雙金屬復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合管液脹成形原理，在獲得基管和襯管材料力學性能參數的基礎上對基管和襯管滿足液脹復合判據條件進行了研究；研究了不同脹形壓力下基管與襯管殘余接觸壓應力的變化；最后研究了不同襯管材料對脹形壓力和殘余接觸壓應力的影響，為雙金屬復合管液脹成形工程實際提供了重要依據。

雙金屬；復合管；液脹成形；脹形壓力；殘余應力

0 前言

隨著全世界油氣采輸向海洋、深井等高腐蝕環境的發展，由于油氣田中CO2、H2S等腐蝕物質含量很高，常出現因管道腐蝕造成巨大的經濟損失和事故，因此，如何提高鋼管的耐腐蝕能力是當前鋼管工業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，其余部分用作結構支撐，另外由于純合金管材的耐壓強度低，同樣壓力需要鋼管的壁厚較大，造成了資源的浪費；國外的研究和應用結果都表明，使用雙金屬復合管是解決油氣管道內部腐蝕問題相對安全和經濟的最為有效方式之一。

雙金屬復合管是由兩種不同材質的金屬管材構成，一種管材在內，主要承受腐蝕，另一種管材在外，用于強度支撐，管層之間通過各種變形和連接技術形成緊密結合的新型管材。文獻[1～8]對雙金屬復合管的成形方法以及應用前景進行了分析，對比了幾種成形工藝，對我國雙金屬復合管工業的發展有一定參考，文獻[9]對雙金屬復合管的經濟優勢進行了分析。結合國外經驗，液脹成形技術是雙金屬復合管最佳的成形方式，但目前國內對該成形方式僅進行了初步理論研究，雖然有指導意義，但對其成形關鍵技術研究較少，因此本文在中國重型院雙金屬復合管液脹成形設備研制的成功經驗基礎上，對雙金屬復合管液脹成形關鍵技術進行深入分析研究。

1 雙金屬復合管液脹成形原理分析

雙金屬復合管液脹成形主要是依靠液壓力，使內層合金管(以下簡稱襯管)和外層碳鋼管(以下簡稱基管)發生變形，并在兩管之間產生殘余接觸應力，其原理如圖1所示。首先將外層碳鋼管和內層合金管兩管穿套在一起；然后在襯管內加壓，隨著管內壓力升高，襯管由彈性變形狀態進入塑性變形狀態，并剛好與基管貼合；之后當管內壓力繼續升高，基管和內襯管兩管同時產生一定變形；當襯管內壓力卸除后，如基管彈性回復能力大于襯管的彈性回復能力，則基管和內襯管緊密結合，并產一定殘余接觸應力，形成雙金屬復合管。圖1中，0為內襯管與基管穿管完成后示意；1為內襯管發生塑性變形后與基管剛好緊密接觸示意；2為內襯管、基管均發生變形示意；4為復合結束，管內壓力卸除后示意。

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

2 材料力學性能參數確定

雙金屬復合管液脹成形過程中，涉及了不同材料的彈塑性變形、自動穿管裝置的研制、復合全夾持模具設計、脹形壓力的確定及精確控制、高壓脹形模具的設計、基管和內襯管間的排氣等關鍵技術，受篇幅所限，本文僅對復合脹形壓力的確定及不同脹形壓力對殘余接觸應力的影響進行深入研究。

本文研究雙金屬復合管尺寸參數如下：

基管直徑D219 mm

基管壁厚T11.7 mm

基管材質 X65

襯管外徑d192.6 mm

襯管壁厚t3 mm

襯管材質 316L

基管與襯管直徑間隙 △ 3 mm

基管的材料和內襯管的材料性能參數是確定液壓脹形力的基礎，因此首先需要確定材料的力學性能參數。

本文通過單向拉伸實驗，獲得管件基本力學性能參數。分別沿鋼管周向和軸向取樣，如圖2所示，該單向拉伸實驗可在常用單向拉伸試驗機上完成，試樣具體尺寸按國標GB228-87選取，測得主要力學性能參數如表1所示。

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

316LX65彈性模量E/GPa200207泊松比λ0.280.3屈服強度σ0.2/MPa300418真實應變0.1時對應的σ/MPa420785真實應變0.2時對應的σ/MPa620853

