新型自蔓延高溫合成（SHS）陶瓷內(nèi)襯油管力學(xué)性能研究

趙 斌，李旭陽

1.寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電信息學(xué)院，陜西 寶雞 721100

2.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721100

1 自蔓延高溫合成技術(shù)概述

SHS 技術(shù)最先是由蘇聯(lián)人Merzhanov、Boroinskaya、和Skiro 提出的。這是一種新型的材料合成技術(shù)。這種材料是依靠化學(xué)物質(zhì)之間高熱的化學(xué)反應(yīng)，在極短時間內(nèi)壓縮而制成的。由于這種技術(shù)能耗低、制作工藝簡單，自傳入我國后，即得到了極大的發(fā)展。尤其是分離技術(shù)和自蔓延技術(shù)兩者結(jié)合制出的陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于油氣開采、電力、礦采、海洋等領(lǐng)域。自蔓延高溫合成技術(shù)生產(chǎn)的陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管，具有活性高、純度高、結(jié)合性能高和分布均勻等特點[1]。

陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管應(yīng)用于長距離輸煤時，其使用壽命是常規(guī)無縫鋼管的3 ～4 倍[2]。在輸送煤粉時，SHS 管的耐磨性強(qiáng)，顯著延長了管道的使用年限。在運輸水泥時，20 號無縫鋼管的壽命只有5 ～10d[3-4]。當(dāng)使用陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管時，使用壽命長達(dá)1 年。

2 試驗法探究陶瓷復(fù)合管力學(xué)性能

2.1 試驗設(shè)備調(diào)試

復(fù)合加載和施加軸向載荷的試驗中，使用的試驗機(jī)架應(yīng)當(dāng)在壓縮和拉伸兩種受力狀態(tài)下調(diào)試。根據(jù)國家計量組織關(guān)于設(shè)備標(biāo)定的規(guī)定，應(yīng)當(dāng)每年標(biāo)定一次，因此在試驗前必須對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。這種調(diào)試從小載荷到大載荷，在載荷要求的范圍內(nèi)，分為10 個等級，載荷增量相等。大的標(biāo)定載荷必須大于油管理論失效載荷。

式中：Fi為載荷示值；Ff為實際載荷。

根據(jù)API 5C5 規(guī)定試驗所用的機(jī)架的載荷相對誤差不超過±1.0%。

2.2 試驗原理

油管螺紋施加軸向屈服載荷：

式中：Sy為管子橫截面積；Ao為外徑；Ai為內(nèi)徑。

當(dāng)陶瓷內(nèi)襯管螺紋連接強(qiáng)度為屈服載荷時，則有

式中：Ft為陶瓷管軸向載荷；St為陶瓷管橫截面積；Ap為陶瓷管厚度。

2.3 試驗用陶瓷內(nèi)襯管管體的附加長度和有效長度

根據(jù)API 5C5 規(guī)定，陶瓷內(nèi)襯管螺紋連接試樣，每根試樣管體的長度都應(yīng)滿足下列要求：

（1） 試樣管體最小有效長度Lpj按式（5）計算：

式中：D為試樣名義外徑；t為試樣名義壁厚。

（2）應(yīng)留夠用于夾持和端塞的附加長度；

（3） 在試樣上劃線，測量長度LA、LB、LC。

2.4 試驗結(jié)果

用復(fù)合加載試驗機(jī)做4 組試驗。試驗數(shù)據(jù)如表1、表2、表3、表4 所示。試驗結(jié)果如圖1、圖2、圖3、圖4 所示。

圖4 試樣4 拉伸試驗圖

表4 試樣4 原始數(shù)據(jù)表

圖3 試樣3 拉伸試驗圖

表3 試樣3 原始數(shù)據(jù)表

圖2 試樣2 拉伸試驗圖

表1 試樣1 原始數(shù)據(jù)表

表2 試樣2 原始數(shù)據(jù)表

圖1 試樣1 拉伸試驗圖

由圖1 可知，試樣1 在表的試驗條件下，拉伸至651kN螺紋斷裂失效。

由圖2 可知，試樣2 在表2 的試驗條件下，拉伸至591kN 螺紋連接處斷裂失效。

由圖3 可知，試樣3 在表3 的試驗條件下，拉伸至668kN螺紋連接處斷裂失效。

3 結(jié)論

（1）SHS 陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管耐磨性強(qiáng)、耐腐蝕性高，比其他無縫鋼管使用壽命長。

（2）通過1、4 試樣或2、3 試樣的拉伸試驗極限載荷的對比，得出陶瓷內(nèi)襯管的拉伸性能優(yōu)于普通油井用鋼管。

（3）通過3、4 試樣的拉伸試驗極限載荷對比，得出陶瓷內(nèi)襯管壁厚越大，拉伸性能越好。