內(nèi)外管壁厚對雙金屬復(fù)合管成型效率的影響

武國營，沈理旭，羅 衡

（中海油能源發(fā)展湛江安全環(huán)保公司，湛江 524057）

內(nèi)外管壁厚對雙金屬復(fù)合管成型效率的影響

武國營，沈理旭，羅 衡

（中海油能源發(fā)展湛江安全環(huán)保公司，湛江 524057）

針對目前雙金屬復(fù)合管成型效率低的難題，基于彈塑性力學(xué)理論，利用有限元分析了內(nèi)管和外管的壁厚對雙金屬復(fù)合管成型的影響。分析得到，內(nèi)管和外管的壁厚越大，雙金屬復(fù)合管在塑性復(fù)合成型后，內(nèi)管的殘余接觸壓力也越大。研究結(jié)果表明，應(yīng)在合理的范圍選擇壁厚較大的內(nèi)管和外管進(jìn)行加工，為雙金屬復(fù)合管的選材提供了科學(xué)依據(jù)，對提高雙金屬復(fù)合管成型質(zhì)量具有理論意義。

雙金屬復(fù)合管；成型；壁厚；脹管壓力；殘余應(yīng)力

0 引言

在石油行業(yè)，使用管道的場所非常眾多，隨著石油工業(yè)以及其他機(jī)械行業(yè)的飛速發(fā)展，對管道性能的要求也在逐漸提高，單一性能的管道，如高強(qiáng)度管道或耐高溫管道等已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求，現(xiàn)代化的產(chǎn)業(yè)更加需求同時具備多種特性的管道，以一種性能的金屬材料為基體、另一種性能的金屬材料為增強(qiáng)體成型而制得的雙金屬復(fù)合管便投入了使用行業(yè)的使用中，并且快速成為了石油行業(yè)一種重要的管道，它的成型有塑性和非塑性兩種方法，而塑性成型則是最普遍的方法，雙金屬復(fù)合管塑性成型技術(shù)一般有兩種，機(jī)械脹接技術(shù)和柔性脹接技術(shù)[1～3]。成型的質(zhì)量直接影響著雙金屬復(fù)合管的使用性能，因此對雙金屬復(fù)合管成型質(zhì)量提高的研究顯得至關(guān)重要。

近年來，國內(nèi)外有許多學(xué)者已經(jīng)在進(jìn)行雙金屬復(fù)合管的研究。上個世紀(jì)，Krips等假設(shè)內(nèi)外管是理想彈塑性材料，材料的理論屈服強(qiáng)度與實際屈服強(qiáng)度一致，換熱管與管板二者彈性模量相同，分析了換熱管與管板的脹接全過程，最早得到了殘余接觸壓力的解析解[4]；日本的竹本昌史假設(shè)管材為理想彈塑性材料，并采用Tresca屈服準(zhǔn)則推導(dǎo)出脹管過程中脹管壓力pi與接觸壓力pc的關(guān)系[5]；1998年，我國的顏惠庚根據(jù)換熱管材料無應(yīng)變強(qiáng)化的假設(shè)，即假設(shè)換熱管為理想彈塑性材料，屈服強(qiáng)度與原材料的屈服強(qiáng)度一致，推導(dǎo)出了殘余接觸壓力prc的計算公式[6]。但是，研究影響成型質(zhì)量影響參數(shù)的文獻(xiàn)比較少見，而內(nèi)外管得壁厚是一個影響雙金屬復(fù)合管成型效率的關(guān)鍵參數(shù)，因此研究壁厚對成型的影響規(guī)律是一個亟待解決的課題，本文通過詳細(xì)分析了內(nèi)管和外管壁厚對雙金屬復(fù)合管成型殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，結(jié)論可運(yùn)用于提高雙金屬復(fù)合管的成型效率。

1 雙金屬復(fù)合管成型過程力學(xué)分析與建模

將雙金屬復(fù)合管的成型過程簡化為平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析，建立如圖1所示的力學(xué)分析模型，從左至右分別表示初始狀態(tài)、加載階段、卸載階段。一般情況下，內(nèi)管與外管接觸時，內(nèi)層管已發(fā)生了較大的塑性變形，所以內(nèi)管需考慮材料的應(yīng)變強(qiáng)化，假設(shè)內(nèi)層管為線彈性強(qiáng)化材料模型。而外管在雙金屬復(fù)合管的塑性成型中一般是控制在彈性范圍之內(nèi)，或者是發(fā)生的塑性變形非常小，對于一般塑性較好的材料大都落在其屈服平臺內(nèi)，因此外管可忽略材料的應(yīng)變強(qiáng)化，可假設(shè)外管是理想彈塑性材料模型[7,8]。

