黃克堅(jiān)，王利樹，黎劍峰，徐 亮，魏家樂

（番禺珠江鋼管有限公司，廣州 511450）

0 前 言

酸性介質(zhì)條件下的管線輸送工程建設(shè)表明，采用雙金屬機(jī)械復(fù)合管替代不銹鋼管，具有明顯的材料成本優(yōu)勢。在防腐蝕技術(shù)領(lǐng)域，雙金屬機(jī)械復(fù)合管產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)，已經(jīng)成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)技術(shù)之一。雙金屬機(jī)械復(fù)合管由兩種材料性能優(yōu)勢各異的金屬管經(jīng)機(jī)械復(fù)合加工而成，即外基管和內(nèi)襯管的機(jī)械復(fù)合，二者之間接觸應(yīng)力大小是衡量雙金屬機(jī)械復(fù)合工藝可靠性的主要標(biāo)志。以應(yīng)用于酸性油氣介質(zhì)輸送管道的雙金屬機(jī)械復(fù)合管為例，其內(nèi)層為耐蝕合金管，外層是高強(qiáng)度的管線管。中華人民共和國城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 192—2004和石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6623規(guī)定，經(jīng)機(jī)械復(fù)合加工后的雙金屬管，其層間接觸應(yīng)力應(yīng)不低于0.2MPa，測試試驗(yàn)可按照CJ/T 192—2004附錄A進(jìn)行。雙金屬機(jī)械復(fù)合管制造技術(shù)包括爆燃、旋壓、拉拔以及外包模具的水壓擴(kuò)徑等多種機(jī)械復(fù)合工藝，但如何實(shí)現(xiàn)復(fù)合管雙金屬層間接觸力大小的現(xiàn)場控制，上述工藝都未曾提供可操作性強(qiáng)、效果顯著的解決方案。鑒于此，本研究進(jìn)行了雙金屬機(jī)械復(fù)合管的水壓復(fù)合工藝的研究，提出了一種利用材料極限彈性膨脹控制水壓復(fù)合效果的方法。圖1所示為典型的雙金屬復(fù)合管。

圖1 雙金屬復(fù)合管外觀

1 雙金屬管水壓復(fù)合緊密程度的控制原理

圖2為雙金屬復(fù)合管水壓復(fù)合工裝示意圖。從圖2可以看出，雙金屬復(fù)合管的內(nèi)襯管插入外基管內(nèi)腔，在外基管開鑿兩個(gè)排氣孔，復(fù)合過程中，存在于復(fù)合管內(nèi)、外兩層金屬間隙中的空氣可由排氣孔排出。管端組合密封裝置（包括密封墊和張力密封圈兩部分，其中張力密封圈采用高分子彈性材料，緊箍在密封墊上）的主要作用是防止水進(jìn)入內(nèi)襯管和外基管之間的間隙；堵頭的材料性質(zhì)與內(nèi)襯管材料相同，內(nèi)襯管的兩管端口插入堵頭后，沿交界將內(nèi)襯管和堵頭焊成一體，內(nèi)襯管內(nèi)腔自成一個(gè)密封室；導(dǎo)管與外部的水泵相接；水壓傳感器外接專用儀器用于檢測和控制密封室水壓膨脹壓力。

圖2 雙金屬復(fù)合管水壓復(fù)合工裝

加壓前，需先對(duì)內(nèi)襯管密封腔進(jìn)行充水排氣，水經(jīng)導(dǎo)管流入內(nèi)襯管，當(dāng)排氣管流出水時(shí)，表明內(nèi)襯管充滿水液，此時(shí)應(yīng)關(guān)閉與排氣管相接的閥門，內(nèi)襯管腔成為一個(gè)獨(dú)立的密封室。

試壓開始后，內(nèi)襯管中段管體部分由于在徑向處于相對(duì)無約束狀態(tài)，管體的彈塑性膨脹變形首先產(chǎn)生于內(nèi)襯管的中段部分，隨著內(nèi)襯管密封腔水壓力的不斷增加，膨脹變形向內(nèi)襯管兩端擴(kuò)展延伸，復(fù)合管間隙處的空氣可經(jīng)排氣孔排出，內(nèi)襯管與外基管逐步接觸貼合。當(dāng)內(nèi)腔水壓力繼續(xù)增大，水壓力通過內(nèi)襯管向外基管施加徑向膨脹力，促使外基管也發(fā)生膨脹變形。

