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        關(guān)于液脹成形雙金屬復(fù)合管緊密度測量方法的分析探討

        2018-01-24 07:59:23馬海寬張建國李培力寇永樂劉慧超鄧發(fā)明
        鍛壓裝備與制造技術(shù) 2017年6期
        關(guān)鍵詞:緊密度復(fù)合管雙金屬

        馬海寬 ,張建國 ,隋 健 ,李培力 ,寇永樂 ,劉慧超 ,鄧發(fā)明

        (1.金屬擠壓與鍛壓國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 7100322;2.中國重型機(jī)械研究院股份公司,陜西 西安 710032;3.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司,內(nèi)蒙古 包頭 014033)

        液脹成形雙金屬復(fù)合管是通過高壓水壓使基管發(fā)生彈性變形而內(nèi)襯管發(fā)生彈塑性變形,降壓后基管的彈性回彈量大于內(nèi)襯管的塑性回彈量,基管和內(nèi)襯管之間存在殘余接觸壓力,進(jìn)而基管緊緊抱緊內(nèi)襯管,形成雙金屬復(fù)合管。液脹成形雙金屬復(fù)合管因脹合力均勻,且大小容易控制,得到了廣泛的認(rèn)可。當(dāng)前,中國重型機(jī)械研究院股份公司在液脹成型雙金屬復(fù)合管領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位,技術(shù)達(dá)到了世界一流水平。

        基管和內(nèi)襯管間的緊密度是衡量雙金屬復(fù)合管復(fù)合性能和質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。目前,國內(nèi)雙金屬復(fù)合管生產(chǎn)企業(yè)制造復(fù)合管通常依據(jù)API SPEC 5LD標(biāo)準(zhǔn),但其關(guān)于緊密度值的測定方法沒有標(biāo)準(zhǔn)性規(guī)定。因此,行業(yè)內(nèi)缺少統(tǒng)一的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。這就往往導(dǎo)致相似工況下不同的設(shè)計(jì)單位,緊密度要求差異也較大。因此,在實(shí)際生產(chǎn)使用中需要找出一種直接表征雙金屬復(fù)合管緊密度值的試驗(yàn)方法,且簡單實(shí)用、重復(fù)性好,具有非?,F(xiàn)實(shí)的意義。本文將對(duì)常用的雙金屬復(fù)合管緊密度測量方法進(jìn)行分析探討,為雙金屬復(fù)合管的實(shí)際生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

        1 API SPEC 5LD推薦方法

        當(dāng)前,國內(nèi)雙金屬復(fù)合管生產(chǎn)企業(yè)制造復(fù)合管一般按照API SPEC 5LD標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行生產(chǎn)制造和驗(yàn)收,但是對(duì)于緊密度值的測定方法未給出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。其推薦了一種緊密度值的測量方法[1]。用該方法實(shí)際測量時(shí),需要將應(yīng)變片貼在基管上,使用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測定基管的變形,如圖1所示。采用該方法測量時(shí)需要將基管鋼管切開才能測得基管的應(yīng)變,最后轉(zhuǎn)換成基管和內(nèi)襯管之間的殘余接觸應(yīng)力。此測量方法在基管切開時(shí)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)襯管的彈性減小甚至消失,使測量的應(yīng)變值存在很大的誤差,且工序麻煩,不適合工業(yè)化批量生產(chǎn)時(shí)的質(zhì)量檢驗(yàn),只適合實(shí)驗(yàn)室的成形研究測試。

        圖1 動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測定基管的變形

        2 軸向推脫力測定方法

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

        式中:s——基管和內(nèi)襯管間的接觸面積。

        圖2 雙復(fù)合管液脹成形后基管和內(nèi)襯管受力狀態(tài)

        當(dāng)用軸向推力Ft緩慢推動(dòng)內(nèi)襯管且使其勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),此時(shí)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(yīng)力P可由軸向推力Ft、摩擦因數(shù)μ和接觸面積 計(jì)算得出,而摩擦因數(shù) 與基管和內(nèi)襯管材料有關(guān),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(fù)合管緊密度時(shí),只需測定軸向推力Ft即可。

