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浙江工业大学硕士论文 双层管线形胀合力学研究及关键因素分析 摘要 管道输送作为一种安全、经济、可靠的运输方式，广泛的被用于石油化工等 各个行业。双层管是由两种不同性质金属材料复合而成的一种新型复合管道，综 合利用了两种材料的特性。本文就双层管的胀接复合原理、制造及使用等相关技 术进行了研究。 基于弹塑性理论，根据内外管的五种应力组合状态，分别推导出了胀管压力 与残余接触压力之间的理论解析式，采用基于当量屈服强度求解残余接触压力的 思路提高了理论解析式的计算精度，得到了实验的验证，本文理论解析式可适用 于内外管为厚壁管状态；残余接触压力的大小由接触后内层管的变形性质决定， 与接触前内层管的变形性质无关。提出了双层管线形复合条件，内外管材料弹性 模量接近的条件下，只要满足条件盯m 吒i ，即可实现复合；分析了几何结构因 素管径比k 和k 对双层管的影响，分析表明胀合压力存在极值，胀合压力区间随 k 的增加而迅速扩大，但k 越大，胀合压力区间越小；k 和k 对最小胀合压力和 最大胀合压力的影响力是不同的；在相同胀合压力作用下，残余接触压力随管径 比k 的增加而迅速降低；在最大胀合压力条件下，残余接触压力随管径比k 和k 增大而增加；对胀合装置进行了改进研究，采用刚性传动与柔性传动相结合的方 式，同时还对胀合装置关键部件主轴进行了改良设计，得到了较好的应用效果； 分析了温度双层管结合强度的变化，给出了双层管分层松脱机理。 关键词：双层管胀合压力残余接触压力管径比 浙江工业大学硕士论文 k e yt e c h n o l o g i e so fb i m e t a l t u b ee x p a n d e df o r m i n g a n dt h ee q u i p m e n tr e s e a r c h a b s t r a c t p i p i n ga sas a f e t y , e c o n o m i c a l ，r e l i a b l et r a n s p o r t a t i o n ，h a v eb e e nw i d e l yu s e di n t h et r a n s p o r t a t i o no fp e t r o l e u m c h e m i c a le t c b i m e t a lt u b ei san e wt y p ep i p ew h i c h i sm a d eo ft w od i f f e r e n tm a t e r i a l i ti sc o m p l e xu t l 娩e dt h ea d v a n t a g e so fm a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep r i n c i p l eo fb i m e t a lt u b ee x p a n d e df o r m i n g ， t h ek e yt e c h n o l o g yo ff a b r i c a t i o na n da p p l i c a t i o nh a sb e e nr e s e a r c h e d a p p l i c a t i o nt h ee l a s t i c p l a s t i ct h e o r y , i na c c o r d a n c e w i t ht h ef i v e 。