雙金屬復合管復合模型有限元分析

邊 城，王 強，李翠艷

（1.渤海裝備研究院輸送裝備分院，河北 青縣062658；2.渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣062658）

雙金屬復合管復合模型有限元分析

邊 城1，王 強1，李翠艷2

（1.渤海裝備研究院輸送裝備分院，河北 青縣062658；2.渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣062658）

運用“縮徑法”思路制造雙金屬復合管，通過SolidWorks軟件建立復合管復合模型，并通過SolidWorks Simulation模塊進行有限元分析，通過復合管的內、外管應力分析和管壁接觸應力分析，最終得出采用“縮徑法”理論可以成功復合雙金屬復合管；復合過程伴隨著鋼管壁厚增加，且縮頸率越大壁厚增加越大。

焊管；雙金屬復合管；縮徑法；有限元分析

1 概 述

雙金屬復合管是將鍍鋅鋼管或焊管、無縫鋼管與壁厚更薄的不銹鋼管強力嵌合在一起的新型復合管材，也是一種更理想的管道升級換代產品。它保留了兩種（基管與襯管）不同材料的優點，互補了它們各自的不足。根據基管與襯管選材的不同以及制造工藝的提升，雙金屬復合管已被廣泛應用于腐蝕性較強的石油、石化、核工業、醫藥、食品加工等領域。

該類復合管由兩種不同金屬材料構成，管層之間通過各種變形和連接技術緊密結合。鋼管由基管和襯管組成，基管采用碳鋼管（無縫鋼管或焊接鋼管）或其他合金鋼管，保證優良的力學性能；襯管采用薄壁耐蝕合金材料（普通/特種不銹鋼、鈦/鋁、銅合金或其他耐蝕合金），保證良好的耐腐蝕性能。 該類復合管兼具外層鋼管和內層鋼管的所有優點，相對于整體合金管能有效降低成本，在應力腐蝕開裂敏感性的氯化物或酸性環境中又可以提高安全性和可靠性。因此，雙金屬復合管能最大限度地實現材料的優勢互補，節省合金元素，降低工程費用，提高管道的耐腐蝕性、耐磨性，是純不銹鋼管、銅管或其他耐腐蝕性合金管的替代產品。

2 雙金屬復合管復合原理

鑒于雙金屬復合管的種種優勢，渤海裝備研究院組織相關技術人員對該類復合管的成型方式進行了深入研究。同時，結合渤海裝備研究院目前生產狀況和設備條件，最終確定采用“縮徑法”制造雙金屬復合管。筆者根據研究現狀，運用SolidWork軟件建立了復合管復合模型，并運用FEA模塊SolidWorks Simulation進行了復合過程的有限元仿真。

根據金屬材料應力－應變曲線規律，基管與襯管同軸心套裝在一起，在同步縮徑過程中，應保證基管至少發生塑性變形，襯管達到最大彈性變形。在襯管徑向向外回彈力的作用下，基管內徑與襯管外徑脹接在一起，達到緊密貼合，最終實現內襯雙金屬復合管的過盈配合。該方法生產的雙金屬復合管，基管處于塑性變形狀態，襯管處于徑向向外回彈狀態，顯著提高了鋼管襯管的抗壓潰性能，有益于復合管的受力及運行狀態。

3 復合模型有限元分析

3.1 模型建立

雙金屬復合管的復合模型如圖1所示，基管材質為X60低碳鋼，襯管材質為316L不銹鋼。最終復合成功后，基管外徑為610 mm，壁厚22mm；內襯管外徑為566mm，壁厚為3mm。

圖1 雙金屬復合管的復合模型

3.2 分析思路

對于復合管縮徑情況，筆者選擇模型內表面一點評估應力，選擇模型外表面一點評估模型變形。同時，根據應力結果，取得相應時間處變形結果，即可獲得縮徑后殘余變形量，具體可以根據相關點的響應圖表來求得。

