内外管壁厚对双金属复合管成型效率的影响

武国营，沈理旭，罗 衡

（中海油能源发展湛江安全环保公司，湛江 524057）

内外管壁厚对双金属复合管成型效率的影响

武国营，沈理旭，罗 衡

（中海油能源发展湛江安全环保公司，湛江 524057）

针对目前双金属复合管成型效率低的难题，基于弹塑性力学理论，利用有限元分析了内管和外管的壁厚对双金属复合管成型的影响。分析得到，内管和外管的壁厚越大，双金属复合管在塑性复合成型后，内管的残余接触压力也越大。研究结果表明，应在合理的范围选择壁厚较大的内管和外管进行加工，为双金属复合管的选材提供了科学依据，对提高双金属复合管成型质量具有理论意义。

双金属复合管；成型；壁厚；胀管压力；残余应力

0 引言

在石油行业，使用管道的场所非常众多，随着石油工业以及其他机械行业的飞速发展，对管道性能的要求也在逐渐提高，单一性能的管道，如高强度管道或耐高温管道等已无法满足现代工业的要求，现代化的产业更加需求同时具备多种特性的管道，以一种性能的金属材料为基体、另一种性能的金属材料为增强体成型而制得的双金属复合管便投入了使用行业的使用中，并且快速成为了石油行业一种重要的管道，它的成型有塑性和非塑性两种方法，而塑性成型则是最普遍的方法，双金属复合管塑性成型技术一般有两种，机械胀接技术和柔性胀接技术[1～3]。成型的质量直接影响着双金属复合管的使用性能，因此对双金属复合管成型质量提高的研究显得至关重要。

近年来，国内外有许多学者已经在进行双金属复合管的研究。上个世纪，Krips等假设内外管是理想弹塑性材料，材料的理论屈服强度与实际屈服强度一致，换热管与管板二者弹性模量相同，分析了换热管与管板的胀接全过程，最早得到了残余接触压力的解析解[4]；日本的竹本昌史假设管材为理想弹塑性材料，并采用Tresca屈服准则推导出胀管过程中胀管压力pi与接触压力pc的关系[5]；1998年，我国的颜惠庚根据换热管材料无应变强化的假设，即假设换热管为理想弹塑性材料，屈服强度与原材料的屈服强度一致，推导出了残余接触压力prc的计算公式[6]。但是，研究影响成型质量影响参数的文献比较少见，而内外管得壁厚是一个影响双金属复合管成型效率的关键参数，因此研究壁厚对成型的影响规律是一个亟待解决的课题，本文通过详细分析了内管和外管壁厚对双金属复合管成型残余应力的影响规律，结论可运用于提高双金属复合管的成型效率。

1 双金属复合管成型过程力学分析与建模

将双金属复合管的成型过程简化为平面应变问题进行分析，建立如图1所示的力学分析模型，从左至右分别表示初始状态、加载阶段、卸载阶段。一般情况下，内管与外管接触时，内层管已发生了较大的塑性变形，所以内管需考虑材料的应变强化，假设内层管为线弹性强化材料模型。而外管在双金属复合管的塑性成型中一般是控制在弹性范围之内，或者是发生的塑性变形非常小，对于一般塑性较好的材料大都落在其屈服平台内，因此外管可忽略材料的应变强化，可假设外管是理想弹塑性材料模型[7,8]。

图1 塑性复合力学模型

下面利用有限元来分析壁厚对双金属成型的影响，为简化问题，建模中假设：1）内外管均为均质材料；2）内外管的轴向中心线完全重合；3）忽略管材不同位置硬度的差异。模型如图2所示。

图2 双金属复合管有限元模型

2 内管壁厚对双金属复合管塑性成型的影响

保持外管为Φ48×3.5管材不变，内外管的初始间隙不变，不断改变内管的壁厚，研究内管壁厚变化对双金属复合管残余应力的影响。分析具有不同壁厚内管的双金属复合管塑性成型所需的最小胀管压力pimin、最大胀管压力pimax以及胀管压力pi达到弹性极限时的残余应力εθio*。计算中，内管以Φ40.5×0.5为基础，逐渐扩大内管壁厚，分别计算了壁厚0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.16种壁厚的内管。

计算后发现，在胀管压力不变的情况下，内管的残余应力随着内管壁厚的增加越来越小，但是在计算中发现，随着内管壁厚的增加，复合管塑性复合时说需要的最小胀管压力是逐渐增加的。如果胀管压力不变，每当内管壁厚增加0.1mm，则内外管在属性复合后内管的残余应力便降低0.5MPa左右，但是这种变化无法观测内管壁厚对双金属复合管塑性复合的影响。所以，下面从不同内管壁厚的最小胀管压力出发，即每次均加载内管壁厚对应的最小胀管压力，研究双金属复合管塑性成型后内管的残余接触压力变化。有之前的有限元分析可以知道，本文所推导的理论公式是正确的，所以可直接通过理论公式计算出各种最小胀管压力。