s t a t eo f c o m b i n a t i o n ，i th a se x p o r t e dt h et h e o r yc a l c u l a t i o nf o r m u l a so ft h er e l a t i o ne x p a n d i n g p r e s s u r et ot h er e s i d u a lc o n t a c tp r e s s u r e ，i th a su s e dt h ee q u i v a l e n ty i e l ds t r e s st o c a l c u l a t et h er e s i d u a lc o n t a c tp r e s s u r e ，t h ef o r m u l a sr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h e f e aa n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s t 1 1 i sp a p e rh a sp r e s e n t e dt h ee x p a n d e df o r m i n g t h e o r e t i c a lh a n d yc o n d i t i o n s ：盯 盯一i th a sa n a l y z e dt h eg e o m e t r i cb o d yf a c t o r so f p i p ed i a m e t e rr a t i oko rk t oi n f l u e n c eo ft h eb i m e t a lp e r f o r m a n c e t h es t u d y d i s c o v e r e dt h a tt h ee x t r e m ev a l u eo ft h ee x p a n d e df o r m i n gp r e s s u r e ，t h ep i p e d i a m e t e rr a t i oko rki n f l u e n c et h es p a c i n go fe x p a n d e df o r m i n gp r e s s u r e i th a s d e v e l o p e dt h eb i m e t a lt u b ee x p a n d e df o r m i n gm a c h i n ea n di m p r o v et h i sm a c h i n e ，i t h a sa p p l yt h eg i g i da n dt h ef l e x i b l ed r i v ec o n s t r u c t i o n ，a n da tt h es a m et i m ei m p r o v e d t h ec o n s t r u c t i o no fa x i s ，a p p l i e dt h es i xs i d ec o n s t r u c t i o n ，i th a so b t a i n e dt h eg o o d a p p l i c a t i o n i ta n a l y s i st h eb i m e t a lt u b eo ft h eu s i n gc h a r a c t e r i s t i c s a tt h eh i g h t e m p e r a t u r e a n ditp r e s e n t e dt h em e c h a n i s mo f b i m e t a lt u b el o o s e n e s s k e y w o r d s ：b i m e t a lt u b e e x p a n d e df o r m i n gp r e s s u r e r e s i d u a lc o n t a c tp r e s s u r e p i p ed i a m e t e rr a t i o i i 浙江工业大学硕士论文 主要符号说明 胀管压力 接触压力 o n o s 。 