圖1 塑性復(fù)合力學(xué)模型

下面利用有限元來分析壁厚對雙金屬成型的影響，為簡化問題，建模中假設(shè)：1）內(nèi)外管均為均質(zhì)材料；2）內(nèi)外管的軸向中心線完全重合；3）忽略管材不同位置硬度的差異。模型如圖2所示。

圖2 雙金屬復(fù)合管有限元模型

2 內(nèi)管壁厚對雙金屬復(fù)合管塑性成型的影響

保持外管為Φ48×3.5管材不變，內(nèi)外管的初始間隙不變，不斷改變內(nèi)管的壁厚，研究內(nèi)管壁厚變化對雙金屬復(fù)合管殘余應(yīng)力的影響。分析具有不同壁厚內(nèi)管的雙金屬復(fù)合管塑性成型所需的最小脹管壓力pimin、最大脹管壓力pimax以及脹管壓力pi達(dá)到彈性極限時的殘余應(yīng)力εθio*。計算中，內(nèi)管以Φ40.5×0.5為基礎(chǔ)，逐漸擴(kuò)大內(nèi)管壁厚，分別計算了壁厚0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.16種壁厚的內(nèi)管。

計算后發(fā)現(xiàn)，在脹管壓力不變的情況下，內(nèi)管的殘余應(yīng)力隨著內(nèi)管壁厚的增加越來越小，但是在計算中發(fā)現(xiàn)，隨著內(nèi)管壁厚的增加，復(fù)合管塑性復(fù)合時說需要的最小脹管壓力是逐漸增加的。如果脹管壓力不變，每當(dāng)內(nèi)管壁厚增加0.1mm，則內(nèi)外管在屬性復(fù)合后內(nèi)管的殘余應(yīng)力便降低0.5MPa左右，但是這種變化無法觀測內(nèi)管壁厚對雙金屬復(fù)合管塑性復(fù)合的影響。所以，下面從不同內(nèi)管壁厚的最小脹管壓力出發(fā)，即每次均加載內(nèi)管壁厚對應(yīng)的最小脹管壓力，研究雙金屬復(fù)合管塑性成型后內(nèi)管的殘余接觸壓力變化。有之前的有限元分析可以知道，本文所推導(dǎo)的理論公式是正確的，所以可直接通過理論公式計算出各種最小脹管壓力。

通過計算后得到的不同壁厚對應(yīng)的最小脹管壓力如表1所示。計算出的最小脹管壓力已通過有限元計算進(jìn)行了驗證，結(jié)果進(jìn)行了取整。

表1 不同內(nèi)管壁厚下的最小脹管壓力

內(nèi)管的殘余接觸壓力隨著壁厚變化在其所對應(yīng)的最小脹管壓力下的變化如圖3所示。

圖3 內(nèi)管壁厚對內(nèi)管殘余接觸壓力的影響

從圖3可以看出，隨著內(nèi)管壁厚的增加，雙金屬復(fù)合管在塑性復(fù)合成型后，內(nèi)管的殘余接觸壓力也在逐漸增加，但是增加的幅值較小，所以在允許的尺寸中，適當(dāng)?shù)卦黾觾?nèi)管壁厚更有利于復(fù)合后雙金屬復(fù)合管的使用。

3 外管壁厚對雙金屬復(fù)合管塑性成型的影響

保持內(nèi)管為Φ40.5×0.5管材不變，內(nèi)外管的初始間隙不變，不斷改變外管的壁厚，研究外管壁厚變化對雙金屬復(fù)合管殘余應(yīng)力的影響。分析具有不同壁厚外管的雙金屬復(fù)合管塑性成型所需的最小脹管壓力pimin、最大脹管壓力pimax以及脹管壓力pi達(dá)到彈性極限時的殘余應(yīng)力εθio*。計算中，外管以Φ48×3.5為基礎(chǔ)，逐漸變化內(nèi)管壁厚，分別計算了壁厚3、4、4.5、5、5.5、6種壁厚的內(nèi)管。

