范賢勇， 王學(xué)生， 陳琴珠

(華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200237)

0 引 言

雙金屬CRA內(nèi)襯管已廣泛應(yīng)用于石油、海水和天然氣運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)，該內(nèi)襯管是由能承受高壓的碳鋼外管與耐腐蝕合金(CRA)內(nèi)管復(fù)合而成的[1]。考慮到生產(chǎn)效率、成本、能耗及耐腐蝕性等因素，在工業(yè)生產(chǎn)中采用雙金屬CRA復(fù)合管而非純CRA管，內(nèi)層(復(fù)合管)厚度僅為1.5～3 mm耐腐蝕合金，可有效防止介質(zhì)在運(yùn)輸過程中的腐蝕[2]，而且批量生產(chǎn)成本低。

近年來，國(guó)內(nèi)外許多研究人員采用了各種方法來制造雙金屬CRA復(fù)合管，例如，冶金結(jié)合工藝或液壓成形工藝已被廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域[3]，盡管熱處理在冶金結(jié)合過程中是必不可少的，但它可能導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂或降低雙金屬CRA復(fù)合管在高溫下的抗腐蝕性能[4]，液壓成形過程可避免高溫條件，生產(chǎn)出高質(zhì)量的復(fù)合管。由于液壓成形CRA復(fù)合管的兩端密封困難，制造雙金屬CRA復(fù)合管需要較大的成形壓力，而且兩端密封機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜且龐大。雖然國(guó)外所使用的兩端裝式油缸(錐形或球形)可以解決制造雙金屬CRA復(fù)合管時(shí)的密封問題[5-6]；國(guó)內(nèi)王學(xué)生研制的芯管自密封圈裝置已被國(guó)內(nèi)多家生產(chǎn)廠家采用，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以防止液體從管道漏出[7-10]，但上述兩種方法主要解決小口徑的復(fù)合管，對(duì)于大口徑復(fù)合管需要成形壓力很高，隨著管內(nèi)膨脹壓力的升高密封存在泄漏問題，如果成形壓力不高，內(nèi)外管無法緊密復(fù)合產(chǎn)生縫隙。

本文提出了一種新型熱液壓成形工藝及研制的成形裝置，采用自緊式密封設(shè)計(jì)，成形壓力越高密封性能越好，解決了傳統(tǒng)的液壓泄漏問題。由于外管加熱，復(fù)合管通過溫度差產(chǎn)生的過盈量彌補(bǔ)了抱緊力的損失，因此復(fù)合管結(jié)合強(qiáng)度非常高。

1 熱液壓成形裝置工作機(jī)理

結(jié)合材料性能和液壓成形工藝特點(diǎn)，開發(fā)了一種新型雙金屬?gòu)?fù)合管制造技術(shù)，稱為熱工水力成形工藝。該技術(shù)充分利用了以往工藝中的優(yōu)點(diǎn)以及熱處理和液壓膨脹壓力下碳鋼和CRA鋼的特點(diǎn)，研制了雙金屬?gòu)?fù)合管熱液壓成形設(shè)備，見圖1。

1-可移動(dòng)支架， 2-連接桿， 3-液壓缸， 4-推桿， 5-復(fù)合管支架，6-進(jìn)水口， 7-芯管， 8-管支架， 9-O形圈， 10-O形圈蓋， 11-可動(dòng)模具， 12-出水口， 13-固定模具， 14-固定模具支架， 15-復(fù)合管， 16-外管， 17-芯管端子， 18-滑動(dòng)導(dǎo)向器， 19-滑動(dòng)器， 20-O形圈， 21-O形圈， 22-端子螺母， 23-螺釘

圖1 液壓膨脹裝置

該成形裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成有自緊密封機(jī)構(gòu)、可移動(dòng)內(nèi)管膨脹機(jī)構(gòu)、外管加熱機(jī)構(gòu)，對(duì)生產(chǎn)大口徑復(fù)合管具有生產(chǎn)效率高、結(jié)合力大等特點(diǎn)。其工作原理如下：首先，由固定模具13和活動(dòng)模具11將CRA內(nèi)管15安裝并固定到新裝置上，然后啟動(dòng)油泵。將外管16放入高溫爐中，并在指定的時(shí)間加熱。外管被加熱到指定的溫度后外管內(nèi)徑增大，移動(dòng)可移動(dòng)支架1，將CRA內(nèi)管15插入外管16中。此時(shí)保持油泵工作，并且啟動(dòng)高壓水泵，打開進(jìn)水口6，讓水進(jìn)入芯管7與襯里管15(膨脹腔)之間的空腔內(nèi)，不要關(guān)閉出水口12，直到膨脹腔充滿水為止。將液壓增加到指示值，CRA內(nèi)管15將膨脹以貼合外管的內(nèi)表面，外管受到液壓力和內(nèi)外管之間受到相互作用力的作用。當(dāng)液壓力增加到特定值時(shí)，停止加熱，外管受到冷卻回彈，回彈力促使內(nèi)外管緊密接觸產(chǎn)生很大的結(jié)合力。