内管屈服强度 外管屈服强度 残余接触压力 吼叼 内管当量屈服强度 热接触应力 间隙消除压力 弹性极限接触压力 塑性极限接触压力 弹性极限胀管压力 塑性极限胀管压力 内管壁厚 内管外半径 内管内半径 内外管间初始间隙 外管内半径 外管外半径 外管外内径之比 内管外内径之比 i 内管流动应力 外管流动应力 内管弹性模量 内管塑性模量 外管弹性模量 e 即 外管塑性模量 内管管材泊松比 外管管材泊松比 内管热膨胀系数 外管热膨胀系数 临界屈服温度 分层温度 极限工作温度 室温 n w f 卢 口 吼 易 e 从 风 乙 弓 t e f c n 丁c d f f l 2 i 只 只 只 只 只 只 只 p p ， 匕 万 尺 r k k 浙江工业大学硕士论文原创性声明 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：叶函艾勇 日期：彳年厂月2 争e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 储虢叶娥勇 刷隧轹访止 窄秒 j 一月砷日 堋夕日 浙江工业大学硕士论文 1 1 引言 第一章绪论 现代管道运输起始于1 9 世纪中叶，经过一百多年的发展与研究，管道输送 业己成为与铁路、公路、水运、航空并驾齐驱的五大运输行业之一。管道作为常 见的气体、液体、浆体等介质的流体输送装置，广泛应用于石油、化工、冶金、 电力及城市燃气和供热系统中，并担负着输送易燃、易爆、高温、腐蚀、有毒放 射性介质的重要任务。随着国民经济的不断发展，工业建设日益扩大，管道尺寸 也在不断趋向大型化，而且输送的物料种类和数量、输送距离、输送的速度都在 提高，因而对输送管道的技术要求愈来愈高。 双层管( 或称包覆管) 是由内层管和外层管组成，内外管的材料根据需要既可 相同也可不同，管层之间紧密结合，受外力作用时，内外管同时变形。因此，双 层管不但具有所要求的高强度，而且还可具有优良的防腐蚀、耐磨损等性能，充 分利用了内外管的性能。与单层管相比，由于双层管在安全性、可靠性以及防爆 抑爆等方面的优势，因而在石油、化工、核电、轻工和机械工程等行业有着广阔 的应用前景。 国外对双层管的研究始于上世纪8 0 年代【1 】，主要应用于腐蚀比较严重场合， 如用碳素钢外包覆不锈钢管代替纯不锈钢管用于海底输送管道，碳素钢内衬不锈 钢管用于输送腐蚀性介质，提高管线的使用寿命，达到节省钢材的目的。目前日 本、美国、英国等工业发达国家正不断深入研究和开发双层管。 我国在9 0 年代也开始了对双层管的应用研究工作，根据制造方法不同，双 层管分为外包覆双层管和内衬双层管。外包覆双层管当前技术已较成熟，例如， 碳钢外包覆不锈钢双层管，主要应用于阳台、楼梯扶手等场合，即可达到美观， 又可达到高强度和防腐蚀的双重效果。内衬双层管制造工艺在国内相应的报导不 多，仅见一些专利报导。华东理工大学王学生乜3 副教授在不锈钢衬里双层管方面 做了大量的研究工作，在输送腐蚀性介质中应用内衬不锈钢双层管代替普通钢 管，可使管线寿命延长2 倍以上。 浙江工业大学硕士论文 1 2 双层管制造方法 目前双层管的制造方法主要有离心铸造法、直接焊接法、爆炸成形法、热挤 压法、机械拉拔法、滚压成型法，橡胶胀接法及液压成型法等。 离心铸造法生产双层管的方法仅见专利【3 】报导，其原理是把两种合金分别熔 化后，按先后顺序通过同一浇道或各自浇道注入同一铸型内，按事先设计好的铸 型转速和温度控制制成双层管，这种方法受浇注温度及转速的影响很大，而且成 本高。 直接焊接法分为两种加工工艺，即双层同焊法和分层卷焊法。双层同时焊接 法即为复合板卷焊的生产方法，国内仅见专利报引4 1 ，其制造方法是将相同宽度 两种不同或相同的金属通过压力加工重迭在一起，使两条金属带组合成一条重迭 的双层带材连续送入冷弯机组，弯曲成管状后，再经焊接机组焊接而成双层管； 另一种是分层卷焊法，日本、韩国等采用此法，其工艺是首先将已制好的内层管 送入焊管机组成形后，利用冷弯成形机组输入外层钢带包在内管外面，然后焊接 外层管的焊缝，再经定径等其他工序后完成双层管的生产，此种方法成形工艺简 单，但对成形机组、焊管机组的要求都很高，一般成形机组主要由国外引进，设 备投资较大，一条机组大约3 0 0 - 4 0 0 万美元左右。日本专利公开特许( a ) 昭 5 5 9 9 2 8 0 5 报导了双层管焊接的方法，该方法采用脉动系数小的焊接电流或高频 电流进行焊接，可使双层管表面非常光滑，并且焊筋几乎不存在，同时还有激光 悍接的报掣6 】。 