復合鋼管緊密度指標分析

楊勤祥

（上海海隆復合鋼管制造有限公司，上海200949）

1 國內復合鋼管緊密度指標現狀

雙金屬復合管是一種具有廣闊應用前景的新型管材。它不僅可以減少稀有金屬的使用量、降低工程造價、提高管材的安全性和使用壽命，而且能夠替代碳鋼+緩釋劑和純不銹鋼管而有效解決高含量的CO2、H2S和Cl-輸送介質的腐蝕問題，因此在石油產品輸送、煉化行業逐漸得到推廣且應用日趨廣泛。L245N+316L內襯復合鋼管原材料采購容易，價格較低，被各大油氣田廣泛認可和采用。

“緊密度”是表述復合鋼管層間環向殘余應力與鋼鐵本身交互屬性的術語，是衡量內襯復合鋼管產品質量的一項重要指標，在不同標準或設計文件中被描述成“握緊力”“結合強度”或“接觸應力”等，其衡量指標在各種標準和項目技術規格書中描述也不完全統一。中國石油天然氣集團有限公司（簡稱中石油）、中國石油化工集團有限公司（簡稱中石化）和中國海洋石油集團有限公司（簡稱中海油）近年來幾個典型項目的緊密度要求見表1～3。

表1 中石油典型項目緊密度指標要求

一般來說，復合管的緊密度越高，結合力越大，產品的性能越好。但是，有些項目規格書要求的指標超高，供貨商根本無法達到，在交貨驗收時會發生復驗不合格的情況。為了得到內襯復合鋼管緊密度比較接近真實的衡量數據，筆者依據目前國內外內襯復合鋼管行業中較為普遍的水壓復合工藝［1-7］，參考國內外相關文獻資料的理論判據及計算公式，對實際生產中應用比較多的L245+316L復合管的緊密度值進行理論計算和分析。

表2 中石化典型項目緊密度指標

表3 中海油典型項目緊密度要求

2 水壓復合工藝材料匹配與緊密度的關系

2.1 選擇水壓復合工藝分析的意義

現有的內襯雙金屬復合管成形工藝一般包括液壓復合法、機械旋壓法、機械拉拔法、滾壓法等。水壓復合法由于工藝簡單、質量穩定，是較有前景也是目前主流的生產方式。文獻［8-11］表明，雙金屬復合管拉拔成形和旋壓復合是非常復雜的彈塑性變形過程，既有物理非線性，又有幾何非線性，邊界條件很復雜，嚴格的理論分析十分困難。而且，機械拉拔法在拉拔過程中摩擦阻力大、能耗高，對內、外層管質量要求較高，成品率較低；機械旋壓法適用范圍比較有限，加工小直徑管困難，而且拉拔和旋壓都需要內模具與襯管表面接觸，會產生襯管表面的加工硬化和鈍化膜的破壞。液脹成形雙金屬復合管是通過高壓水使基管和內襯管發生彈性變形，降壓后基管的彈性回彈量大于襯管的塑性回彈量，基管和襯管之間存在殘余接觸壓力，基管進而緊緊抱緊襯管，形成雙金屬復合管。

液脹成形工藝的脹合力均勻，大小容易控制，產品防腐性能優良，成本較低，管體質量好，因此得到了廣泛的應用和認可，發展迅速。而其他成形方式，由于各自的缺點，在實際應用中效果不佳，產品逐步被液脹成形雙金屬復合管取代。因此可以說液脹成形雙金屬復合管是未來的發展趨勢［12］。

管材液壓脹形技術在國外發展很快，德國、美國和日本是其中幾個發展較快的國家。目前，國外幾個比較著名的復合鋼管公司如澳大利亞的Proclad公司，英國的Cladtek公司，德國的Butting公司等都是采用液壓復合方式。國內復合鋼管制造廠家上海海隆復合鋼管制造有限公司、浙江久立特材科技股份有限公司和西安向陽航天材料股份有限公司也大多采用水壓復合制造雙金屬內襯復合管。

綜上所述，以水壓復合工藝為基礎，研究內襯復合管的緊密度對于行業有一定的代表意義。

2.2 根據理論判據分析材料匹配對緊密度的影響

無論是水壓復合，還是拉拔和旋壓復合，其中基管和襯管材料的彈性模量、力學性能、復合間隙、幾何尺寸、表面缺陷、復合壓力等都是影響緊密度的主要因素。

對于水壓復合管內、外層管材料能否脹合的材料匹配判據，國內外有很多的文獻［1-7］，有通過建立試驗模型采用有限元分析方法的，有通過復合理論進行公式推導計算并通過試驗進行驗證的。一般認為材料力學性能與彈性模量的正確選配是復合鋼管能否脹合的前提條件。基本理論是在基管和襯管彈性模量基本相等的條件下基管的屈服強度必須大于襯管的強化或當量屈服強度，復合管才能產生結合力。用公式描述就是Ei/Eo∧Rp襯/Rt基，其中Ei為襯管的彈性模量，Eo為基管的彈性模量，Rp襯為襯管的屈服強度，Rt基為基管的屈服強度。

