謝 勇，曹 勝，楊專釗，吳金輝

（1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077；2.中石化股份公司管道儲運(yùn)分公司，江蘇 徐州221008）

0 前 言

雙金屬內(nèi)襯復(fù)合管塑性復(fù)合成型技術(shù)是利用金屬管材的彈塑性能來實現(xiàn)內(nèi)管與外管之間緊密結(jié)合的工藝。目前主要有液壓法、爆燃法、旋壓法等，其中液壓成型復(fù)合因脹合力均勻，且大小容易控制，比其它方法更易實現(xiàn)。

緊密度是衡量雙金屬內(nèi)襯復(fù)合管復(fù)合質(zhì)量的重要指標(biāo)。國內(nèi)油氣輸送用雙金屬復(fù)合管制造標(biāo)準(zhǔn)一般采用API SPEC 5LD標(biāo)準(zhǔn)，其關(guān)于緊密度值的測定方法，要求由購方和制造商協(xié)商制定，同時還推薦了一種殘余接觸應(yīng)力的測量方法。用該方法實際測量時，需貼應(yīng)變片，使用動態(tài)應(yīng)變儀，不適合工業(yè)化批量生產(chǎn)時的質(zhì)量檢驗；另外，采用該方法測量時要切開外層基管鋼管，這樣會導(dǎo)致內(nèi)襯管的彈性減小甚至消失，使測量的應(yīng)變值存在誤差。標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于緊密度值的評判缺乏理論依據(jù)，往往導(dǎo)致相似工況下不同的設(shè)計單位，緊密度要求差異也較大。因此，如果能找出一種直接表征雙金屬復(fù)合管緊密度值的試驗方法，且簡單實用、重復(fù)性好，分析影響緊密度值的因素，具有非?，F(xiàn)實的意義。

1 殘余接觸應(yīng)力與殘余接觸壓力的關(guān)系

API SPEC 5LD推薦的緊密度測量方法為，從襯里復(fù)合鋼管上切取一小段環(huán)形試驗鋼管，將2～4片雙軸應(yīng)變片貼于環(huán)形試驗管段合金層內(nèi)表面，用鋸切基體鋼管的方法取出耐腐蝕合金層。測量取出耐腐蝕合金層前后的環(huán)向和軸向應(yīng)力變化。通過式（1）計算得到殘余接觸應(yīng)力—緊密度值。

根據(jù)規(guī)定，圓周方向（環(huán)向）的接觸應(yīng)力為

式中：σy—環(huán)向接觸應(yīng)力，MPa；

Ei—內(nèi)層管材料的彈性模量，MPa；

νi—耐腐蝕合金層或內(nèi)層管材料的泊松比；

εy—環(huán)向應(yīng)變；

εx—軸向應(yīng)變；

η—應(yīng)變片數(shù)量。

復(fù)合管在液壓成型過程中，采用兩端開式的自緊式密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)外管的軸向力很小，故管子受力狀態(tài)可忽略軸向力的影響，按平面應(yīng)力分析，軸向應(yīng)變εx近似為0。取所有周向應(yīng)變的平均值則

復(fù)合管成型過程中復(fù)合原理為：對復(fù)合管內(nèi)層管內(nèi)壁表面施加均勻液壓力pi，內(nèi)層管首先處于彈性變形階段。隨著壓力pi的升高，內(nèi)層管進(jìn)入全面屈服狀態(tài)。隨著內(nèi)壓力的繼續(xù)增加，內(nèi)層管與外層管貼合，并產(chǎn)生接觸壓力pc。當(dāng)管內(nèi)壓力pi卸除后，外層管的彈性回復(fù)大于內(nèi)層管的彈性回復(fù)，內(nèi)外管之間存在殘余接觸壓力pc*，使內(nèi)外管緊密貼合，成型為雙金屬復(fù)合管。復(fù)合管復(fù)合成型后內(nèi)外層接觸面的受力情況如圖1所示。