爆炸成形法是一种动态成形技术，它是1 9 5 7 年在美国首先发展起来，主要 应用于换热器的生产制造中。它是一种在高温和高压的状态下高速完成生产程序 的工艺，利用炸药爆炸时产生的瞬间高压，通过压力传递材料作用到内管上，迫 使内管迅速发生塑性变形，紧贴外管来达到胀管的目的。此种方法胀合质量不易 控制，且具有一定的危险性。爆炸成形的难点是炸药量的计算，国外在这方面做 了大量的工作【7 8 】，在对两层钢板的爆炸复合上己建立了一套估算炸药量的方法， 但对于爆炸胀管仍需通过试验方法来解决。对于双层管的爆炸成形研究，南京理 工大学初步完成了t a - l o w 合金管与3 0 c r n i 2 m o a 钢管段的爆炸复合的试验研究 【9 1 0 o 热挤压法是首先对各单层管进行修磨、酸洗和表面活化等处理后，将两管进 浙江工业大学硕士论文 行微过盈套合在一起，端面封焊形成管坏后，在轧辊机上通过热轧复合管坏。这 种方法的变形量对成形质量有很大的影响，一般较难控制，产品的合格率不高， 目前仅见专利报导】。 机械拉拔法有两种方法。第一种拉拔法如图1 1 所示，拉拔前，将事先焊好 的两种金属管松套在一起，通过成形模具拉拔，将两种金属管子结合为一整体， 制成双层管；第二种拉拔、法【1 3 1 如图1 2 ，在机床上对内层管进行冷加工形成连 续曲面缩径后，套入外层管内，用大小不同的锥形拉头穿入内层管，然后在拉床 上逐级拉拔数次，使内层管与外层管紧密结合，达到有9 5 以上的复合面，再经 校直、抛光，两端机加工后制成双层管，种生产双层管的方法对管坯要求较严， 但较难达到满意的质量要求。 ? 一? 心茫奎岂冬。；萝 鹦纛 1 、内层管2 、外层管3 、成形模4 、拉模 1 、拉竿2 、外层管3 、内层管4 、拉挤模 图1 1 第一种机械拉拔法图1 2 第二种机械拉拔法 机械滚胀法【1 4 1 ，利用锥形芯轴的旋转带动周围滚珠的滚动，依靠摩擦力的 作用，致使内层管产生塑性变形、径向向外扩张与外层管贴紧，从而使得内外管 间产生残余接触压力而紧密贴合。 橡胶胀接技术是在日本对薄壁管加工的基础上发展起来的，并在换热器管板 与换热管的连接中得到广泛的应用【1 5 】。其工作原理在事先套装在一起的内外管中 装入硬橡胶，通过挤压硬橡胶对内层管施加压力发生弹塑性变形使内外管之间产 生残余应力，实现内外管的胀接。但是硬橡胶两端压力大，中间压力小，对长管 的胀接质量有很大的影响。 液压胀合成形和橡胶胀接原理一样，都是对内层管内壁施加静态压力的柔性 胀合技术。但液压胀合方法对内管内壁施加胀合压力均匀，但是对管两端密封技 浙江工业大学硕士论文 术要求高，且对焊管质量要求较高，目前仅有相关学术研究和专利报道。 从以上8 种主要成型方法可以看出，机械拉拔法、滚压成型法，橡胶胀接法 及液压成型法4 种方法均是利用材料变形特性实现复合的方法，其界面结合方式 是非冶金结合，是一种基于线性胀接塑性成型技术。塑性成型技术具有高产、优 质、低耗等显著特点，已成为当今先进制造技术的重要发展方向。据国际生产技 术协会预测，2 1 世纪机械制造工业零件粗加工的7 5 和精加工的5 0 都将可采用 塑性成型的方式来实现，在国民经济中的作用愈来愈大，在一定程度上决定了我 国机械制造业在2 1 世纪的市场竞争能力。双层管线性胀接塑性成型技术具有工 艺简单、成型效率高等特点，将在双层管制造领域得到发展和应用。 1 3 双层管胀接力学分析研究现状 双层管线形胀合技术与用于换热管与管板的胀接原理基本一致的，都相当于 两个松套在一起的内外管在内压的作用下，达到内外管紧密配合的效果，只是两 者要求的最终目的不同，在追求紧密程度上也有所区别。这种区别导致两者理论 分析的过程和计算结果不同。换热器换热管与管板胀接主要追求是拉脱力及密封 性能，因此要求胀接后在换热管与管板之间具有一定的残余接触压力，以满足拉 脱力及密封的要求，同时多数换热器常在管板处开槽以提高拉脱力及密封效果， 只有少数情况下采用管板处不开槽的结构。