雙金屬復合管成型仿真分析

摘 要：針對石油工程中鉆桿及管道材料的頻繁失效問題，提出了使用雙金屬復合材料加工石油用管材的方法。分析了雙金屬復合管的塑性成形法的幾種加式方法；仿真分析了塑性成形法加式雙金屬復合管時材料的彈性模量及屈服強度對內外管殘余應力的影響。

關鍵詞：雙金屬復合管；塑性成形法；彈性模量；屈服強度；殘余應力

1 緒論

隨著石油工業的飛速發展，對鉆桿及管道材料性能的要求也逐漸提高，金屬復合材料在這種需求下誕生。金屬復合材料是以一種性能的金屬材料為基體，以另一種性能的金屬材料為增強體成形而制得的復合材料所以它可以根據實際需要進行組合[1]。在雙金屬復合管的成形方法及生產工藝上，分別有冶金復合、釬焊復合、爆炸復合、拉拔復合以及液壓復合等多種成形方法，并且已經形成了許多專利技術[2]。其中塑性成形法具有高產、優質、低耗等優點，己成為當今制造金屬復合材料的主打技術[3]，主要包括機械拉拔法、爆炸成形法、滾壓法及液壓脹形法等[4]。

2 塑性成形法

雙金屬復合管塑性成形技術一般有兩種，分別是機械脹接技術、柔性脹接技術。而機械脹接技術包括了拉拔成形法、滾壓成形法等；柔性脹接技術包括了爆炸成形法、液壓成形法等。

2.1 滾壓成形法

滾壓成形法典型的方法是滾壓復合技術，是通過在雙金屬管道里面用放入滾動體，并用心軸回轉帶動其不斷擠壓內管，如圖1所示。

2.2 拉拔成形法

拉拔成形法是分別取兩根已經制好的金屬管，將內徑大的套在外徑小的外面，然后通過拉拔金屬管或者成形模，實現二者緊密配合的機械結合，最終成形雙金屬復合管，如圖2所示。

2.3 爆炸成形法

爆炸成形法的原理是利用炸藥爆炸時產生的沖擊波，使制造雙金屬復合管的兩種金屬實現固相焊接。

2.4 液壓成形法

液壓成形法的原理是先將內管和外管套裝在一起將液體注入筒內，然后對內管液體進行加壓，并逐漸增加壓力，內層管由彈性變形逐漸進入塑性變形，并貼緊外管，貼緊后繼續在直徑方向向上塑性膨脹，兩管緊密地貼合在一起，形成所需的雙金屬復合管。

3 成型仿真分析

對雙金屬復合管建立有限元模型，有限元分析采用ABAQUS軟件。內管外徑為40.5mm，壁厚0.5mm；外管外徑為48mm，壁厚3.5mm；內外管之間的初始間隙為0.2mm；內外管長度均為100mm。在模擬中，對內管施加的脹管壓力從0逐漸增加為45MPa，然后逐漸卸載，選取不同的材料，分析材料彈性模量及屈服強度對內外管殘余應力的影響，如圖3～圖6所示。

4 結束語

參考文獻

[1]于方，秦建平.雙金屬管在管道輸送中的應用[J].鋼管，2000，29（1）： 34-36.

[2]賈建波，徐巖.雙金屬復合管塑性成形工藝[J].北華大學學報（自然科學版），2009，6（10）：279-284.

[3]巢鵬飛，楊連發，于強，等.塑性成形技術在金屬復合管制備中的應用及展望[J].塑性工程學報，2005，12（2）：42-47.

[4]Chen W C，Petersen C W.Corrosion Performance of Welded CRA-lined Pipes for Flow Lines[J]. SPE Production Engineering， 1992，7（4）：375-378.