機械式復合管結合強度的檢測與控制

魏 帆，張燕飛，郭 霖，郭崇曉，王小艷

(西安向陽航天材料股份有限公司，西安710075)

機械式復合管結合強度的檢測與控制

魏 帆，張燕飛，郭 霖，郭崇曉，王小艷

(西安向陽航天材料股份有限公司，西安710075)

簡要介紹了機械式復合管的結構、性能特點及目前用于評估機械結合式雙金屬復合管結合強度的檢測方法。通過理論分析得出了復合管結合強度與結合界面法向剛度及復合管固有頻率之間的關系，并通過試驗進行了驗證。試驗結果表明：不同結合強度的復合管振動波形衰減程度、固有頻率及界面法向剛度不同，即結合強度越高復合管的界面法向剛度和固有頻率越大，阻尼比越小；可以通過控制復合藥量來制備不同結合強度的復合管。

機械式復合管；結合強度；固有頻率；阻尼比

1 機械式復合管簡介

機械式復合管是由基管和襯管組成，基管主要承擔管道系統的壓力要求，保證整體管道的各項力學性能，降低成本；襯管主要承擔管道系統的耐腐蝕要求，提高管道的耐腐蝕性能，延長管道的使用壽命。機械式復合管與冶金式復合管相比其優點是生產效率高，成本低，但由于機械式復合管是利用襯管與基管的相對變形使得襯管與基管進行的機械貼合，在襯管和基管之間未形成冶金結合界面，襯管和基管的結合主要靠基管對襯管的夾持力(也就是徑向殘余應力)來維持，因此在安裝和生產中，機械式復合管容易出現襯管起皺和鼓包現象[1-3]。機械式復合管常見的襯管失效現象如圖1所示，圖1(a)是彎曲時襯管起皺現象，圖1(b)是加熱時襯管鼓包現象。

圖1 機械式復合管襯管失效現象

通過試驗和理論分析可知，機械式復合管結合強度越高，其最小彎曲半徑越小，抗彎能力越強，因此，保證機械式復合管的結合強度是保證復合管內襯完整性的主要因素之一。

目前用于評估機械結合式雙金屬復合管結合強度的指標有軸向剪切分離強度和徑向夾持力。軸向剪切分離強度是指在外載作用下使得基/襯管發生相對滑動時軸向界面剪應力的大小；徑向夾持應力是指基/襯管復合后，作用在內襯管外表面的徑向壓縮殘余應力。對雙金屬復合管這兩個指標的檢測，目前國內外均采用破壞性抽檢的辦法來實現。破壞性檢測的手段主要有兩種：①采用API 5LD給出的殘余應力釋放來測量徑向夾持力；②各制造商普遍采用的軸向壓縮或軸向拉伸法測量軸向剪切強度。這兩種檢測方法存在3個弊端：①屬于破壞性檢驗，檢驗成本高；②檢測方法繁瑣，檢測速度慢；③只能在管子兩個端頭取樣，檢測誤差大，可信度低。本研究從機械式復合管的結構特征出發，提出了一種對復合管結合強度進行快捷有效檢測的無損檢測方法。

2 結合強度與復合管振動參數關系的理論分析

2.1 結合強度與結合界面法向剛度的關系

根據粗糙表面法向接觸剛度分型模型，當假設接觸表面是各向同性，并且粗糙表面各微凸體之間的相互作用可以忽略，則機械結合界面的無量綱法向剛度[4]可表示為

式中：k*n—無量綱機械結合面法向接觸剛度；

Ar*—無量綱真實接觸面積；

D—結合面的分形維數；

ac*—無量綱臨界接觸面積。當接觸面發生彈塑性變形時，兩圓柱體之間的法向載荷與接觸面積之間的關系[5-6]為

式中：P*—無量綱法向力；

G*—無量綱分型粗糙度參數；

k—與材料硬度和屈服強度有關的系數；

φ—與材料彈性模量和屈服強度有關的系數；

g1，g2—分型維數D的函數。通過結合界面無量綱接觸剛度和無量綱法向力的關系式可以看出，機械結合界面的剛度隨著法向載荷的增大而增大。由于機械式復合管是通過水下爆燃技術使得基管/襯管發生彈塑性變形而達到機械貼合，因此，其結合強度與基管/襯管界面的徑向殘余壓應力有關，即徑向殘余壓應力越大復合管結合強度越高，而復合管的徑向壓應力可表示為

式中：P—復合管結合面上的法向力；

A—復合管真實的接觸面積。

從上述分析結果可以看出，機械結合強度越高，結合界面法向載荷越大；而結合界面法向載荷越大，結合界面法向剛度也越大。因此，可以得出：結合強度越高，結合界面法向剛度越大。