        軸向推力Ft可在拉力試驗(yàn)機(jī)上測得[3]。當(dāng)前,拉力試驗(yàn)機(jī)在各復(fù)合管生產(chǎn)廠家是必不可少的試驗(yàn)設(shè)備。因此,此種方式簡單、經(jīng)濟(jì)、效率高,適合批量生產(chǎn)中的緊密度檢驗(yàn),實(shí)用性強(qiáng),很多生產(chǎn)廠商運(yùn)用此方法進(jìn)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(fù)合管緊密度的方式都存在一定的缺點(diǎn)[4],比如兩種方式都屬于破壞性檢驗(yàn),只是對(duì)復(fù)合管部分取樣,易存在檢測誤差。固有頻率測定方法是根據(jù)復(fù)合管自身的固有頻率來判定復(fù)合管緊密度的方式,其無須破壞復(fù)合管,只需要對(duì)其固有頻率進(jìn)行測量,然后對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)即可判斷復(fù)合管緊密度[5]。

        當(dāng)假設(shè)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(jù)粗糙表面法向接觸剛度分形模型,機(jī)械結(jié)合綱法向剛度可表示為[6]:

        式中:kn*——無量綱機(jī)械結(jié)合面法向接觸剛度;

        Ar*——無量綱真實(shí)接觸面積;

        D——結(jié)合面的分形維數(shù);

        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(guān)系為

        當(dāng)D≠1.5時(shí),

        當(dāng)D=1.5時(shí),

        式中,p*——無量綱法向力;

        G*——無量綱分形粗糙度參數(shù);

        k——與材料硬度和屈服強(qiáng)度有關(guān)的系數(shù);

        g1g2——分形維數(shù)D的函數(shù)。

        通過式(4)可以得出接觸面積越大界面剛度越大的結(jié)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(jié)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(jī)械式復(fù)合管是通過使得基管和內(nèi)襯管發(fā)生彈塑性變形而達(dá)到機(jī)械貼合的,因此它的結(jié)合強(qiáng)度與基管和內(nèi)襯管界面的法向接觸壓力有關(guān),即接觸面的平均結(jié)合強(qiáng)度可以表示為[7]

        式中:P——復(fù)合管結(jié)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(jié)合強(qiáng)度越高,因此,結(jié)合強(qiáng)度越高,結(jié)合界面法向載荷越大,而結(jié)合界面法向載荷越大,則結(jié)合界面法向剛度越大。

        通常,不同貼合狀態(tài)時(shí)雙金屬復(fù)合管得到的固有頻率不同,局部貼合狀態(tài)的復(fù)合管的固有頻率最大,而整體未貼合的復(fù)合管次之,最小為整體貼合的復(fù)合管;在復(fù)合管整體貼合狀態(tài)下,復(fù)合管的固有頻率隨貼合強(qiáng)度的增加而增加。

        運(yùn)用固有頻率測定方法,能夠在不破壞復(fù)合管的前提下較為方便地測出其緊密度,但其需要對(duì)同一類復(fù)合管作出緊密度判定標(biāo)準(zhǔn)。一旦標(biāo)準(zhǔn)確定,便能夠很快地對(duì)復(fù)合管緊密度進(jìn)行檢測,此種方式快速方便。

        4 總結(jié)

        雙金屬復(fù)合管緊密度是衡量其綜合性能的關(guān)鍵指標(biāo),是生產(chǎn)制造和使用過程中極為關(guān)鍵的參數(shù),因此,行業(yè)內(nèi)需要一套實(shí)用性強(qiáng)且準(zhǔn)確的雙金屬復(fù)合管緊密度測定方式。文章論述的三種方式,是當(dāng)前行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的方法,但API SPEC 5LD推薦方法實(shí)用性較差,實(shí)際應(yīng)用較少;軸向推脫力測定方法相對(duì)簡單,在行業(yè)內(nèi)應(yīng)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(jié)構(gòu)力學(xué)原理,無需破壞復(fù)合管,但其前期需要對(duì)同種類型復(fù)合管做出測試基準(zhǔn),前期投入較大。三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),在實(shí)際中還需根據(jù)實(shí)際條件和需要進(jìn)行選擇應(yīng)用。

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

        [3]任學(xué)平.金屬塑性成形力學(xué)原理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008.

        [4]王學(xué)生,李培寧,王如竹,等.雙金屬復(fù)合昔液壓成形壓力的計(jì)算[J].機(jī)械強(qiáng)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(xué)學(xué)報(bào),2008,28(6):30-33.

        [6]張學(xué)良,黃玉美,韓 穎.基于接觸分形理論的機(jī)械結(jié)合面法向接觸剛度模型[J].中國機(jī)械工程,2000,11(7):727-729.

        [7]溫淑花,張學(xué)良,武美先,等.結(jié)合面法向接觸剛度分形模型建立與仿真「J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009,40(11):198-202.

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