圖1 復(fù)合管成型后內(nèi)外層管受力狀態(tài)

內(nèi)層管可簡化僅受外壓pc*作用時的鋼管殼體，假設(shè)鋼管殼體內(nèi)表面任意測試點處的環(huán)向應(yīng)力為σθ，軸向應(yīng)力為σz，徑向應(yīng)力為σr，則[3]

其中k=do/di。

di，d0—內(nèi)層管內(nèi)、外直徑，mm；

根據(jù)廣義胡克定律，鋼管殼體內(nèi)表面測試點的環(huán)向應(yīng)變εθ，軸向應(yīng)變εz，則

由（3）和（4）式得

式（6）中的 “－”表示受力方向為壓應(yīng)力。

由式（6）可得，殘余接觸應(yīng)力與殘余接觸壓力的正相關(guān)關(guān)系。評價復(fù)合管的緊密度，可以轉(zhuǎn)化為測量復(fù)合管內(nèi)外層管間的殘余接觸壓力pc*。

2 殘余接觸壓力的測量

由于殘余接觸壓力及復(fù)合管內(nèi)部相互應(yīng)力的作用，內(nèi)外層鋼管緊密貼合。如果要使內(nèi)外層管發(fā)生相對滑動，需克服兩物體接觸面間的滑動摩擦力f。而滑動摩擦力的大小，就與滑動摩擦系數(shù)μ及兩物體間的相互擠壓力F有關(guān)。復(fù)合管液壓成型后內(nèi)外層鋼管的受力情況見圖1。假設(shè)內(nèi)外層鋼管接觸面之間的殘余接觸壓力均勻一致，那么

式中：S—兩物體間的接觸面積。

如圖2所示，取一段復(fù)合管管環(huán)試樣，施加推脫力 Fo， 管環(huán) L 段相對接觸面積 S=πdo（H1-H2）。由于內(nèi)外層鋼管存在動摩擦力f，發(fā)生相對滑動所需的推脫力

由（8）式得，

圖2 復(fù)合管緊密度管環(huán)試樣結(jié)構(gòu)

由于油氣輸送用雙金屬復(fù)合管，一般外層為碳鋼管，內(nèi)層為耐腐蝕合金鋼管，內(nèi)外層間的滑動摩擦系數(shù)為常數(shù)。因此由式（6）和式（9）可知，評價緊密度可以轉(zhuǎn)化為測量內(nèi)外層發(fā)生相對移動所需要的軸向推脫力Fo*上來。

推脫力Fo*可在拉力試驗機(jī)上測得，拉力試驗機(jī)在各復(fù)合管生產(chǎn)廠家是必不可少的試驗設(shè)備。

3 緊密度影響因素

3.1 復(fù)合管液壓成型壓力影響

通過復(fù)合管的液壓成型原理，可以得到液壓成型壓力與殘余接觸壓力的關(guān)系式為[4]

其中K=Do/Di。

式中：σso—外層管材料的屈服強(qiáng)度應(yīng)力，MPa；

σsi′—內(nèi)層管材料的應(yīng)變強(qiáng)化應(yīng)力，MPa；

Di，Do—外層管內(nèi)、外直徑，mm。

通過以上理論計算可知，殘余接觸壓力與液壓成型壓力正相關(guān)，但由于內(nèi)外層鋼管的的材料性能關(guān)系，殘余接觸壓力存在最大值。

3.2 溫度影響

油氣輸送用內(nèi)襯復(fù)合管在管線施工時，為防止碳鋼腐蝕后對管線的安全使用造成不利影響，還需要對鋼管進(jìn)行三層PE防腐，保護(hù)鋼管外壁。3PE防腐工藝中鋼管涂敷溫度一般為195～230℃。下面以內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合鋼管為試驗管，模擬防腐生產(chǎn)工藝，將其在爐內(nèi)加熱到250℃，保溫15 min后空冷。加熱前后各取2個試樣進(jìn)行緊密度試驗，分析殘余接觸壓力的變化情況。緊密度試樣結(jié)構(gòu)見圖2。殘余接觸壓力的計算方法見式（9）。復(fù)合管內(nèi)層管材質(zhì)為316L奧氏體不銹鋼，外層管材質(zhì)為X65低碳合金鋼，試驗管相關(guān)性能見表1，加熱前后復(fù)合管的殘余接觸壓力變化見表2。

