新型自蔓延高温合成（SHS）陶瓷内衬油管力学性能研究

赵 斌，李旭阳

1.宝鸡职业技术学院机电信息学院，陕西 宝鸡 721100

2.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721100

1 自蔓延高温合成技术概述

SHS 技术最先是由苏联人Merzhanov、Boroinskaya、和Skiro 提出的。这是一种新型的材料合成技术。这种材料是依靠化学物质之间高热的化学反应，在极短时间内压缩而制成的。由于这种技术能耗低、制作工艺简单，自传入我国后，即得到了极大的发展。尤其是分离技术和自蔓延技术两者结合制出的陶瓷内衬复合管，已经广泛应用于油气开采、电力、矿采、海洋等领域。自蔓延高温合成技术生产的陶瓷内衬复合管，具有活性高、纯度高、结合性能高和分布均匀等特点[1]。

陶瓷内衬复合管应用于长距离输煤时，其使用寿命是常规无缝钢管的3 ～4 倍[2]。在输送煤粉时，SHS 管的耐磨性强，显著延长了管道的使用年限。在运输水泥时，20 号无缝钢管的寿命只有5 ～10d[3-4]。当使用陶瓷内衬复合管时，使用寿命长达1 年。

2 试验法探究陶瓷复合管力学性能

2.1 试验设备调试

复合加载和施加轴向载荷的试验中，使用的试验机架应当在压缩和拉伸两种受力状态下调试。根据国家计量组织关于设备标定的规定，应当每年标定一次，因此在试验前必须对设备进行调试。这种调试从小载荷到大载荷，在载荷要求的范围内，分为10 个等级，载荷增量相等。大的标定载荷必须大于油管理论失效载荷。

式中：Fi为载荷示值；Ff为实际载荷。

根据API 5C5 规定试验所用的机架的载荷相对误差不超过±1.0%。

2.2 试验原理

油管螺纹施加轴向屈服载荷：

式中：Sy为管子横截面积；Ao为外径；Ai为内径。

当陶瓷内衬管螺纹连接强度为屈服载荷时，则有

式中：Ft为陶瓷管轴向载荷；St为陶瓷管横截面积；Ap为陶瓷管厚度。

2.3 试验用陶瓷内衬管管体的附加长度和有效长度

根据API 5C5 规定，陶瓷内衬管螺纹连接试样，每根试样管体的长度都应满足下列要求：

（1） 试样管体最小有效长度Lpj按式（5）计算：

式中：D为试样名义外径；t为试样名义壁厚。

（2）应留够用于夹持和端塞的附加长度；

（3） 在试样上划线，测量长度LA、LB、LC。

2.4 试验结果

用复合加载试验机做4 组试验。试验数据如表1、表2、表3、表4 所示。试验结果如图1、图2、图3、图4 所示。

图4 试样4 拉伸试验图

表4 试样4 原始数据表

图3 试样3 拉伸试验图

表3 试样3 原始数据表

图2 试样2 拉伸试验图

表1 试样1 原始数据表

表2 试样2 原始数据表

图1 试样1 拉伸试验图

由图1 可知，试样1 在表的试验条件下，拉伸至651kN螺纹断裂失效。

由图2 可知，试样2 在表2 的试验条件下，拉伸至591kN 螺纹连接处断裂失效。

由图3 可知，试样3 在表3 的试验条件下，拉伸至668kN螺纹连接处断裂失效。

3 结论

（1）SHS 陶瓷内衬复合管耐磨性强、耐腐蚀性高，比其他无缝钢管使用寿命长。

（2）通过1、4 试样或2、3 试样的拉伸试验极限载荷的对比，得出陶瓷内衬管的拉伸性能优于普通油井用钢管。

（3）通过3、4 试样的拉伸试验极限载荷对比，得出陶瓷内衬管壁厚越大，拉伸性能越好。