由于之前的理論分析沒有推導(dǎo)外管壁厚與脹管壓力的關(guān)系，所以在此逐漸變化脹管壓力，用有限元模型進(jìn)行逐一試算，最后得到內(nèi)外管殘余應(yīng)力剛好為0時的脹管壓力，即外管壁厚所對應(yīng)的最小脹管壓力，計算出的值如表2所示。

表2 不同外管壁厚下的最小脹管壓力

外管的殘余接觸壓力隨著壁厚變化在其所對應(yīng)的最小脹管壓力下的變化如圖4所示。

圖4 內(nèi)管壁厚對內(nèi)管殘余接觸壓力的影響

從圖4可以看出，隨著外管壁厚的增加，雙金屬復(fù)合管在塑性復(fù)合成型后，內(nèi)管的殘余接觸壓力也在逐漸增加，但是增加的幅值比內(nèi)管壁厚對殘余接觸壓力的影響還小，所以在允許的尺寸中，適當(dāng)?shù)卦黾油夤鼙诤窀欣趶?fù)合后雙金屬復(fù)合管的使用。

從圖3和圖4還可以看出，不論內(nèi)管還是外管的壁厚增加，對應(yīng)的最小脹管壓力都在增加，所以雖然殘余接觸壓力也在增加，但是不提倡采取增加內(nèi)外管壁厚的方式來達(dá)到所需的內(nèi)外管復(fù)合后形成的雙金屬復(fù)合管性能，應(yīng)根據(jù)實際情況選取合理的內(nèi)外管壁厚進(jìn)行塑性成型。

4 結(jié)論

本文建立了雙金屬復(fù)合管成型的有限元模型，并通過變化內(nèi)管和外管的壁厚計算了雙金屬復(fù)合管成型后的殘余應(yīng)力，研究得到了以下結(jié)論：

1）隨著內(nèi)管和外管壁厚的增加，雙金屬復(fù)合管在塑性復(fù)合成型后，內(nèi)管的殘余接觸壓力也在逐漸增加，但是增加的幅值較小，而且內(nèi)管壁厚對殘余應(yīng)力的影響大于外管壁厚對殘余應(yīng)力的影響，所以在考慮經(jīng)濟(jì)的前提，可盡量多的選擇壁厚較大的內(nèi)管。

2）隨著壁厚的增加，雙金屬復(fù)合管成型時需要的脹管壓力也在增加，這就增加了成型的成本，所以不能無限制的采取增加內(nèi)外管壁厚的方式來提高雙金屬復(fù)合管的成型質(zhì)量，而是應(yīng)該綜合脹管壓力的因素選擇一個最佳的壁厚進(jìn)行塑性成型。

[1] 於方,秦建平.雙金屬管在管道輸送中的應(yīng)用[J].鋼管,2000, 29(1):34-36.

[2] 王學(xué)生.液壓脹合復(fù)合管制造裝置及復(fù)合管脹合與使用的力學(xué)分析[D].華東理工大學(xué),2001.

[3] 俞家正.金屬復(fù)合管及制作方法和管接頭:中國,F16L9/14, 96123012.6,[P].1998.

[4] H.KriPs,M.Pohdorsky.Hyraolic Expansion—a New Method for Anchoring of Tubes[J].VGBKRAFWERKSTECHNIK,1976,(7):418-426.

[5] 竹本昌史.列管式換熱器的強(qiáng)度—液壓脹管接頭的拉脫禁錮力[J].壓力容器,1984,(2):68-75.

[6] 顏惠庚.換熱管液體袋式液壓脹管裝備與技術(shù)[D].華東理工大學(xué),1998.

[7] 顏惠庚,張炳生,葛樂通,等.換熱器的液壓脹管研究(一)——脹接壓力的確定[J].壓力容器,1996,13(2):36-40.

[8] 顏惠庚,張炳生,葛樂通,等.換熱器的液壓脹管研究(二)——?dú)堄嘟佑|壓力與摩擦系數(shù)[J].壓力容器,1996,13(4):39-43.

Influence of bimetallic composite pipe forming efficiency for inner and outer tube wall thickness

WU Guo-ying, SHEN Li-xu, LUO Heng

TB121

：A

1009-0134(2017)01-0001-03

2016-06-02

武國營（1975 -），男，工程師，工程學(xué)士，主要從事油氣開發(fā)、生產(chǎn)、儲運(yùn)以及相關(guān)作業(yè)的安全技術(shù)服務(wù)工作。