王學生在文獻［13-15］的研究基礎上以內、外層管剛好接觸而未產生接觸壓力時的應力為當量屈服強度，并假定外層管始終保持在彈性范圍內，導出了滿足內外層管脹合條件的判別依據［16］，并進一步推導出了液脹管成形壓力與殘余接觸壓力之間的理論解析式，并利用有限元分析和試驗相結合進行分析和驗證，得到比較好的計算結果。

利用有限元分析、理論推導并結合實際生產工藝在考慮襯管脹合過程中基襯管消除間隙后的應變強化，考慮一般內外層管間隙尺寸選擇均在應變2%～3%，故而Rp襯的下限值取內管材料應力應變曲線上應變2%時的值（Rp2襯），得到的結論是Ei/Eo∧Rp2襯/Rt基。這就是內外層管材料能否匹配的粗略判據，兩者相差越大越易脹合。當Ei≈Eo，復合管能否脹合的內外層管材料的匹配判據至少要滿足下列條件Rt基∧Rp2襯，這是目前得到的最新研究結論。

根據以上公式，對L245+316L兩種具有代表性規格Φ114.3 mm和Φ168.3 mm復合管進行分析計算，其實際力學性能參數見表4。

表4 L245+316L復合管內外層管材料的力學性能參數和脹合判斷

2.3 利用接觸應力法計算結合力結果

將計算的復合壓力值帶入公式（4），計算出Φ114.3 mm×（8+2）mm和Φ168.3 mm×（8+2.5）mm兩種規格的殘余接觸應力Pc*分別為-2.01 MPa、0.821 MPa（沒有考慮摩擦因數的影響）。可見，由于復合后襯管的強化屈服強度391 MPa遠大于基管的屈服強度，Φ114.3 mm×（8+2）mm規格不符合產生結合力的判據條件，計算的殘余接觸應力是負值，所以這個值是失真的，不予考慮。

假設摩擦因數為0.15（鋼與鋼之間的摩擦力），結合力P按0.15Pc*計，推導計算Φ168.3 mm×（8+2.5）mm的結合力為0.15 MPa，利用GB/T 37701—2019《石油天然氣工業用內覆或襯里耐腐蝕合金復合鋼管》推薦的推出力F公式（F=3.14PDiH）反推得到推出力F為14.3 kN。Ht為基管和襯管結合部分的長度。

2.4 試驗驗證

三種典型規格的推出法試驗結合力數據見表5，根據GB/T 37701—2019規定的方法截取長度為200 mm試樣做推出法試驗，其中最大推出力F為實測值，結合力P為根據標準中提供的計算公式（沒有考慮摩擦力）計算得到的數據。

表5 典型規格復合管推出法試驗結合力數據

由此可見，無論是計算結果還是試驗結果，對于L245+316L材質的兩種規格雖然顯示有微量的結合力和推出力，但與表1要求的30 kN和50 kN相差甚遠；而X65+316L的推出力明顯高于50 kN。這也說明不同鋼級基管材料與同一襯管材料匹配產生的結合力不同。L245+316L理論推算上沒有結合力，而實際結果會有結合力，筆者認為出現上述理論和試驗差異的最主要原因是實際工業生產管材的幾何形狀并非理想圓筒體。實際管材不可避免地存在不圓度、彎曲度、表面不平度或非均勻壁厚，襯管在完全屈服后總有一部分要與基管接觸，但不能達到緊密接觸，也可以說一種假脹合現象。

材料組合20+LC2205，采用API Spec 5LD—2015《內覆或襯里耐腐蝕合金復合鋼管》規定的應變片法實測接觸應力，得出的接觸應力σy數據見表6。從表6中看出，X80+LC2205實測應力值遠高于20+LC2205。由此可見，提高基管鋼級，增加基管與襯管的屈服強度比值，可以提高內襯鋼管緊密度值。

表6 典型規格復合管應變法接觸應力σy數據

3 結 論

（1）在設計內襯復合鋼管時，如果基管設計單純考慮強度，基管材料的屈服強度低于襯管的屈服強度時，則緊密度指標應相對降低；基管鋼級在滿足強度設計的前提下，若需要較高的緊密度，則需要滿足基管的屈服強度大于襯管的強化屈服強度才能產生結合力這一條件。

（2）對于內襯材料為不銹鋼316L或鎳基合金N08825，如果復合管要求有較高的緊密度，則需要求基管的鋼級在L360以上。

（3）對于內襯LC2205復合管，建議基管的鋼級選用L485（X70）以上，其基管實際屈服強度才能大于襯管的強化屈服強度，否則不會有結合力。

（4）雖然采用非水壓復合工藝有可能在基襯管材料“低配高”的情況下有較高的緊密度，但是對于產品的整體質量，水壓復合工藝明顯具有較大的優勢。