为研究应用于油气田集输和海洋工程等领域的双金属机械复合管界面的紧密度特性,建立了液压成型及轴向载荷下双金属机械复合管力学模型,对比了梯形加载、递增式加载与脉动加载液压成型工艺对复合管界面紧密度的影响,探究了轴向载荷下成型压力与结构参数对复合管界面紧密度的影响规律。结果表明,脉动加载液压成型工艺与梯形加载、递增式加载加工工艺相比,管间残余接触压力提升45%,可以更好地保证双金属复合管成型的稳定性;提高成型后的残余接触压力,有助于增强复合管抗载能力;外基管壁厚对复合管承载力的影响最大;内衬管单独承受拉伸载荷时界面分离现象最明显,增加内衬管壁厚能延缓界面分离。

双金属机械复合管是油气田集输管线防腐控制的主要措施之一,而内衬层的失效是制约复合管工程应用的关键难题。为研究双金属机械复合管内衬层屈曲失效机理,建立弯曲载荷下复合管力学模型,研究成型压力、工作内压及复合管结构参数对内衬层失效模式的影响规律。结果表明:增加成型后的残余接触压力有助于提高内衬层的抗屈曲能力;较高的工作内压能够延缓内衬层屈曲时间,减小其褶皱幅值;成型前复合管层间初始间隙减小有利于提高内衬层抗屈曲能力;随着外基管壁厚、内衬管壁厚、复合管内径的增加,内衬管的抗屈曲能力增强。

液压成形法生产的双金属复合管具有良好的力学性能和耐腐蚀性能,合理设置工艺参数对获得高质量复合管具有重要意义。基于满足工程实际的有限元模型,采用不同的胀形压力、初始间隙和衬管壁厚进行了双金属复合管液压成形过程的模拟试验。通过正交试验设计和综合优化分析得到:影响残余接触应力的主次顺序依次为胀形压力、衬管壁厚、初始间隙;影响回弹的主次顺序依次是胀形压力、初始间隙、衬管壁厚。综合考虑残余接触应力和回弹两个评价指标,确定胀形压力170 MPa、初始间隙2 mm、衬管壁厚3 mm为最优工艺参数组合。

从复合管液压成形力学模型、边界条件约束和弹塑性分析的角度,讨论了塑性成形过程力学计算模型的差异,分析了双金属复合管液压成形过程应力、应变以及残余应力的非线性分布规律,提供了准确的有限元分析模型以及胀接区间确定方法,探究了基管和衬管间初始间隙对结果的影响。结果表明:双金属复合管成形过程是一个复杂的非线性过程,传统的模型对残余接触应力的计算存在误差;建立了考虑变形协调和轴向等效应力的液压胀接过程模型,利用应力变化曲线关系准确地确定了胀接应力区间;胀接完成后基管和衬管最大应力点为衬管外壁;制管时应减小复合管初始间隙。

介绍了双金属复合管的主要生产工艺。重点研究了液压成型双金属复合管的成型原理,给出了成型压力、衬管尺寸的计算公式。分析了影响衬管长度的主要因素,并通过实例分析了衬管的尺寸变化情况。分析认为:衬管复合后长度会缩短,衬管原始长度和径壁比是影响复合后最终长度的主要因素;衬管复合后长度的计算值与实测值基本相符,计算值比实际缩短量稍大。

基于弹塑性本构关系以及虚功原理等构建了用于复合管加工工艺分析的理论计算模型。通过与有限元分析结果对比,验证了该模型的有效性。针对典型双金属复合管,利用该模型探究了基管和衬管间初始间隙、基管屈服应力、基管和衬管的塑性各向异性以及轴端压力的影响。结果表明初始间隙的增大降低了复合管的机械结合强度;提高基管屈服应力导致成形液压力上升和管间机械结合强度提高;基管的塑性各向异性参数越大,管间机械结合强度越高,衬管则相反;轴端压力增大使成形液压力和残余接触应力有所降低,管间机械结合强度降低趋势并不显著。

针对现有复合管制造中存在的问题,开发了一种径向自紧密封式双金属复合管液压胀合成形装置,介绍了该装置的工作原理及技术特点,阐述了复合管液压成形过程的原理,并采用弹塑性理论分析了其在液压成形过程中内管及外管的应力应变状态.利用变形协调条件,得出了成形压力与复合管内外管之间残余接触压力的理论计算公式,并通过实验对公式进行了验证.结果表明,该新技术性能可靠且可适于工程应用.