內襯雙金屬復合管緊密度測量及影響因素

2014-01-23 03:11:32楊專釗吳金輝

焊管 2014年3期

謝勇，曹勝，楊專釗，吳金輝

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710077；2.中石化股份公司管道儲運分公司，江蘇徐州221008）

0 前言

雙金屬內襯復合管塑性復合成型技術是利用金屬管材的彈塑性能來實現內管與外管之間緊密結合的工藝。目前主要有液壓法、爆燃法、旋壓法等，其中液壓成型復合因脹合力均勻，且大小容易控制，比其它方法更易實現。

緊密度是衡量雙金屬內襯復合管復合質量的重要指標。國內油氣輸送用雙金屬復合管制造標準一般采用API SPEC 5LD標準，其關于緊密度值的測定方法，要求由購方和制造商協商制定，同時還推薦了一種殘余接觸應力的測量方法。用該方法實際測量時，需貼應變片，使用動態應變儀，不適合工業化批量生產時的質量檢驗；另外，采用該方法測量時要切開外層基管鋼管，這樣會導致內襯管的彈性減小甚至消失，使測量的應變值存在誤差。標準中關于緊密度值的評判缺乏理論依據，往往導致相似工況下不同的設計單位，緊密度要求差異也較大。因此，如果能找出一種直接表征雙金屬復合管緊密度值的試驗方法，且簡單實用、重復性好，分析影響緊密度值的因素，具有非常現實的意義。

1 殘余接觸應力與殘余接觸壓力的關系

API SPEC 5LD推薦的緊密度測量方法為，從襯里復合鋼管上切取一小段環形試驗鋼管，將2～4片雙軸應變片貼于環形試驗管段合金層內表面，用鋸切基體鋼管的方法取出耐腐蝕合金層。測量取出耐腐蝕合金層前后的環向和軸向應力變化。通過式（1）計算得到殘余接觸應力—緊密度值。

根據規定，圓周方向（環向）的接觸應力為

式中：σy—環向接觸應力，MPa；

Ei—內層管材料的彈性模量，MPa；

νi—耐腐蝕合金層或內層管材料的泊松比；

εy—環向應變；

εx—軸向應變；

η—應變片數量。

復合管在液壓成型過程中，采用兩端開式的自緊式密封結構，內外管的軸向力很小，故管子受力狀態可忽略軸向力的影響，按平面應力分析，軸向應變εx近似為0。取所有周向應變的平均值則

復合管成型過程中復合原理為：對復合管內層管內壁表面施加均勻液壓力pi，內層管首先處于彈性變形階段。隨著壓力pi的升高，內層管進入全面屈服狀態。隨著內壓力的繼續增加，內層管與外層管貼合，并產生接觸壓力pc。當管內壓力pi卸除后，外層管的彈性回復大于內層管的彈性回復，內外管之間存在殘余接觸壓力pc*，使內外管緊密貼合，成型為雙金屬復合管。復合管復合成型后內外層接觸面的受力情況如圖1所示。

圖1 復合管成型后內外層管受力狀態

內層管可簡化僅受外壓pc*作用時的鋼管殼體，假設鋼管殼體內表面任意測試點處的環向應力為σθ，軸向應力為σz，徑向應力為σr，則[3]

其中k=do/di。

di，d0—內層管內、外直徑，mm；

根據廣義胡克定律，鋼管殼體內表面測試點的環向應變εθ，軸向應變εz，則

由（3）和（4）式得

式（6）中的 “－”表示受力方向為壓應力。

由式（6）可得，殘余接觸應力與殘余接觸壓力的正相關關系。評價復合管的緊密度，可以轉化為測量復合管內外層管間的殘余接觸壓力pc*。

2 殘余接觸壓力的測量

由于殘余接觸壓力及復合管內部相互應力的作用，內外層鋼管緊密貼合。如果要使內外層管發生相對滑動，需克服兩物體接觸面間的滑動摩擦力f。而滑動摩擦力的大小，就與滑動摩擦系數μ及兩物體間的相互擠壓力F有關。復合管液壓成型后內外層鋼管的受力情況見圖1。假設內外層鋼管接觸面之間的殘余接觸壓力均勻一致，那么

式中：S—兩物體間的接觸面積。

如圖2所示，取一段復合管管環試樣，施加推脫力 Fo，管環 L 段相對接觸面積 S=πdo（H1-H2）。由于內外層鋼管存在動摩擦力f，發生相對滑動所需的推脫力

由（8）式得，

圖2 復合管緊密度管環試樣結構

由于油氣輸送用雙金屬復合管，一般外層為碳鋼管，內層為耐腐蝕合金鋼管，內外層間的滑動摩擦系數為常數。因此由式（6）和式（9）可知，評價緊密度可以轉化為測量內外層發生相對移動所需要的軸向推脫力Fo*上來。

推脫力Fo*可在拉力試驗機上測得，拉力試驗機在各復合管生產廠家是必不可少的試驗設備。

3 緊密度影響因素

3.1 復合管液壓成型壓力影響

通過復合管的液壓成型原理，可以得到液壓成型壓力與殘余接觸壓力的關系式為[4]

其中K=Do/Di。

式中：σso—外層管材料的屈服強度應力，MPa；

σsi′—內層管材料的應變強化應力，MPa；

Di，Do—外層管內、外直徑，mm。

通過以上理論計算可知，殘余接觸壓力與液壓成型壓力正相關，但由于內外層鋼管的的材料性能關系，殘余接觸壓力存在最大值。

3.2 溫度影響

油氣輸送用內襯復合管在管線施工時，為防止碳鋼腐蝕后對管線的安全使用造成不利影響，還需要對鋼管進行三層PE防腐，保護鋼管外壁。3PE防腐工藝中鋼管涂敷溫度一般為195～230℃。下面以內襯不銹鋼復合鋼管為試驗管，模擬防腐生產工藝，將其在爐內加熱到250℃，保溫15 min后空冷。加熱前后各取2個試樣進行緊密度試驗，分析殘余接觸壓力的變化情況。緊密度試樣結構見圖2。殘余接觸壓力的計算方法見式（9）。復合管內層管材質為316L奧氏體不銹鋼，外層管材質為X65低碳合金鋼，試驗管相關性能見表1，加熱前后復合管的殘余接觸壓力變化見表2。

由表2可知，經過爐內250℃高溫保溫15 min，自然空冷后，該復合管的殘余接觸壓力降低了78%,這是由于內層管的熱膨脹系數是外層管的1.5倍。當對內外層加溫時，內外層之間的接觸壓力隨著溫度的增加而增大。由于內層管的屈服強度小于外層管的屈服強度，當溫度增加到極限溫度T0時，接觸壓力達到內層管的反向屈服強度，內層管開始反向屈服。隨著溫度的繼續增加，接觸壓力保持在發生反向屈服時的最大值上，內層管將隨溫度的增加不斷產生塑性流動。當溫度增加停止，并開始回復時，接觸壓力從反向屈服時的最大值迅速減小，有可能最終殘余接觸壓力為零，此時內外層管也有松脫的可能。

圖3為試驗測得的某內層管為不銹鋼，外層為碳鋼的復合管殘余接觸壓力與加熱溫度的關系。當加熱溫度超過反向屈服溫度T0后，隨著溫度的升高后冷卻，其殘余接觸壓力逐漸降低。當溫度升高到一定狀態時，內外層分層松脫[5]。