在雙金屬管水壓復(fù)合過程中，內(nèi)襯管和外基管的貼合緊密程度可通過水壓膨脹加載和卸載兩個(gè)過程實(shí)現(xiàn)。在加載過程中，內(nèi)襯管發(fā)生塑性變形，外基管因彈性膨脹而儲(chǔ)存一定的彈性變形勢能；而在卸載過程中，由于內(nèi)襯管彈性回復(fù)量小，塑性殘余變形量大，外基管則依托內(nèi)襯管的結(jié)構(gòu)剛度，把部分彈性勢能保留在雙金屬復(fù)合管上。如果所保留的彈性勢能越多，則復(fù)合管的接觸貼合緊密程度越高。在材料力學(xué)性能、尺寸規(guī)格既定的情況下，由于外基管剩余彈性勢能是控制復(fù)合管貼合緊密度的關(guān)鍵，因此，可通過水泵壓力的控制，促使外基管發(fā)生最大彈性變形，從而獲得最大的剩余彈性勢能，確保復(fù)合管的最佳復(fù)合效果。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 外基管彈性勢能對(duì)復(fù)合效果的影響

為研究外基管彈性勢能對(duì)復(fù)合效果的影響，選擇了4種不同水壓復(fù)合方案。復(fù)合管接觸應(yīng)力試驗(yàn)按CJ/T 192—2004附錄A進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

從表1的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，對(duì)于B等級(jí)低材質(zhì)的外基管，盡管水壓已經(jīng)達(dá)到38MPa，外基管的環(huán)向應(yīng)力雖已接近材料的屈服極限，但復(fù)合后的雙金屬管層間接觸應(yīng)力的測試值只有0.075MPa，該值遠(yuǎn)未達(dá)到城鎮(zhèn)建設(shè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) CJ/T 192—2004和中石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6623的要求。經(jīng)分析認(rèn)為，主要原因在于外基管材質(zhì)級(jí)別太低，壁厚太薄，因而不足以產(chǎn)生足夠的彈性應(yīng)變而引起。

表1 基層（外基管）彈性勢能對(duì)復(fù)合效果的影響

2.2 極限彈性條件下的水壓復(fù)合試驗(yàn)

試制過程按API 5LD和PY35-1/2系列海洋管技術(shù)規(guī)格書要求進(jìn)行，復(fù)合管的外基管選用X65QO碳鋼無縫鋼管，其規(guī)格為φ168.3mm× 12.7 mm×12 200 mm；復(fù)合管的內(nèi)襯管用316L奧氏體不銹鋼焊管，其規(guī)格為φ141.3mm×3.0mm× 12 250mm。

復(fù)合管水壓膨脹試驗(yàn)過程中，密封室水膨脹壓力與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。當(dāng)水膨脹壓力達(dá)到圖3曲線對(duì)應(yīng)的第5min的B位置時(shí)，內(nèi)襯管已經(jīng)處于由彈性變形到塑性變形的過渡階段；當(dāng)?shù)竭_(dá)曲線上的C點(diǎn)時(shí)，內(nèi)襯管和外基管基本貼合，若此時(shí)繼續(xù)增大膨脹壓力，外基管也開始發(fā)生彈性變形，復(fù)合管整體上的變形抗力不斷增大，水泵提供的膨脹壓力隨時(shí)間以近似線性增量方式繼續(xù)增大（因?yàn)榇藭r(shí)內(nèi)襯管材料已經(jīng)處于塑性變形階段，與外基管彈性變形抗力增幅相比，其抗力增幅量很小），并一直持續(xù)到曲線D點(diǎn)位置；當(dāng)壓力達(dá)到85MPa，外基管處于由彈性變形向塑性變形階段過渡的拐點(diǎn)，外基管的膨脹變形因達(dá)到彈性變形極限而獲得最大彈性勢能。為了讓外基管儲(chǔ)備足夠的彈性勢能保持穩(wěn)定，可控制水壓力達(dá)到90MPa時(shí)，保壓30 s后卸載。實(shí)測結(jié)果見表2，其層間接觸應(yīng)力的大小可達(dá)到2.21MPa。

圖3 密封水壓力與時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2 外基管彈性勢能對(duì)復(fù)合效果的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明：通過膨脹試驗(yàn)曲線拐點(diǎn)的現(xiàn)場水壓控制，可有效保證復(fù)合管層間貼合的緊密度，并取得了理想試制效果。

3 結(jié) 論

（1）為了獲得最佳的復(fù)合效果，外基管材質(zhì)級(jí)別要盡可能高，而內(nèi)襯管材質(zhì)也應(yīng)采用剛度匹配的材料。在內(nèi)襯管、外基管的材料既定的情況下，復(fù)合過程采用的水壓越大，復(fù)合管獲得的剩余彈性勢能越多，復(fù)合效果越好。

（2）復(fù)合管水壓膨脹試驗(yàn)過程中，密封水壓力與時(shí)間關(guān)系曲線是指導(dǎo)復(fù)合作業(yè)的重要依據(jù)，當(dāng)外基管處于由彈性變形向塑性變形階段過渡的拐點(diǎn)時(shí)，復(fù)合管進(jìn)入彈性變形極限位置，此時(shí)對(duì)復(fù)合管內(nèi)腔液體的壓力進(jìn)行卸載，復(fù)合管所獲得的剩余彈性勢能將最大，復(fù)合效果最好。

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