由表2可知，經(jīng)過爐內(nèi)250℃高溫保溫15 min，自然空冷后，該復(fù)合管的殘余接觸壓力降低了78%,這是由于內(nèi)層管的熱膨脹系數(shù)是外層管的1.5倍。當(dāng)對內(nèi)外層加溫時，內(nèi)外層之間的接觸壓力隨著溫度的增加而增大。由于內(nèi)層管的屈服強(qiáng)度小于外層管的屈服強(qiáng)度，當(dāng)溫度增加到極限溫度T0時，接觸壓力達(dá)到內(nèi)層管的反向屈服強(qiáng)度，內(nèi)層管開始反向屈服。隨著溫度的繼續(xù)增加，接觸壓力保持在發(fā)生反向屈服時的最大值上，內(nèi)層管將隨溫度的增加不斷產(chǎn)生塑性流動。當(dāng)溫度增加停止，并開始回復(fù)時，接觸壓力從反向屈服時的最大值迅速減小，有可能最終殘余接觸壓力為零，此時內(nèi)外層管也有松脫的可能。

圖3為試驗測得的某內(nèi)層管為不銹鋼，外層為碳鋼的復(fù)合管殘余接觸壓力與加熱溫度的關(guān)系。當(dāng)加熱溫度超過反向屈服溫度T0后，隨著溫度的升高后冷卻，其殘余接觸壓力逐漸降低。當(dāng)溫度升高到一定狀態(tài)時，內(nèi)外層分層松脫[5]。

表1 試驗管內(nèi)、外層管的力學(xué)性能

表2 加熱前后復(fù)合管殘余接觸壓力比較

圖3 殘余接觸壓力隨加熱溫的度變化趨勢

通過以上分析可知，對外層管的3PE防腐，需考慮熱加載對復(fù)合管的殘余接觸壓力影響。

3.3 管線現(xiàn)場承壓試驗

由于涂層加熱，復(fù)合管的殘余接觸壓力會有顯著的降低。復(fù)合管現(xiàn)場對焊安裝后，管線系統(tǒng)投入運(yùn)行前，要進(jìn)行現(xiàn)場承壓試驗。試壓壓力將增加內(nèi)外層管間的殘余接觸壓力，使其得到全部或部分回復(fù)。圖4為試驗測得的某復(fù)合管液壓成型、涂敷加熱、現(xiàn)場壓力試驗各個加載環(huán)境條件的內(nèi)層管推出力變化情況。

圖4 不同加載環(huán)境條件下內(nèi)襯管推出力變化情況

4 結(jié) 論

（1）通過殘余接觸應(yīng)力、殘余接觸壓力和軸向推脫力關(guān)系的理論計算，API SPEC 5LD推薦的測量殘余接觸應(yīng)力，可以轉(zhuǎn)化為測量復(fù)合管內(nèi)外層間發(fā)生相對滑動所需的軸向推脫力方法，以此評價復(fù)合管的緊密度。該方法簡單、經(jīng)濟(jì)、效率高，適合批量生產(chǎn)中的緊密度檢驗。

（2）緊密度的大小受復(fù)合管成型液壓壓力、后續(xù)涂敷溫度和現(xiàn)場試壓壓力的影響。

［1］API SPEC 5LD—2009，內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合管規(guī)范［S］.

［2］王學(xué)生，王亞輝，李培寧，等.不銹鋼復(fù)合管液壓脹接裝置［J］.機(jī)械工程師，2001（02）：10-11，13.

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