2 熱液壓成形理論分析

2.1 熱液壓成形裝置新工藝

熱工水力成形工藝的工作機(jī)理如圖2、3所示，橫坐標(biāo)軸的值代表內(nèi)管的外徑或外管的內(nèi)徑；縱坐標(biāo)軸的值表示成形過程中的水壓膨脹壓力或殘余壓應(yīng)力。首先，當(dāng)外管在高溫移動(dòng)爐中加熱時(shí)，外管的內(nèi)徑從點(diǎn)1′到點(diǎn)2′逐漸變大，應(yīng)變?chǔ)?′是由熱膨脹引起的。其次，用水填充復(fù)合管，產(chǎn)生液壓膨脹壓力，使整個(gè)過程膨脹并冷卻內(nèi)管。隨著水填充到管內(nèi)，內(nèi)管的直徑也從點(diǎn)1擴(kuò)展到點(diǎn)2，當(dāng)復(fù)合管的直徑在點(diǎn)2以下時(shí)，從內(nèi)管的內(nèi)表面開始的塑性變形。然后，內(nèi)管移入外管內(nèi)徑，內(nèi)管在接觸外管道的內(nèi)表面(點(diǎn)3)之前不斷地膨脹繼續(xù)加壓。此時(shí)內(nèi)管液壓膨脹壓力對(duì)外管作出反應(yīng)，復(fù)合管的變形量等于內(nèi)管與外管之間的原始間隙加上ε0′之和。當(dāng)液壓膨脹壓力增加到指定值時(shí)，外管開始出現(xiàn)彈性變形，而復(fù)合管仍處于塑性變形狀態(tài)，從點(diǎn)2′到點(diǎn)3′的應(yīng)變?chǔ)?是由于在水力膨脹壓力下外管的變形引起的。當(dāng)復(fù)合管和外管的合成壓力分別達(dá)到點(diǎn)4和點(diǎn)3′時(shí)，液壓被釋放并且復(fù)合管在空氣中冷卻。值得注意的是，由于外管的熱收縮效應(yīng)，兩根管的回彈壓力和附加壓應(yīng)力都在復(fù)合管中產(chǎn)生，在這些壓力的共同作用下，內(nèi)襯管和外管緊密配合并產(chǎn)生應(yīng)變?chǔ)?′和ε0。最后，外管具有小的拉伸壓力，復(fù)合管具有殘余壓應(yīng)力，ε3′和ε1是由這些不同壓力的作用引起的，圖2顯示了雙金屬CRA復(fù)合管的熱成形過程。

圖2 雙金屬CRA復(fù)合管的熱液壓成形過程

2.2 雙金屬?gòu)?fù)合過程中應(yīng)力應(yīng)變分析

如圖3所示，可以看到內(nèi)管和外管之間的應(yīng)變關(guān)系，解決雙金屬?gòu)?fù)合管中成形所需要的壓力，內(nèi)管和外管之間的應(yīng)變關(guān)系為

式中：ε0′為外管內(nèi)徑的熱變形量[11]；α為管的線膨脹系數(shù)(1/℃)； ΔT為溫差(外管在高溫爐中加熱時(shí)的升溫)；D1′為外管內(nèi)徑(mm)。

如圖1所示，裝置采用了芯管和自緊密封圈來解決密封問題，降低了工藝過程中的用水量。該結(jié)構(gòu)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：由于軸向載荷可忽略不計(jì)，只有徑向力施加在內(nèi)管和外管上。因此，很容易分析水力膨脹下的應(yīng)力和應(yīng)變問題。

