關于液脹成形雙金屬復合管緊密度測量方法的分析探討

馬海寬 ，張建國 ，隋 健 ，李培力 ，寇永樂 ，劉慧超 ，鄧發明

（1.金屬擠壓與鍛壓國家重點實驗室，陜西 西安 7100322；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；3.內蒙古北方重工業集團有限公司，內蒙古 包頭 014033）

液脹成形雙金屬復合管是通過高壓水壓使基管發生彈性變形而內襯管發生彈塑性變形，降壓后基管的彈性回彈量大于內襯管的塑性回彈量，基管和內襯管之間存在殘余接觸壓力，進而基管緊緊抱緊內襯管，形成雙金屬復合管。液脹成形雙金屬復合管因脹合力均勻，且大小容易控制，得到了廣泛的認可。當前，中國重型機械研究院股份公司在液脹成型雙金屬復合管領域處于領先地位，技術達到了世界一流水平。

基管和內襯管間的緊密度是衡量雙金屬復合管復合性能和質量的關鍵指標。目前，國內雙金屬復合管生產企業制造復合管通常依據API SPEC 5LD標準，但其關于緊密度值的測定方法沒有標準性規定。因此，行業內缺少統一的驗收標準。這就往往導致相似工況下不同的設計單位，緊密度要求差異也較大。因此，在實際生產使用中需要找出一種直接表征雙金屬復合管緊密度值的試驗方法，且簡單實用、重復性好，具有非?，F實的意義。本文將對常用的雙金屬復合管緊密度測量方法進行分析探討，為雙金屬復合管的實際生產奠定基礎。

1 API SPEC 5LD推薦方法

當前，國內雙金屬復合管生產企業制造復合管一般按照API SPEC 5LD標準要求進行生產制造和驗收，但是對于緊密度值的測定方法未給出統一的標準。其推薦了一種緊密度值的測量方法[1]。用該方法實際測量時，需要將應變片貼在基管上，使用動態應變儀測定基管的變形，如圖1所示。采用該方法測量時需要將基管鋼管切開才能測得基管的應變，最后轉換成基管和內襯管之間的殘余接觸應力。此測量方法在基管切開時會導致內襯管的彈性減小甚至消失，使測量的應變值存在很大的誤差，且工序麻煩，不適合工業化批量生產時的質量檢驗，只適合實驗室的成形研究測試。

圖1 動態應變儀測定基管的變形

2 軸向推脫力測定方法

雙金屬復合管主要是由于殘余接觸壓力及復合管內部相互應力的作用才能夠使內外層管緊密貼合[2]。如果要使基管和內襯管發生相對滑動，需克服兩物體接觸面之間的滑動摩擦力f。而滑動摩擦力的大小f與管間接觸面的滑動摩擦系數及兩物體間的相互擠壓力F有關。雙金屬復合管液脹成形后基管和內襯管間的受力情況如圖2所示，假設基管和內襯管接觸面之間的殘余接觸壓力均勻一致，那么其滑動摩擦力f應為

式中：s——基管和內襯管間的接觸面積。

圖2 雙復合管液脹成形后基管和內襯管受力狀態

當用軸向推力Ft緩慢推動內襯管且使其勻速運動時，此時的軸向推力Ft和摩擦力f為平衡力，即

可以得到

從式中可以看出，殘余接觸應力P可由軸向推力Ft、摩擦因數μ和接觸面積 計算得出，而摩擦因數 與基管和內襯管材料有關，材料確定后即可確定；接觸面積s也可直接得出。因此，在測定雙金屬復合管緊密度時，只需測定軸向推力Ft即可。

軸向推力Ft可在拉力試驗機上測得[3]。當前，拉力試驗機在各復合管生產廠家是必不可少的試驗設備。因此，此種方式簡單、經濟、效率高，適合批量生產中的緊密度檢驗，實用性強，很多生產廠商運用此方法進行緊密度測量。

3 固有頻率測定方法

前述兩種測定雙金屬復合管緊密度的方式都存在一定的缺點[4]，比如兩種方式都屬于破壞性檢驗，只是對復合管部分取樣，易存在檢測誤差。固有頻率測定方法是根據復合管自身的固有頻率來判定復合管緊密度的方式，其無須破壞復合管，只需要對其固有頻率進行測量，然后對照標準數據即可判斷復合管緊密度[5]。

當假設接觸表面是各向同性，各微凸體之間的相互作用可以忽略，根據粗糙表面法向接觸剛度分形模型，機械結合綱法向剛度可表示為[6]：

式中：kn*——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。

兩圓柱之間的法向載荷與接觸面積之間的關系為

當D≠1.5時，

當D=1.5時，

式中，p*——無量綱法向力；

G*——無量綱分形粗糙度參數；

k——與材料硬度和屈服強度有關的系數；

g1g2——分形維數D的函數。

通過式（4）可以得出接觸面積越大界面剛度越大的結論；而通過式（5）和式（6）可以得出接觸面積越大法向載荷越大的結論。因此，可以看出界面剛度隨著界面法向載荷的增加而增加。由于機械式復合管是通過使得基管和內襯管發生彈塑性變形而達到機械貼合的，因此它的結合強度與基管和內襯管界面的法向接觸壓力有關，即接觸面的平均結合強度可以表示為[7]

式中：P——復合管結合面上的法向接觸力；

A——基管與襯管的接觸面積。

通過式（7）可以看出，法向接觸壓力越大，界面結合強度越高，因此，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，則結合界面法向剛度越大。

通常，不同貼合狀態時雙金屬復合管得到的固有頻率不同，局部貼合狀態的復合管的固有頻率最大，而整體未貼合的復合管次之，最小為整體貼合的復合管；在復合管整體貼合狀態下，復合管的固有頻率隨貼合強度的增加而增加。

運用固有頻率測定方法，能夠在不破壞復合管的前提下較為方便地測出其緊密度，但其需要對同一類復合管作出緊密度判定標準。一旦標準確定，便能夠很快地對復合管緊密度進行檢測，此種方式快速方便。

4 總結

雙金屬復合管緊密度是衡量其綜合性能的關鍵指標，是生產制造和使用過程中極為關鍵的參數，因此，行業內需要一套實用性強且準確的雙金屬復合管緊密度測定方式。文章論述的三種方式，是當前行業內普遍認可的方法，但API SPEC 5LD推薦方法實用性較差，實際應用較少；軸向推脫力測定方法相對簡單，在行業內應用廣泛，但也存在一定的局限性；固有頻率測定方法充分利用了結構力學原理，無需破壞復合管，但其前期需要對同種類型復合管做出測試基準，前期投入較大。三種方法各有優缺點，在實際中還需根據實際條件和需要進行選擇應用。

[1]API SPEC 5LD-2009，內覆或襯里耐腐蝕合金復合管規范[S].

[2]裴中濤，李劍敏，聞步正，等.雙金屬復合昔的彈塑性分析及有限元模擬[J].化工機械，2011，38（6）：749-752.

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[4]王學生，李培寧，王如竹，等.雙金屬復合昔液壓成形壓力的計算[J].機械強度，2002，24（3）：439-442.

[5]黃 康，趙 韓，陳 奇.兩圓柱體表面接觸承載能力的分形模型研究[J].摩擦學學報，2008，28（6）：30-33.

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[7]溫淑花，張學良，武美先，等.結合面法向接觸剛度分形模型建立與仿真「J].農業機械學報，2009，40（11）：198-202.