2.2 結合面法向剛度與復合管固有頻率的關系

由于機械式復合管基/襯界面比較復雜，所以采用無限自由度梁的振動模型很難從理論上分析基/襯結合界面對復合管動力特性的影響。為了降低分析難度，本研究將復合管兩端簡支的橫向振動簡化為兩個自由度的振動模型，基/襯界面的剛度和阻尼分別用彈簧剛度和阻尼元件來模擬。

兩自由度振動微分方程[7-10]

同理，將較大ω2對k2求導可得

式中：m1，m2—基管和襯管的質量；

k1，k2—基管和界面的剛度；

c—振動系統的阻尼；

x1,x2—基管和襯管的振幅；

ω—振動系統的固有頻率。

由結合強度與結合界面法向剛度關系的分析結論和結合界面法向剛度與固有頻率關系的分析結論，可以得出機械式復合管的固有頻率隨著結合強度的增大而變大的規律。

3 不同復合藥量復合管的結合強度和振動測試

3.1 不同復合藥量復合管的振動測試

取4根長度2m、規格為φ76mm×6mm的基管和3根長度2.2m、規格為φ60mm×2mm的襯管，將其中3根基管和襯管分別采用8g，10g和13g藥量進行復合。復合后分別對采用不同藥量的復合管和未復合的基管進行振動測試試驗，測試方法如圖2所示。

圖2 機械式復合管振動測試示意圖

首先用V形槽將機械復合管兩端進行簡支，其次在管子正中心頂部安裝加速度傳感器，然后通過動態采集儀(DDP)采集加速度傳感器和力錘的信號，最后通過模態分析軟件(MAS)進行數據分析。

機械式復合管振動測試結果如圖3所示。從圖3不同藥量復合管及未復合基管(與復合管同壁厚)的時域波形圖可以看出，復合藥量越大，時域波形衰減越慢，即8g藥量的復合管衰減最快，其次是10g，最后是13g和基管。通過MAS模態軟件的數據分析結果可以得到復合管三階固有頻率和阻尼比，具體數據見表1。由表1可以看出，復合藥量越大，復合管的固有頻率越高，阻尼比越小。

圖3 機械式復合管振動測試結果(時域波形)

表1 振動測試結果

3.2 不同復合藥量復合管的結合強度測試

首先將不同藥量復合的復合管沿軸向依次截成230mm的樣管，按照圖4制作軸向壓縮法試樣，并進行編號，然后通過軸向壓縮法測得不同藥量復合的復合管沿軸向不同位置的結合強度，結合強度沿軸向的大小分布如圖5所示。

圖4 不同藥量復合管軸向壓縮法試樣

圖5 不同藥量復合管結合強度沿軸向的分布圖

由圖5可以看出：①沿軸向復合管結合強度存在差異，而且藥量越小沿軸向的結合強度差異越大；②從不同藥量復合管的平均結合強度來看，藥量越大平均結合強度越高。

從振動測試試驗和結合強度的軸向壓縮法試驗可以看出，結合強度越高則復合管的固有頻率越高，阻尼比越低。

4 結 論

(1)通過對結合強度與界面剛度的關系及界面剛度與固有頻率關系分析，得出結合強度越高界面剛度越大，界面剛度越大固有頻率越高，這從理論上驗證了依據固有頻率的大小來評價復合管結合強度大小的可行性。

(2)通過對不同藥量復合管進行的振動測試，得出復合藥量不同振動的時域波形衰減程度也不一樣，復合藥量越大波形衰減越慢。

(3)通過對振動測試的數據進行頻響分析，得出不同復合藥量下的復合管所對應的固有頻率與阻尼比，結果顯示，復合藥量越大則固有頻率越高，阻尼比越小。

(4)通過采用軸向壓縮法對不同藥量的復合管進行結合強度測試，得出結合強度隨著復合藥量的增加而增大，并且機械式復合管沿軸向結合強度分布不均勻。

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Inspection and Control of Bonding Strength for Mechanical Composite Pipe

WEI Fan,ZHANG Yanfei,GUO Lin,GUO Chongxiao,WANG Xiaoyan
(Xi’an Sunward Aerospace Material Co.,Ltd.,Xi’an 710075,China)

In this article,it briefly introduced the structure,performance feature of mechanical composite pipe and inspection method used for mechanical bond bimetal composite pipe assessment.The relation among bonding strength,normal stiffness of bonding interface and natural frequency of composite pipe was obtained through theoretical analysis,and the relation was verified through test.The results showed that the vibration wave attenuation degree,natural frequency and interface normal stiffness are different for composite pipe with different bonding strength,that is to say,the higher bonding strength,the larger normal stiffness and natural frequency,the smaller damping ration.Test results also showed that it can prepare composite pipes with different strength by controlling composite dosage.

mechanical composite pipe;bonding strength;natural frequency;damping ratio

TG335.85

B

1001-3938(2015)02-0032-05

魏帆(1982—)，工程師，畢業于大連理工大學工程力學系，現從事雙金屬復合管研究工作。

2014-11-05

謝淑霞