圖3 雙金屬CRA復(fù)合管的熱工水力成形過程

在復(fù)合管的外徑達(dá)到點(diǎn)2′的值之后，液壓膨脹壓力開始對(duì)內(nèi)管和外管作出反應(yīng)。因此，外管具有施加給內(nèi)管的壓應(yīng)力pc，圖4表示了內(nèi)管和外管的力分析。此時(shí)，內(nèi)管中存在塑性變形，而彈性變形作用于外管。根據(jù)特雷斯卡屈服準(zhǔn)則，復(fù)合管內(nèi)的圓周應(yīng)力和徑向應(yīng)力可由下式計(jì)算[12]。

(5)

式中：σi1為復(fù)合管的應(yīng)變強(qiáng)化應(yīng)力；t為內(nèi)管壁的厚度。

根據(jù)圖4中的方程和厚圓柱體的彈性理論，外管中的圓周應(yīng)力和徑向應(yīng)力可以通過下式計(jì)算。

式中：D1′o為外管的外徑；K為D1′o/D1′。

因此，環(huán)向應(yīng)變?chǔ)?′和ε0的產(chǎn)生可分別由pc和pi-pc根據(jù)廣義胡克定律給出。

式中：μ1為復(fù)合管的泊松比；μ1′為外管的泊松比。

將式(3)～(5)代入式(8)，式(6)和(7)代入式(9)，就可以得到ε和pi之間的關(guān)系：

ε0=

(10)

(11)

在此復(fù)合過程中，液壓膨脹壓力增加至點(diǎn)4，釋放壓力并冷卻空氣中的管道，內(nèi)管和外管的徑向載荷如圖5所示。

同樣，在Tresca屈服準(zhǔn)則、彈性理論和廣義胡克定律的基礎(chǔ)上，ε1和ε3′可以用下式計(jì)算：

(14)

當(dāng)復(fù)合管材料為CRA(0Cr18Ni9)時(shí)，外管材料為碳鋼(20#)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)有E1′≈E1≈E和μ1′=μ1=μ。式(13)可以簡(jiǎn)化為

(15)

pi是這種熱工水力膨脹成形過程中的最終成形壓力。從式(15)可見，pi值比其他研究人員提出的前一個(gè)過程要低，說明該熱液壓成形工藝所需要的成形壓力低，密封性能好。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 試樣拉伸試驗(yàn)

為了獲得更準(zhǔn)確的力學(xué)性能，測(cè)試了金屬材料的力學(xué)性能。本實(shí)驗(yàn)中，復(fù)合管為φ208 mm×2 mm焊接不銹鋼管，外管為φ219 mm×5 mm碳鋼管(20#)。試樣尺寸如圖6與表1所示。

圖6 內(nèi)管和外管的標(biāo)準(zhǔn)試樣

表2 內(nèi)外管材的力學(xué)性能

經(jīng)過多次測(cè)試，拉伸曲線如圖7、8所示。

圖7 復(fù)合管的拉伸曲線圖8 外管拉伸曲線

3.2 液壓成形實(shí)驗(yàn)

按照?qǐng)D2所示的液壓成形過程，管道尺寸如圖9所示。在上述成形過程中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，外管加熱到230℃，內(nèi)管液壓設(shè)定為11.2 MPa，然后內(nèi)管插入外管繼續(xù)擴(kuò)張，5 min后，外管停止加熱后內(nèi)管泄壓，雙金屬管復(fù)合形成。內(nèi)管(不銹鋼)和外管可以緊密連接，結(jié)合力比普通復(fù)合管增大30%，完成的樣品如圖10所示。

圖9 管道尺寸(mm)

圖10 雙金屬CRA復(fù)合管(部分)

4 結(jié) 語

本文提出了一種結(jié)合熱液壓成形和水力膨脹成形的新技術(shù)(熱工水力成形工藝)，在現(xiàn)有的復(fù)合管工藝中，首次給出了與熱力學(xué)、彈塑性力學(xué)相結(jié)合的液壓膨脹壓力方程。通過力學(xué)和理論分析，新工藝可用于工業(yè)。研發(fā)了一種制造雙金屬CRA復(fù)合管的新設(shè)備。采用自緊式密封結(jié)構(gòu)和可移動(dòng)支架，操作工序簡(jiǎn)單，密封效果好，結(jié)構(gòu)緊湊，生產(chǎn)效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，可用于制造大口徑雙金屬?gòu)?fù)合管。通過外管加熱內(nèi)管加壓的快速配合工藝，使內(nèi)外管套合間隙很小，配合過盈量更大，結(jié)合強(qiáng)度高。