对于不开槽的情况，通过弹塑性分析 获得理论解即胀合压力、接触压力及残余接触压力等是可行的，且允许管板有适 当的塑性变形，因此胀合压力可在很大的范围内进行选择，过胀对于胀合质量的 影响不大，最大胀合液压力的精确计算并不特别重要；而对于开槽的情况，则很 难通过理论分析得到解析解，随着有限元方法及相关软件的出现以及计算机计算 速度的提高，目前常采用有限元分析及试验验证的方法来确定胀合压力的大小及 残余接触压力。 文献【16 】详细地阐述了换热管与管板胀接理论分析，给出了胀合压力的工作范 围、接触压力与残余接触压力和胀合压力之间的理论关系式。其给出的公式( 1 一1 ) 为换热管内壁应力计算式，轴向应力为零，即为开口情况。 4 浙江工业大学硕士论文 2 厂 仃r 2 万吼，m 百一p f = 扣 1 + h l 寸p ， c - 1 ， 吒= 扣h 守p ， 式( 1 - 2 ) 为闭口情况，即两端封闭时的壁内应力，从上两式可以看出径向应 力及环向应力表达式相同，只是轴向应力不同，可见式( 1 - 2 ) 所得的结论并不十 分准确，当然对于换热管与管板的连接，虽然换热管是闭口的，但一般换热管管 壁很厚，管径很小，轴向力不大，所以忽略其壁内轴向应力也是合理的。 华东理工大学王学生副教授在复合管液压胀合方面做了大量的工作，在试验 及理论分析方面取得了一定的成果。王学生副教授所研究的复合管主要是指内衬 不锈钢衬里的复合管，即外层为普通碳素钢管或低合金钢管，内层为不锈钢管， 其所做的理论分析也是在内层管为薄壁管基础上进行的。 1 4 本文的研究目的及任务 管道输送是与铁路、公路、水运、航空并驾齐驱的五大运输行业之一，双层 管在安全性、可靠性、耐腐蚀性、耐磨损性等方面有着单层管无法比拟的优势。 胀接成形技术制造双层管的特点是通过介质压力作用于内层管的内壁，使内层管 经弹性变形、弹塑性变形直至塑性变形后与外层管紧密接触。线性胀合双层管的 最终目的是使内外管紧密结合在一起，两管之间存在一定的残余接触压力，从而 使得双层管在工作状态下内外管共同承担载荷的作用。并且由于残余接触压力的 存在，使得内层管受到残余压应力作用，外层管受到残余拉应力的作用，这样就 能部分抵消工作状态下因内压引起的应力，使得应力沿壁厚方向分布均匀。因此， 砘 一 ，、i _ 一 见 厂一吒 一 n 二o “ h ，、 = = = q 吒 浙江工业大学硕士论文 准确地确定胀合压力的大小，研究胀合压力与残余接触压力之间的关系，对于科 学指导双层管的制造和使用，具有十分重要的意义。 本论文就内外管均为厚壁管的双层管开展研究，主要研究内容为： 1 、根据弹塑性理论分析双层管胀合原理和过程，提出胀合压力与残余接触压 力的之间的关系，分析双层管关键几何结构参数对双层管胀合性能的影响； 2 、通过修正材料的屈服强度来提高理论分析的精确性，简化计算方法，同时 又能满足工程的应用，确定胀合压力区间，便于实际应用； 3 、对双层管胀合装置进行改良研究，使其更利于实际推广应用； 4 、对双层管的使用特性进行研究。 6 浙江工业大学硕士论文 2 1 引言 第二章双层管胀合成型力学研究 双层管胀合是指通过内层管内施加压力，使内外管产生变形，利用内外管变 形量和回复量不同，使内外管实现胀合。采用塑性成形制造双层管的特点在于内 层管经弹塑性变形与外层管紧密接触，并使两管之间存在一定的残余接触压力， 从而使得双层管在工作状态下，内外管共同承担载荷的作用；并且由于残余接触 压力的存在，使得内层管受到残余压应力作用，外层管受到残余拉应力的作用， 这样就能部分抵消工作状态下因内压引起的应力，使得应力沿壁厚方向分布均匀。 因此，准确地确定胀管压力的大小，研究胀管压力与残余接触压力之间的关系， 对于科学指导双层管的制造和使用，具有十分重要的意义。 2 2 双层管胀合原理 2 2 1 双层管胀合过程 双层管( 或称包覆管) ，由内层管和外层管组成，内外管的材料即可相同也 可不同，管层之间紧密结合，内外管同时受力变形，如图2 1 所示。 昌 7 图2 1 双层管示意图 图2 2 为双层管变形过程平面应变分析模型。双层管胀合过程如下：第一阶 段( 如图2 2 ( a ) ) ，内外管松套在一起，内管与外管之间预留一定的间隙万；第 二阶段，对内管施加胀合压力p ，内管发生变形，间隙刚好消除( 如图b ) ；第三 阶段，内管变形至与外管内壁接触并使外管变形量达到乱时( 如图c ) ；第四阶 段，卸去胀管压力p 后，因内外管弹性回复量不同，使内外管保留一定的弹性变 7 浙江工业大学硕士论文 形量4 ( 如图d ) ，实现复合。 ( a ) 初始位置 c o ) 内外刚好接触( c ) 胀管压力达到最大值( d ) 卸去压力 图2 2 塑性胀接复合过程平面应变分析模型 2 2 2 双层管胀合过程应力应变变化分析 o g o o 龇 o s i od l u 旺 o 图2 3 典型点应力应变曲线 图2 3 以内层管3 1 6 l 和外层管2 0 钢为分析研究对象，建立以x 轴为周向应变 岛和y 轴为应力强度吼的典型点应力应变曲线，a 点为内管屈服点，c 点为外管屈 服点，图2 3 为图2 2 所示的力学模型中点n 和点w 的塑性复合过程。内外管复合后， 点n 和点w 将重合并连接在一起。内外管接触前，内管点n 的变形状态沿曲线o a j 万 变化，接触前f h o 点经a 点到达j 点，其环向总应变为厂d ，此时点n 与点w i e 接触。 艿 内外管接触后，点w 开始发生变形，其应变滞后于点nr o ，其变形起始点在d 7 点。 浙江工业大学硕士论文 此时点w 沿直线0 7 c 变形，而点n 继续沿直线j b 变形。当点n 变形达到b 点时，点w 则达到屈服点c ，设点w 的总应变为，即弹性应变量为，此时点n 的总应变 6 一为i + ，设其中弹性应变量为。胀管压力p 卸载后，击n 和点w 发生的 弹性伸长应变完全回复，因此，点n 应力一应变状态沿b d 回复，点w 应力一应变状 态沿d 7 c 回复。 2 2 3 双层管胀合变形条件分析 由2 2 2 节分析可知，当外层管内壁的弹性回复量大于内层管外壁的弹性回 复量，即。 “妇：时，为塑性状态。接触后存在三种状态：弹性状态、 弹塑性状态、塑性状态。假设外层管在变形过程中始终保持弹性状态，则在复合 过程中，内外管共有6 种组合应力状态： ( 1 ) 当内外管刚好接触时，如果内层管处于弹性状态( “如。万) ，当外管 变形量达到，内层管还处于弹性状态，那么由胀合原理知，胀管压力卸载后， 内层管的弹性应变完全卸载，外层管的弹性应变也完全卸载，内外管无变形，无 法实现复合。 ( 2 ) 当内外管刚好接触时，如果内层管处于弹性状态( “协。万) ，当外管 变形量达到，内层管处于弹塑性状态，那么由胀合原理知，胀管压力卸载后， 9 浙江工业大学硕士论文 内层管的应变由弹性应变和塑性应变两部分组成，弹性应变完全卸载，当塑性应 变量大于内外管间隙万，可实现复合。 ( 3 ) 当内外管刚好接触时，如果内层管处于弹性状态( “由。万) ，当外管 变形量达到，内层管处于塑性状态，与( 2 ) 原理相同，可实现复合。 ( 4 ) 当内外管刚好接触时，如果内层管处于弹塑性状态( “妇：万 “如。) ， 当外管变形量达到k ，内层管仍然处于弹塑性状态，由于内层管初屈服时与全 屈服时相比，胀管压力变化很小，内层管的弹性应变回复量完全远大于外层管的 弹性应变回复量，即。 。，不能复合。 ( 5 ) 当内外管刚好接触时，如果此时内层管处于弹塑性状态( 如：万 材0 。) ， 当外管变形量达到，内层管仍然处于塑性状态，卸载后，内层管的弹性应变 回复量完全远小于外层管的弹性应变回复量，实现复合。 ( 6 ) 当内外管刚好接触时，如果内层管处于塑性状态( 万 甜如：) ，当外管 变形量达到“，内层管仍然处于塑性状态，而外层管处于弹性状态，也可实现 复合。 2 3 双层管胀合力学分析 2 3 1 基本假设 实际复合过程中，内外管经历复杂的应力应变变化过程，升压时内层管承受 内压p ，和接触压力p 。的作用，同时又受到外层管的摩擦作用，外层管承受接触 压力p 。的作用又受到内层管的摩擦作用；降压与升压情况类似。为简化计算突出 主要问题，又使计算结果满足精度要求，对复合过程中内外管作如下假设： ( 1 ) 假设内外管材料为具有当量屈服强度的理想弹塑性线性材料，且具有足 够的韧性，不会发生低应力脆断； ( 2 ) 双层管成形过程中，所受轴向力很小，忽略轴向力的影响，变形过程简 化为平面应变问题进行分析； 1 0 浙江工业大学硕士论文 ( 3 ) 忽略内外管之间摩擦力的影响； ( 4 ) 本次分析采用t r e s c a 准则； ( 5 ) 内外管为理想圆桶。 