入即可。

4 基管與襯管液壓脹形復(fù)合脹形力分析

基管與襯管在復(fù)合脹形過程中，步驟一是襯管發(fā)生彈塑性變形并剛與基管接觸，步驟二是基管與襯管同步發(fā)生變形，步驟三為基管與襯管回彈過程。

本文研究的內(nèi)襯管外徑d=192.6 mm，襯管壁厚t=3 mm，襯管材質(zhì)為316L，由于d>>t，內(nèi)襯管可看作薄壁管，因此內(nèi)襯管的周向應(yīng)力可由公式(2)計(jì)算所得

(2)

式中，σθi=300 MPa；t= 3 mm；d= 192.6 mm。

可以求得P1=9.346 MPa，即只有當(dāng)復(fù)合脹形壓力大于9.346 MPa時(shí)，襯管才會(huì)發(fā)生塑性變形，考慮到材料加工硬化效應(yīng)，當(dāng)襯管與基管接觸后，襯管周向應(yīng)變?chǔ)舏=0.01558，由襯管的力學(xué)性能曲線可知此時(shí)對(duì)應(yīng)的σθi=318.7 MPa，因此通過計(jì)算可得此時(shí)需要的脹形壓力為9.93 MPa。

基管與襯管復(fù)合所需的最小及最大脹形力可可利用公式3和4[10～12]計(jì)算所得，這為雙金屬復(fù)合管液脹成形理論計(jì)算提供了一定的理論依據(jù)。但需要說明的是，公式3和4是在假設(shè)基管不發(fā)生塑性變形的基礎(chǔ)上得到的，因此與實(shí)際雙金屬復(fù)合管液脹成形工藝不符，還需要進(jìn)一步完善。

(3)

(4)

雙金屬復(fù)合管液脹成形過程涉及到不同材料的彈塑性變形，是復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變過程，單純依靠理論計(jì)算，無法精確揭示該成形理論，因此，下面將通過計(jì)算機(jī)有限元模擬進(jìn)一步分析該成形過程中脹形力對(duì)于殘余接觸應(yīng)力的影響，并分析相同材料基管條件下，不同襯管材料對(duì)于脹形力和殘余接觸應(yīng)力的影響。

5 基管與襯管復(fù)合脹形力有限元模擬分析

本文采用ABAQUS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，按照前文所述的基管與襯管的尺寸參數(shù)以及材料性能參數(shù)進(jìn)行建模。為提高計(jì)算效率，將基管與襯管簡化為平面模型進(jìn)行，并取管長為0.3 m；對(duì)基管與襯管進(jìn)行軸對(duì)稱約束，在襯管內(nèi)壁施加內(nèi)壓P；并將基管內(nèi)壁與襯管外壁、基管外壁與模具內(nèi)壁設(shè)置接觸；對(duì)于外模，可簡化為剛性體進(jìn)行計(jì)算， 模型建立如圖4所示。

圖4 雙金屬復(fù)合管液脹成形有限元模型Fig.4 Double metal composite tube hydraulic expansion forming finite element model

5.1 脹形壓力對(duì)殘余接觸壓應(yīng)力的影響

本文分別研究襯管發(fā)生塑性變形剛好與基管接觸；襯管與基管同時(shí)變形，卸載后剛好接觸；襯管與基管同時(shí)變形，基管處于最大彈性變形時(shí)；襯管與基管同時(shí)變形，基管發(fā)生塑性變形并與外模接觸4個(gè)狀態(tài)下的脹形力和接觸應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬計(jì)算云如圖5～8所示。通過模擬計(jì)算可知，襯管在脹形力約為10 MPa時(shí)，發(fā)生塑性變形；脹形力在約為45 MPa時(shí)，基管與襯管剛好接觸，殘余很小壓應(yīng)力；脹形力約為56 MPa時(shí)，基管發(fā)生完全彈性變形；脹形力在約為70 MPa時(shí)，基管發(fā)生塑性變形并與外模接觸。

圖5 P= 10 MPa殘余應(yīng)力云圖Fig.5 Residual stress nephogram of P=10 MPa

圖6 P= 45 MPa殘余應(yīng)力云圖Fig.6 Residual stress nephogram of P=45 MPa

圖7 P=56 MPa 殘余應(yīng)力云圖Fig.7 P=56 MPa Residual stress nephogram

圖8 P=70 MPa 殘余應(yīng)力云圖Fig.8 P=70 MPa Residual stress nephogram

具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同脹形壓力對(duì)應(yīng)的殘余壓應(yīng)力

5.2 不同襯管材料對(duì)脹形壓力和殘余接觸壓應(yīng)力的影響

在工程實(shí)際中，為適應(yīng)不同地質(zhì)條件，需要不同材料內(nèi)襯管與相關(guān)基管進(jìn)行復(fù)合，因此本文主要研究在基管參數(shù)不變的情況下，不同內(nèi)襯管材料對(duì)脹形壓力和殘余接觸壓應(yīng)力的影響。

研究表明，相同脹形力條件下， 2#材料與基管產(chǎn)生的殘余接觸壓應(yīng)力較大；對(duì)兩種不同內(nèi)襯管復(fù)合，隨著脹形壓力的逐步提高，殘余接觸逐步增大，但當(dāng)脹形壓力增加到某一數(shù)值后，殘余壓應(yīng)力增加變緩，如表3、圖9所示。

表3 不同內(nèi)襯管對(duì)應(yīng)的材料力學(xué)性能

圖9 不同內(nèi)襯管脹形壓力和殘余接觸壓應(yīng)力曲線Fig.9 Different lining tube bulging pressure and residual contact pressure stress curve

6 結(jié)束語

中國重型機(jī)械研究院股份公司長期致力于油氣輸送裝備領(lǐng)域的研究與創(chuàng)新開發(fā)工作，在石油管道領(lǐng)域取得了一系列研究成果，已經(jīng)開發(fā)出雙金屬復(fù)合管液脹成形生產(chǎn)線，管徑范圍：88.9～914 mm，最大脹形壓力200 MPa，管長8～12.5 m,并為國內(nèi)企業(yè)設(shè)計(jì)成套了相關(guān)設(shè)備，為雙金屬復(fù)合管液脹成形工程實(shí)際應(yīng)用提供了重要依據(jù)。

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Research on the press during the hydraulic expansion forming of dual-metal clad tube

HU Hong1，LIANG Guo-dong2，KOU Yong-le1，XU Neng-hui1， SUI Jian1

(1.China National Heavy Machinery Institute Co., Ltd., Xi’an 710032，China；2.Xi’an Sunward Aerospace Material Co.，Ltd.，Xi’an 710000，China)

The forming principle of double metal clad tube hydraulic expansion is analyzed firstly, after acquired material mechanics performance parameters of the base pipe and liner, this article study the bulging compound criterion of the base pipe and liner. The residual contact pressure stress between base tube and liner is studied. At the end of the paper, the different liner material for bulging residual contact pressure and the influence of compressive stress are studied. These studies provides important basis for practical engineering.

double metal; clad tube; hydraulic expansion forming; expansion press; residual stress

2016-04-08；

2016-05-11

胡洪(1962-)，男，中國重型機(jī)械研究院股份公司高級(jí)工程師。

TG394

A

1001-196X(2016)06-0025-06