通过计算后得到的不同壁厚对应的最小胀管压力如表1所示。计算出的最小胀管压力已通过有限元计算进行了验证，结果进行了取整。

表1 不同内管壁厚下的最小胀管压力

内管的残余接触压力随着壁厚变化在其所对应的最小胀管压力下的变化如图3所示。

图3 内管壁厚对内管残余接触压力的影响

从图3可以看出，随着内管壁厚的增加，双金属复合管在塑性复合成型后，内管的残余接触压力也在逐渐增加，但是增加的幅值较小，所以在允许的尺寸中，适当地增加内管壁厚更有利于复合后双金属复合管的使用。

3 外管壁厚对双金属复合管塑性成型的影响

保持内管为Φ40.5×0.5管材不变，内外管的初始间隙不变，不断改变外管的壁厚，研究外管壁厚变化对双金属复合管残余应力的影响。分析具有不同壁厚外管的双金属复合管塑性成型所需的最小胀管压力pimin、最大胀管压力pimax以及胀管压力pi达到弹性极限时的残余应力εθio*。计算中，外管以Φ48×3.5为基础，逐渐变化内管壁厚，分别计算了壁厚3、4、4.5、5、5.5、6种壁厚的内管。

由于之前的理论分析没有推导外管壁厚与胀管压力的关系，所以在此逐渐变化胀管压力，用有限元模型进行逐一试算，最后得到内外管残余应力刚好为0时的胀管压力，即外管壁厚所对应的最小胀管压力，计算出的值如表2所示。

表2 不同外管壁厚下的最小胀管压力

外管的残余接触压力随着壁厚变化在其所对应的最小胀管压力下的变化如图4所示。

图4 内管壁厚对内管残余接触压力的影响

从图4可以看出，随着外管壁厚的增加，双金属复合管在塑性复合成型后，内管的残余接触压力也在逐渐增加，但是增加的幅值比内管壁厚对残余接触压力的影响还小，所以在允许的尺寸中，适当地增加外管壁厚更有利于复合后双金属复合管的使用。

从图3和图4还可以看出，不论内管还是外管的壁厚增加，对应的最小胀管压力都在增加，所以虽然残余接触压力也在增加，但是不提倡采取增加内外管壁厚的方式来达到所需的内外管复合后形成的双金属复合管性能，应根据实际情况选取合理的内外管壁厚进行塑性成型。

4 结论

本文建立了双金属复合管成型的有限元模型，并通过变化内管和外管的壁厚计算了双金属复合管成型后的残余应力，研究得到了以下结论：

1）随着内管和外管壁厚的增加，双金属复合管在塑性复合成型后，内管的残余接触压力也在逐渐增加，但是增加的幅值较小，而且内管壁厚对残余应力的影响大于外管壁厚对残余应力的影响，所以在考虑经济的前提，可尽量多的选择壁厚较大的内管。

2）随着壁厚的增加，双金属复合管成型时需要的胀管压力也在增加，这就增加了成型的成本，所以不能无限制的采取增加内外管壁厚的方式来提高双金属复合管的成型质量，而是应该综合胀管压力的因素选择一个最佳的壁厚进行塑性成型。

[1] 於方,秦建平.双金属管在管道输送中的应用[J].钢管,2000, 29(1):34-36.

[2] 王学生.液压胀合复合管制造装置及复合管胀合与使用的力学分析[D].华东理工大学,2001.

[3] 俞家正.金属复合管及制作方法和管接头:中国,F16L9/14, 96123012.6,[P].1998.

[4] H.KriPs,M.Pohdorsky.Hyraolic Expansion—a New Method for Anchoring of Tubes[J].VGBKRAFWERKSTECHNIK,1976,(7):418-426.

[5] 竹本昌史.列管式换热器的强度—液压胀管接头的拉脱禁锢力[J].压力容器,1984,(2):68-75.

[6] 颜惠庚.换热管液体袋式液压胀管装备与技术[D].华东理工大学,1998.

[7] 颜惠庚,张炳生,葛乐通,等.换热器的液压胀管研究(一)——胀接压力的确定[J].压力容器,1996,13(2):36-40.

[8] 颜惠庚,张炳生,葛乐通,等.换热器的液压胀管研究(二)——残余接触压力与摩擦系数[J].压力容器,1996,13(4):39-43.

Influence of bimetallic composite pipe forming efficiency for inner and outer tube wall thickness

WU Guo-ying, SHEN Li-xu, LUO Heng

TB121

：A

1009-0134(2017)01-0001-03

2016-06-02

武国营（1975 -），男，工程师，工程学士，主要从事油气开发、生产、储运以及相关作业的安全技术服务工作。