2 3 2 残余接触压力求解变形协调方程 根据文献 2 1 提出的基于当量屈服强度双金属复合管残余接触压力求解方 法，内外管变形应力应变过程协调关系如图2 4 。内外管间存在应变几何关系如 下： 一o t 一硪：而+ 面( 2 1 ) ( - 云) 为p ，和p 。后产生的内层管外壁周向应变量，e o , o ( f m )p 。产生的 内层管外壁残余周向应变量，e o o ，( d 欠) 为p 。产生的弹性周向应变量，吃i ( d f ) 为 p 。产生的残余周向应变量。根据( 2 1 ) 应变变形协调方程为： ，一吃，= 一屯 ( 2 _ 2 ) 图2 4 双层管压力应变曲线 2 3 3 加载阶段应力应变分析 根据双层管变形过程，分为加载和卸载两个阶段，基于文献 2 1 分别对两个 阶段内外管的应力应变特性进行分析。 当内管外壁的径向位移大于等于间隙，即z f 如万时，内外管间隙消除开始接 浙江工业大学硕士论文 触并进行了力的传递，内外管的受力状态如图2 5 ，设内层管外壁与外层管内壁 之间存在着接触压力为p 。 ( a ) 复合管 ( b ) 内层管 ( c ) 外层管 图2 5 内外管在胀管压力p ，作用下的受力状态 ( 1 ) 内层管应力应变分析 接触后，内层管受力状态如图2 5 ( b ) ，内层管受到内压( 胀管压力) 、外 压( 接触压力) 的作用，处于平衡状态f 1 7 1 ，根据2 3 节塑性复合过程分析可知， 内层管应力状态可能处于弹塑性状态和塑性状态。， 弹塑性状态下应力状态分为弹性区的应力状态和塑性区应力状态。 a 弹塑性状态下应力应变 2 0 3 设r = c 为内层管弹塑性的分界面，p 为分界面的压力。 当c ，r o 时为弹性区，此时弹性区受到内压p 和外压( 接触压力) p 。的 作用。 在内压p 作用下的应力状态为： o r l2 l = - + 在外压p 。的作用下的应力状态为： 一篇 咿一篇 ， 、， 、 ，南，南 浙江工业大学硕士论文 根据应力叠加原理仃= 盯。+ c r 2 得弹性区的应力状态( c 立即，只要内管与外管弹性模量的比值大于内管的流变应力 b o g s o 与外管屈服强度的比值，就可以实现塑性胀接复合，并且弹性模量的比值越大， 内外管间结合强度就越大。在实际应用中，流变应力值很难取得，不便于实际工 程应用，由于在胀合过程中，由2 5 节分析可知，内层管必须达到屈服的条件下 才能复合，即流变应力大于屈服应力，则： 浙江工业大学硕士论文 旦 垒 旦生 e o o s o o 3 0 如果内层管屈服强度小于外层管屈服强度，则可将上式简化为等 1 ，即 f 丘。 只要满足e ， e 。，即内层管材料的弹性模量大于外层管的弹性模量即可实现复 合，差值越大，越容易复合；当内外管材料弹性模量接近的条件下，只要满足条 件矿舶 o s ，即外层管材料的屈服强度大于内层管的屈服强度即可实现复合，差 值越大，越容易复合。 3 3 胀合压力大小对双层管结合强度的影响 胀合压力的大小对双层管的结合强度具有直接影响，压力太小，内层管仅弹 性变形，间隙无法消除，无法实现胀合，胀合压力太大，外层管出现塑性流动， 外层管可能失效，无法应用，因此，合理的选择胀合压力非常重要。 3 3 1 胀合压力极小值分析 内外管实现胀合的最终条件是内外管间形成的残余接触压力p 即 0 。 由2 - 1 7 和2 1 9 得： l p i - 。 s i ( mn 嘉+ 册石1 。 去o ，一吒，l n 尼) 一去吒， o ( 3 - - 4 ) 当接触后内层管处于弹塑性状态时： 咖吒卜n 六十守百1 万o s i ( 3 5 ) 当接触后内层管处于塑性状态时： p ； q ，l n 七十吉吼， 川 因内层管的变形状态由弹性状态转变为弹塑性状态，进一步转变为塑性状 态，即p ； ，严，才能达到塑性胀接复合的要求。 3 3 2 胀合压力极大值分析 为了保证外层管在胀接过程中，始终处于弹性状态，则必须满足： p ， ! 粤“ ( 瑚) ，c 丽。 、h 设p ? 