關(guān)于液脹成形雙金屬?gòu)?fù)合管緊密度測(cè)量方法的分析探討

馬海寬 ，張建國(guó) ，隋 健 ，李培力 ，寇永樂(lè) ，劉慧超 ，鄧發(fā)明

（1.金屬擠壓與鍛壓國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 7100322；2.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；3.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014033）

液脹成形雙金屬?gòu)?fù)合管是通過(guò)高壓水壓使基管發(fā)生彈性變形而內(nèi)襯管發(fā)生彈塑性變形，降壓后基管的彈性回彈量大于內(nèi)襯管的塑性回彈量，基管和內(nèi)襯管之間存在殘余接觸壓力，進(jìn)而基管緊緊抱緊內(nèi)襯管，形成雙金屬?gòu)?fù)合管。液脹成形雙金屬?gòu)?fù)合管因脹合力均勻，且大小容易控制，得到了廣泛的認(rèn)可。當(dāng)前，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司在液脹成型雙金屬?gòu)?fù)合管領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，技術(shù)達(dá)到了世界一流水平。

基管和內(nèi)襯管間的緊密度是衡量雙金屬?gòu)?fù)合管復(fù)合性能和質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)雙金屬?gòu)?fù)合管生產(chǎn)企業(yè)制造復(fù)合管通常依據(jù)API SPEC 5LD標(biāo)準(zhǔn)，但其關(guān)于緊密度值的測(cè)定方法沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)性規(guī)定。因此，行業(yè)內(nèi)缺少統(tǒng)一的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。這就往往導(dǎo)致相似工況下不同的設(shè)計(jì)單位，緊密度要求差異也較大。因此，在實(shí)際生產(chǎn)使用中需要找出一種直接表征雙金屬?gòu)?fù)合管緊密度值的試驗(yàn)方法，且簡(jiǎn)單實(shí)用、重復(fù)性好，具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。本文將對(duì)常用的雙金屬?gòu)?fù)合管緊密度測(cè)量方法進(jìn)行分析探討，為雙金屬?gòu)?fù)合管的實(shí)際生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 API SPEC 5LD推薦方法

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)雙金屬?gòu)?fù)合管生產(chǎn)企業(yè)制造復(fù)合管一般按照API SPEC 5LD標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行生產(chǎn)制造和驗(yàn)收，但是對(duì)于緊密度值的測(cè)定方法未給出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。其推薦了一種緊密度值的測(cè)量方法[1]。用該方法實(shí)際測(cè)量時(shí)，需要將應(yīng)變片貼在基管上，使用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)定基管的變形，如圖1所示。采用該方法測(cè)量時(shí)需要將基管鋼管切開(kāi)才能測(cè)得基管的應(yīng)變，最后轉(zhuǎn)換成基管和內(nèi)襯管之間的殘余接觸應(yīng)力。此測(cè)量方法在基管切開(kāi)時(shí)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)襯管的彈性減小甚至消失，使測(cè)量的應(yīng)變值存在很大的誤差，且工序麻煩，不適合工業(yè)化批量生產(chǎn)時(shí)的質(zhì)量檢驗(yàn)，只適合實(shí)驗(yàn)室的成形研究測(cè)試。

圖1 動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)定基管的變形

2 軸向推脫力測(cè)定方法

雙金屬?gòu)?fù)合管主要是由于殘余接觸壓力及復(fù)合管內(nèi)部相互應(yīng)力的作用才能夠使內(nèi)外層管緊密貼合[2]。如果要使基管和內(nèi)襯管發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，需克服兩物體接觸面之間的滑動(dòng)摩擦力f。而滑動(dòng)摩擦力的大小f與管間接觸面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)及兩物體間的相互擠壓力F有關(guān)。雙金屬?gòu)?fù)合管液脹成形后基管和內(nèi)襯管間的受力情況如圖2所示，假設(shè)基管和內(nèi)襯管接觸面之間的殘余接觸壓力均勻一致，那么其滑動(dòng)摩擦力f應(yīng)為

式中：s——基管和內(nèi)襯管間的接觸面積。

圖2 雙復(fù)合管液脹成形后基管和內(nèi)襯管受力狀態(tài)

當(dāng)用軸向推力Ft緩慢推動(dòng)內(nèi)襯管且使其勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)的軸向推力Ft和摩擦力f為平衡力，即

可以得到

從式中可以看出，殘余接觸應(yīng)力P可由軸向推力Ft、摩擦因數(shù)μ和接觸面積 計(jì)算得出，而摩擦因數(shù) 與基管和內(nèi)襯管材料有關(guān)，材料確定后即可確定；接觸面積s也可直接得出。因此，在測(cè)定雙金屬?gòu)?fù)合管緊密度時(shí)，只需測(cè)定軸向推力Ft即可。

