关于液胀成形双金属复合管紧密度测量方法的分析探讨

马海宽 ，张建国 ，隋 健 ，李培力 ，寇永乐 ，刘慧超 ，邓发明

（1.金属挤压与锻压国家重点实验室，陕西 西安 7100322；2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；3.内蒙古北方重工业集团有限公司，内蒙古 包头 014033）

液胀成形双金属复合管是通过高压水压使基管发生弹性变形而内衬管发生弹塑性变形，降压后基管的弹性回弹量大于内衬管的塑性回弹量，基管和内衬管之间存在残余接触压力，进而基管紧紧抱紧内衬管，形成双金属复合管。液胀成形双金属复合管因胀合力均匀，且大小容易控制，得到了广泛的认可。当前，中国重型机械研究院股份公司在液胀成型双金属复合管领域处于领先地位，技术达到了世界一流水平。

基管和内衬管间的紧密度是衡量双金属复合管复合性能和质量的关键指标。目前，国内双金属复合管生产企业制造复合管通常依据API SPEC 5LD标准，但其关于紧密度值的测定方法没有标准性规定。因此，行业内缺少统一的验收标准。这就往往导致相似工况下不同的设计单位，紧密度要求差异也较大。因此，在实际生产使用中需要找出一种直接表征双金属复合管紧密度值的试验方法，且简单实用、重复性好，具有非常现实的意义。本文将对常用的双金属复合管紧密度测量方法进行分析探讨，为双金属复合管的实际生产奠定基础。

1 API SPEC 5LD推荐方法

当前，国内双金属复合管生产企业制造复合管一般按照API SPEC 5LD标准要求进行生产制造和验收，但是对于紧密度值的测定方法未给出统一的标准。其推荐了一种紧密度值的测量方法[1]。用该方法实际测量时，需要将应变片贴在基管上，使用动态应变仪测定基管的变形，如图1所示。采用该方法测量时需要将基管钢管切开才能测得基管的应变，最后转换成基管和内衬管之间的残余接触应力。此测量方法在基管切开时会导致内衬管的弹性减小甚至消失，使测量的应变值存在很大的误差，且工序麻烦，不适合工业化批量生产时的质量检验，只适合实验室的成形研究测试。

图1 动态应变仪测定基管的变形

2 轴向推脱力测定方法

双金属复合管主要是由于残余接触压力及复合管内部相互应力的作用才能够使内外层管紧密贴合[2]。如果要使基管和内衬管发生相对滑动，需克服两物体接触面之间的滑动摩擦力f。而滑动摩擦力的大小f与管间接触面的滑动摩擦系数及两物体间的相互挤压力F有关。双金属复合管液胀成形后基管和内衬管间的受力情况如图2所示，假设基管和内衬管接触面之间的残余接触压力均匀一致，那么其滑动摩擦力f应为

式中：s——基管和内衬管间的接触面积。

图2 双复合管液胀成形后基管和内衬管受力状态

当用轴向推力Ft缓慢推动内衬管且使其匀速运动时，此时的轴向推力Ft和摩擦力f为平衡力，即

可以得到

从式中可以看出，残余接触应力P可由轴向推力Ft、摩擦因数μ和接触面积 计算得出，而摩擦因数 与基管和内衬管材料有关，材料确定后即可确定；接触面积s也可直接得出。因此，在测定双金属复合管紧密度时，只需测定轴向推力Ft即可。

轴向推力Ft可在拉力试验机上测得[3]。当前，拉力试验机在各复合管生产厂家是必不可少的试验设备。因此，此种方式简单、经济、效率高，适合批量生产中的紧密度检验，实用性强，很多生产厂商运用此方法进行紧密度测量。

3 固有频率测定方法

前述两种测定双金属复合管紧密度的方式都存在一定的缺点[4]，比如两种方式都属于破坏性检验，只是对复合管部分取样，易存在检测误差。固有频率测定方法是根据复合管自身的固有频率来判定复合管紧密度的方式，其无须破坏复合管，只需要对其固有频率进行测量，然后对照标准数据即可判断复合管紧密度[5]。

当假设接触表面是各向同性，各微凸体之间的相互作用可以忽略，根据粗糙表面法向接触刚度分形模型，机械结合纲法向刚度可表示为[6]：

式中：kn*——无量纲机械结合面法向接触刚度；

Ar*——无量纲真实接触面积；

D——结合面的分形维数；

ac*——无量纲临界接触面积。

两圆柱之间的法向载荷与接触面积之间的关系为

当D≠1.5时，

当D=1.5时，

式中，p*——无量纲法向力；

G*——无量纲分形粗糙度参数；

k——与材料硬度和屈服强度有关的系数；

g1g2——分形维数D的函数。

通过式（4）可以得出接触面积越大界面刚度越大的结论；而通过式（5）和式（6）可以得出接触面积越大法向载荷越大的结论。因此，可以看出界面刚度随着界面法向载荷的增加而增加。由于机械式复合管是通过使得基管和内衬管发生弹塑性变形而达到机械贴合的，因此它的结合强度与基管和内衬管界面的法向接触压力有关，即接触面的平均结合强度可以表示为[7]

式中：P——复合管结合面上的法向接触力；

A——基管与衬管的接触面积。

通过式（7）可以看出，法向接触压力越大，界面结合强度越高，因此，结合强度越高，结合界面法向载荷越大，而结合界面法向载荷越大，则结合界面法向刚度越大。

通常，不同贴合状态时双金属复合管得到的固有频率不同，局部贴合状态的复合管的固有频率最大，而整体未贴合的复合管次之，最小为整体贴合的复合管；在复合管整体贴合状态下，复合管的固有频率随贴合强度的增加而增加。

运用固有频率测定方法，能够在不破坏复合管的前提下较为方便地测出其紧密度，但其需要对同一类复合管作出紧密度判定标准。一旦标准确定，便能够很快地对复合管紧密度进行检测，此种方式快速方便。

4 总结

双金属复合管紧密度是衡量其综合性能的关键指标，是生产制造和使用过程中极为关键的参数，因此，行业内需要一套实用性强且准确的双金属复合管紧密度测定方式。文章论述的三种方式，是当前行业内普遍认可的方法，但API SPEC 5LD推荐方法实用性较差，实际应用较少；轴向推脱力测定方法相对简单，在行业内应用广泛，但也存在一定的局限性；固有频率测定方法充分利用了结构力学原理，无需破坏复合管，但其前期需要对同种类型复合管做出测试基准，前期投入较大。三种方法各有优缺点，在实际中还需根据实际条件和需要进行选择应用。

[1]API SPEC 5LD-2009，内覆或衬里耐腐蚀合金复合管规范[S].

[2]裴中涛，李剑敏，闻步正，等.双金属复合昔的弹塑性分析及有限元模拟[J].化工机械，2011，38（6）：749-752.

[3]任学平.金属塑性成形力学原理[M].北京：冶金工业出版社，2008.

[4]王学生，李培宁，王如竹，等.双金属复合昔液压成形压力的计算[J].机械强度，2002，24（3）：439-442.

[5]黄 康，赵 韩，陈 奇.两圆柱体表面接触承载能力的分形模型研究[J].摩擦学学报，2008，28（6）：30-33.

[6]张学良，黄玉美，韩 颖.基于接触分形理论的机械结合面法向接触刚度模型[J].中国机械工程，2000，11（7）：727-729.

[7]温淑花，张学良，武美先，等.结合面法向接触刚度分形模型建立与仿真「J].农业机械学报，2009，40（11）：198-202.