为内层管弹塑性状态下的最大胀管压力，p ? 为内层管塑性状态下的最大胀 管压力，由内层管得变形性质可知，p ? p ? ，因此最大胀合压力由p ? 决定。 由p f = p c + 盯j fi n k 得： !p ， 睾帆h 七 设 p 严= l n 七+ 瓦k 2 丁- 1 因此，实现胀合的压力范围为： p 严 1 3 2 时，增幅不明显，且提高内层管管径比k 比提高 外层管管径比k 易使残余接触压力提高。 图3 9 为在k = i 4 ，胀合压力只= 8 0 m p a 作用下，获得的残余接触压力随内层 管管径比k 的变化特性，由图可以得出，在相同胀合压力作用下，残余接触压力 随管径比k 的增加而迅速降低，若想获得较高的残余接触压力必须相应的提高胀 合压力。 1 0 2 1 0 4 1 0 61 1 11 1 2 1 1 4 1 1 6 1 1 81 21 2 2 1 2 41 2 61 勰1 31 3 2 1 3 4 1 3 6 1 3 81 4 k 图3 7 残余接触压力随管径比k 变化特性 2 4 浙江工业大学硕士论文 8 6 5 4 3 2 l o 最大残余接触压力 2 1 8 1 6 1 4 1 2 芒 弓1 主 0 8 0 6 0 4 0 2 0 1 0 5l l1 1 5l - 21 2 51 31 3 51 4 k 图3 8 残余接触压力随管径比k 变化特性 i 0 21 o 哇 1 1 佣 图3 9 在同一胀合压力下，残余接触压力随管径比k 的变化 3 5 温度对双层管残余接触压力的影响分析 3 5 1 内层管应力状态随温度变化特性 图3 1 0 为双层管胀接复合内层管应力状态变化原理图心3 2 钔。在胀接过程中， 岛li 浙江工业大学硕士论文 接触前内层管应力状态变化将由0 点开始，沿着o a 加载线( 内外管接触前) 变 化，直至内外管产生接触应力的a 点。接触后内外管共同变形，内层管的应力状 态沿接触后的加载线a b 由a 点向b 点运动，最终停留在g 点：卸载后，内层管 垒= 一墨 将沿弹性卸载线g h 产生弹性回复，直线g h 的斜率为5 ，g 点位置与胀 管压力及外层管的刚度有关。连接0 点与h 点形成直线0 h ，延长直线0 h 交c d 于k 点。它表示从直线a b 上任一点卸载，残余接触应力都将落在直线0 k 上，其 r 斜率为t 。 里缸 ( 0 , 1 ) a 呸f ，( - 吹 _ - ， i 入i i ll 1 占 y 一 卫( 1 l ， 一 。 k( o 一1 ) d 图3 1 0 内层管外壁应力状态变化图 随着温度的变化，由于内外管热膨胀系数不同，使内外管间径向变形量不同， 在径向几何条件的约束下，内外管间形成的接触应力，称为热应力。内层管的应 力状态由h 点开始沿着o h 向k 点移动。如果温差足够大，将使内层管的应力达 到k 点，内层管仅受外压作用，并开始发生屈服；此后温差继续增大，内层管将 产生塑性压缩变形，应力状态仍然停留在k 点，即内层管外壁的径向应力。砌保 持不变；在内层管未发生反向屈服情况下回复到原来的室温状态，内层管的应力 状态将沿0 h 线由k 点向h 点移动并回到h 点，应力状态为弹性卸载过程；如果 温差有足够大，内层管已经反向屈服，尽管应力状态仍然停留在h 点，但是内层 管发生较大的反向屈服变形，回复到室温状态时内层管的应力状态将沿o h 线超 过h 点向0 点移动，可能到达0 点。 浙江工业大学硕士论文 3 5 2 热应力作用下双层管应力应变分析 设内外层管之间形成的热接触应力为或。则热应力使内外层管引起弹性应 变，所以内外层管由热载荷引起总的周向应变是由热应变和热应力引起的周向弹 性应变之和，即：岛2 弓+ 丛r 。设内层管外壁的周向弹性应变为乇，外层管 内壁周向弹性应变为，；由于轴向应力与径向应力相比很小，因此忽略轴向应 力的影响。由于变形过程中内外层管之间始终接触，由于外层管的内径不可能小 于内层管的外径，两者之间只能变形协调在一起，因此由热载荷引起的总的周向 应变相等( 如图3 1 1 ) ，变形协调方程为： = ( 3 1 2 ) 图3 1 1 热应力作用f 内外管焚形协调关系 由于内层管为薄壁管( 受力状况