軸向推力Ft可在拉力試驗(yàn)機(jī)上測(cè)得[3]。當(dāng)前，拉力試驗(yàn)機(jī)在各復(fù)合管生產(chǎn)廠家是必不可少的試驗(yàn)設(shè)備。因此，此種方式簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、效率高，適合批量生產(chǎn)中的緊密度檢驗(yàn)，實(shí)用性強(qiáng)，很多生產(chǎn)廠商運(yùn)用此方法進(jìn)行緊密度測(cè)量。

3 固有頻率測(cè)定方法

前述兩種測(cè)定雙金屬?gòu)?fù)合管緊密度的方式都存在一定的缺點(diǎn)[4]，比如兩種方式都屬于破壞性檢驗(yàn)，只是對(duì)復(fù)合管部分取樣，易存在檢測(cè)誤差。固有頻率測(cè)定方法是根據(jù)復(fù)合管自身的固有頻率來(lái)判定復(fù)合管緊密度的方式，其無(wú)須破壞復(fù)合管，只需要對(duì)其固有頻率進(jìn)行測(cè)量，然后對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)即可判斷復(fù)合管緊密度[5]。

當(dāng)假設(shè)接觸表面是各向同性，各微凸體之間的相互作用可以忽略，根據(jù)粗糙表面法向接觸剛度分形模型，機(jī)械結(jié)合綱法向剛度可表示為[6]：

式中：kn*——無(wú)量綱機(jī)械結(jié)合面法向接觸剛度；

Ar*——無(wú)量綱真實(shí)接觸面積；

D——結(jié)合面的分形維數(shù)；

ac*——無(wú)量綱臨界接觸面積。

兩圓柱之間的法向載荷與接觸面積之間的關(guān)系為

當(dāng)D≠1.5時(shí)，

當(dāng)D=1.5時(shí)，

式中，p*——無(wú)量綱法向力；

G*——無(wú)量綱分形粗糙度參數(shù)；

k——與材料硬度和屈服強(qiáng)度有關(guān)的系數(shù)；

g1g2——分形維數(shù)D的函數(shù)。

通過(guò)式（4）可以得出接觸面積越大界面剛度越大的結(jié)論；而通過(guò)式（5）和式（6）可以得出接觸面積越大法向載荷越大的結(jié)論。因此，可以看出界面剛度隨著界面法向載荷的增加而增加。由于機(jī)械式復(fù)合管是通過(guò)使得基管和內(nèi)襯管發(fā)生彈塑性變形而達(dá)到機(jī)械貼合的，因此它的結(jié)合強(qiáng)度與基管和內(nèi)襯管界面的法向接觸壓力有關(guān)，即接觸面的平均結(jié)合強(qiáng)度可以表示為[7]

式中：P——復(fù)合管結(jié)合面上的法向接觸力；

A——基管與襯管的接觸面積。

通過(guò)式（7）可以看出，法向接觸壓力越大，界面結(jié)合強(qiáng)度越高，因此，結(jié)合強(qiáng)度越高，結(jié)合界面法向載荷越大，而結(jié)合界面法向載荷越大，則結(jié)合界面法向剛度越大。

通常，不同貼合狀態(tài)時(shí)雙金屬?gòu)?fù)合管得到的固有頻率不同，局部貼合狀態(tài)的復(fù)合管的固有頻率最大，而整體未貼合的復(fù)合管次之，最小為整體貼合的復(fù)合管；在復(fù)合管整體貼合狀態(tài)下，復(fù)合管的固有頻率隨貼合強(qiáng)度的增加而增加。

運(yùn)用固有頻率測(cè)定方法，能夠在不破壞復(fù)合管的前提下較為方便地測(cè)出其緊密度，但其需要對(duì)同一類復(fù)合管作出緊密度判定標(biāo)準(zhǔn)。一旦標(biāo)準(zhǔn)確定，便能夠很快地對(duì)復(fù)合管緊密度進(jìn)行檢測(cè)，此種方式快速方便。

4 總結(jié)

雙金屬?gòu)?fù)合管緊密度是衡量其綜合性能的關(guān)鍵指標(biāo)，是生產(chǎn)制造和使用過(guò)程中極為關(guān)鍵的參數(shù)，因此，行業(yè)內(nèi)需要一套實(shí)用性強(qiáng)且準(zhǔn)確的雙金屬?gòu)?fù)合管緊密度測(cè)定方式。文章論述的三種方式，是當(dāng)前行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的方法，但API SPEC 5LD推薦方法實(shí)用性較差，實(shí)際應(yīng)用較少；軸向推脫力測(cè)定方法相對(duì)簡(jiǎn)單，在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛，但也存在一定的局限性；固有頻率測(cè)定方法充分利用了結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，無(wú)需破壞復(fù)合管，但其前期需要對(duì)同種類型復(fù)合管做出測(cè)試基準(zhǔn)，前期投入較大。三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際中還需根據(jù)實(shí)際條件和需要進(jìn)行選擇應(yīng)用。

[1]API SPEC 5LD-2009，內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合管規(guī)范[S].

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