3.3 內管分析

內管材質為316L不銹鋼，最小屈服強度約為172 MPa。優化過程中筆者選擇內管外徑為566.5～566.8mm， 步長為 0.1mm； 縮徑（半徑）為0.25～0.4mm，步長為0.05mm；采用應力不大于172MPa做為約束條件，優化目標為應力最大且不超過172MPa。內管外徑優化分析結果如圖2所示。

圖2 內管外徑優化分析結果的界面

如果保證內管最終外徑為566mm，根據模型優化結果得出內管初始外徑約為566.5mm，保證縮徑為0.5mm。此時，內管應力及位移響應界面如圖3所示。由圖3可見，最大應力約為172MPa，在極限彈性范圍。

圖3 內管應力及位移響應界面

優化完成后，可求得內管外徑為566.5mm，縮徑0.5 mm（直徑）時，正好在極限強度且未超過，計算結果符合項目的設計。

3.4 外管分析

外管材質為X60管線鋼，最小屈服強度為415 MPa。復合模型采用 1/48模型（用 7.5°分析，目的是為了簡化模型以節省計算時間，同時也為小內存計算機提供分析求解可能）并以平面單元進行分析，如圖4所示。外管外徑分別采用611 mm，612 mm，613 mm，614 mm，615 mm和616mm尺寸逐一嘗試。

圖4 1/4內外管復合模型

外徑為611mm時外管應力及位移響應界面如圖5所示。還分別對外徑為612 mm，613 mm，614 mm，615 mm和616 mm的外管求得外管應力響應圖。外管不同外徑縮徑成型對比見表1。

圖5 外徑611mm時外管應力及位移響應界面

表1 外管不同外徑縮徑成型對比

3.5 管壁接觸應力

上述分析得出，若要內管達到復合條件，初始外徑為566.5 mm，最終外徑理論為566 mm（但內管最終外徑需根據外管內殘余位移得出）。

外管殘余外徑為610.16mm時，內、外管壁間接觸應力最大為1.59MPa；外管殘余外徑為610.2mm時，內、外管壁間接觸應力1.42MPa；根據相同方法，筆者求出了不同外徑外管不同縮頸率下，內、外管壁間接觸應力見表2。

表2 不同外徑外管不同縮頸率下內、外壁間接觸應力

由表2可以看出：①理論分析模型可以成功復合，且外管外徑為616 mm，縮頸率為0.95%時，復合后模型內外管壁間接觸應力最大，數值為2.28MPa。② 對比序號1和序號6中近乎相等的“殘余外徑”及不同的“管壁間接觸應力”數值可以得出，縮徑過程發生壁厚增加現象。

4 結 語

根據復合管復合模型有限元分析結果，可以得出：

（1）采用“縮徑法”理論可以成功復合雙金屬復合管。

（2）復合過程伴隨著鋼管壁厚增加，且縮頸率越大壁厚增加越大。

（3）理論分析可復合成功，實際生產能否通過該方法成功復合及復合后管壁間接觸應力是否滿足標準要求，還需結合實際。

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Finite Element Analysis for Comp lex M odel of Bimetallic Com posite Pipe

BIAN Cheng1，WANG Qiang1，LICuiyan2
（1.CNPC Bohai Equipment Research Institute Transmission Equipment Branch,Qingxian 062658,Hebei,China；2.CNPCBohai Equipment Julong Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China)

Using the idea of “necking method” to manufacture bimetallic composite pipe,builded composite pipe complex model by SolidWorks software and carried out finite element analysis by SolidWorks Simulation module.Through stress analysis of composite pipe inside and outside pipe and tube wall contact stress analysis,finally it is concluded that：using the“neckingmethod” theory can successfully compound bimetallic composite pipe;with steel pipe wall thickness increasing,the necking rate and the wall thickness increase.

welded pipe;bimetallic composite pipe； neckingmethod； finite elementanalysis

TG335

A

1001－3938（2015）11-0006-03

邊 城（1980—），男，山東泰安人， 碩士研究生， 工程師，長期從事焊管生產與研究工作。

2015-06-29

羅 剛