雙金屬復(fù)合管成型仿真分析

摘 要：針對(duì)石油工程中鉆桿及管道材料的頻繁失效問題，提出了使用雙金屬復(fù)合材料加工石油用管材的方法。分析了雙金屬復(fù)合管的塑性成形法的幾種加式方法；仿真分析了塑性成形法加式雙金屬復(fù)合管時(shí)材料的彈性模量及屈服強(qiáng)度對(duì)內(nèi)外管殘余應(yīng)力的影響。

關(guān)鍵詞：雙金屬復(fù)合管；塑性成形法；彈性模量；屈服強(qiáng)度；殘余應(yīng)力

1 緒論

隨著石油工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)鉆桿及管道材料性能的要求也逐漸提高，金屬復(fù)合材料在這種需求下誕生。金屬復(fù)合材料是以一種性能的金屬材料為基體，以另一種性能的金屬材料為增強(qiáng)體成形而制得的復(fù)合材料所以它可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行組合[1]。在雙金屬復(fù)合管的成形方法及生產(chǎn)工藝上，分別有冶金復(fù)合、釬焊復(fù)合、爆炸復(fù)合、拉拔復(fù)合以及液壓復(fù)合等多種成形方法，并且已經(jīng)形成了許多專利技術(shù)[2]。其中塑性成形法具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗等優(yōu)點(diǎn)，己成為當(dāng)今制造金屬復(fù)合材料的主打技術(shù)[3]，主要包括機(jī)械拉拔法、爆炸成形法、滾壓法及液壓脹形法等[4]。

2 塑性成形法

雙金屬復(fù)合管塑性成形技術(shù)一般有兩種，分別是機(jī)械脹接技術(shù)、柔性脹接技術(shù)。而機(jī)械脹接技術(shù)包括了拉拔成形法、滾壓成形法等；柔性脹接技術(shù)包括了爆炸成形法、液壓成形法等。

2.1 滾壓成形法

滾壓成形法典型的方法是滾壓復(fù)合技術(shù)，是通過在雙金屬管道里面用放入滾動(dòng)體，并用心軸回轉(zhuǎn)帶動(dòng)其不斷擠壓內(nèi)管，如圖1所示。

2.2 拉拔成形法

拉拔成形法是分別取兩根已經(jīng)制好的金屬管，將內(nèi)徑大的套在外徑小的外面，然后通過拉拔金屬管或者成形模，實(shí)現(xiàn)二者緊密配合的機(jī)械結(jié)合，最終成形雙金屬復(fù)合管，如圖2所示。

2.3 爆炸成形法

爆炸成形法的原理是利用炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波，使制造雙金屬復(fù)合管的兩種金屬實(shí)現(xiàn)固相焊接。

2.4 液壓成形法

液壓成形法的原理是先將內(nèi)管和外管套裝在一起將液體注入筒內(nèi)，然后對(duì)內(nèi)管液體進(jìn)行加壓，并逐漸增加壓力，內(nèi)層管由彈性變形逐漸進(jìn)入塑性變形，并貼緊外管，貼緊后繼續(xù)在直徑方向向上塑性膨脹，兩管緊密地貼合在一起，形成所需的雙金屬復(fù)合管。

3 成型仿真分析

對(duì)雙金屬復(fù)合管建立有限元模型，有限元分析采用ABAQUS軟件。內(nèi)管外徑為40.5mm，壁厚0.5mm；外管外徑為48mm，壁厚3.5mm；內(nèi)外管之間的初始間隙為0.2mm；內(nèi)外管長度均為100mm。在模擬中，對(duì)內(nèi)管施加的脹管壓力從0逐漸增加為45MPa，然后逐漸卸載，選取不同的材料，分析材料彈性模量及屈服強(qiáng)度對(duì)內(nèi)外管殘余應(yīng)力的影響，如圖3～圖6所示。

4 結(jié)束語

參考文獻(xiàn)

[1]于方，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]賈建波，徐巖.雙金屬復(fù)合管塑性成形工藝[J].北華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，6（10）：279-284.

[3]巢鵬飛，楊連發(fā)，于強(qiáng)，等.塑性成形技術(shù)在金屬復(fù)合管制備中的應(yīng)用及展望[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2005，12（2）：42-47.

[4]Chen W C，Petersen C W.Corrosion Performance of Welded CRA-lined Pipes for Flow Lines[J]. SPE Production Engineering， 1992，7（4）：375-378.