3 基管與襯管液脹復合判據分析

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

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

由前述可知，在雙金屬復合管液脹成形過程中主要需要研究襯管發生變形時脹形壓力P1，基管與襯管同時發生變形時的最大脹形力P2，以及完成復合脹形后基管與襯管之間的殘余接觸應力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力PC大小的因素也具有較大意義。

通過本文第1節關于雙金屬復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力，必須要求在卸載完成后(即圖1中完成程序3后)，復合完成后基管回彈量εoback必須大于復合完成后襯管回彈量εiback，因此要求εoback>εiback。如圖3所示，εoback和εiback均為彈性卸載的應變變化量，其中基管周向應力σθo、基管彈性模量Eo、襯管周向應力σθi、襯管彈性模量Ei之間的關系為

εoback=σθo/Eo，εiback=σθi/Ei

以本文主要研究的兩種規格鋼管為例進行具體說明。假設基管與襯管在復合過程中，基管內壁達到最大彈性變形量，此時σθo= 418 MPa，Eo= 207 GPa；對于襯管，在復合過程中周向應變由兩部分組成，第一部分為圖1中由0～1過程發生的周向應變，第二部分為圖1中由1～2過程發生的周向應變，基于在復合過程中基管僅發生彈性變形，對襯管而言第二部分周向應變相對于第一部分很小，可以忽略，襯管第一部分周向應變公式(1)計算得到，εi=0.01558，由襯管的力學性能曲線可知此時對應的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行復合成形。

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

4 基管與襯管液壓脹形復合脹形力分析

基管與襯管在復合脹形過程中，步驟一是襯管發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生變形，步驟三為基管與襯管回彈過程。

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

(2)

式中，σθi=300 MPa；t= 3 mm；d= 192.6 mm。

可以求得P1=9.346 MPa，即只有當復合脹形壓力大于9.346 MPa時，襯管才會發生塑性變形，考慮到材料加工硬化效應，當襯管與基管接觸后，襯管周向應變εi=0.01558，由襯管的力學性能曲線可知此時對應的σθi=318.7 MPa，因此通過計算可得此時需要的脹形壓力為9.93 MPa。

基管與襯管復合所需的最小及最大脹形力可可利用公式3和4[10～12]計算所得，這為雙金屬復合管液脹成形理論計算提供了一定的理論依據。但需要說明的是，公式3和4是在假設基管不發生塑性變形的基礎上得到的，因此與實際雙金屬復合管液脹成形工藝不符，還需要進一步完善。

(3)

(4)

雙金屬復合管液脹成形過程涉及到不同材料的彈塑性變形，是復雜的應力應變過程，單純依靠理論計算，無法精確揭示該成形理論，因此，下面將通過計算機有限元模擬進一步分析該成形過程中脹形力對于殘余接觸應力的影響，并分析相同材料基管條件下，不同襯管材料對于脹形力和殘余接觸應力的影響。

5 基管與襯管復合脹形力有限元模擬分析

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

圖4 雙金屬復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 脹形壓力對殘余接觸壓應力的影響

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

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

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

圖7 P=56 MPa 殘余應力云圖Fig.7 P=56 MPa Residual stress nephogram

圖8 P=70 MPa 殘余應力云圖Fig.8 P=70 MPa Residual stress nephogram

具體計算結果如表2所示。

表2 不同脹形壓力對應的殘余壓應力

5.2 不同襯管材料對脹形壓力和殘余接觸壓應力的影響

在工程實際中，為適應不同地質條件，需要不同材料內襯管與相關基管進行復合，因此本文主要研究在基管參數不變的情況下，不同內襯管材料對脹形壓力和殘余接觸壓應力的影響。

研究表明，相同脹形力條件下， 2#材料與基管產生的殘余接觸壓應力較大；對兩種不同內襯管復合，隨著脹形壓力的逐步提高，殘余接觸逐步增大，但當脹形壓力增加到某一數值后，殘余壓應力增加變緩，如表3、圖9所示。

表3 不同內襯管對應的材料力學性能

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

6 結束語

中國重型機械研究院股份公司長期致力于油氣輸送裝備領域的研究與創新開發工作，在石油管道領域取得了一系列研究成果，已經開發出雙金屬復合管液脹成形生產線，管徑范圍：88.9～914 mm，最大脹形壓力200 MPa，管長8～12.5 m,并為國內企業設計成套了相關設備，為雙金屬復合管液脹成形工程實際應用提供了重要依據。

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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，中國重型機械研究院股份公司高級工程師。

TG394

A

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