楊勤祥

（上海海隆復(fù)合鋼管制造有限公司，上海200949）

1 國內(nèi)復(fù)合鋼管緊密度指標現(xiàn)狀

雙金屬復(fù)合管是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型管材。它不僅可以減少稀有金屬的使用量、降低工程造價、提高管材的安全性和使用壽命，而且能夠替代碳鋼+緩釋劑和純不銹鋼管而有效解決高含量的CO2、H2S和Cl-輸送介質(zhì)的腐蝕問題，因此在石油產(chǎn)品輸送、煉化行業(yè)逐漸得到推廣且應(yīng)用日趨廣泛。L245N+316L內(nèi)襯復(fù)合鋼管原材料采購容易，價格較低，被各大油氣田廣泛認可和采用。

“緊密度”是表述復(fù)合鋼管層間環(huán)向殘余應(yīng)力與鋼鐵本身交互屬性的術(shù)語，是衡量內(nèi)襯復(fù)合鋼管產(chǎn)品質(zhì)量的一項重要指標，在不同標準或設(shè)計文件中被描述成“握緊力”“結(jié)合強度”或“接觸應(yīng)力”等，其衡量指標在各種標準和項目技術(shù)規(guī)格書中描述也不完全統(tǒng)一。中國石油天然氣集團有限公司（簡稱中石油）、中國石油化工集團有限公司（簡稱中石化）和中國海洋石油集團有限公司（簡稱中海油）近年來幾個典型項目的緊密度要求見表1～3。

表1 中石油典型項目緊密度指標要求

一般來說，復(fù)合管的緊密度越高，結(jié)合力越大，產(chǎn)品的性能越好。但是，有些項目規(guī)格書要求的指標超高，供貨商根本無法達到，在交貨驗收時會發(fā)生復(fù)驗不合格的情況。為了得到內(nèi)襯復(fù)合鋼管緊密度比較接近真實的衡量數(shù)據(jù)，筆者依據(jù)目前國內(nèi)外內(nèi)襯復(fù)合鋼管行業(yè)中較為普遍的水壓復(fù)合工藝［1-7］，參考國內(nèi)外相關(guān)文獻資料的理論判據(jù)及計算公式，對實際生產(chǎn)中應(yīng)用比較多的L245+316L復(fù)合管的緊密度值進行理論計算和分析。

表2 中石化典型項目緊密度指標

表3 中海油典型項目緊密度要求

2 水壓復(fù)合工藝材料匹配與緊密度的關(guān)系

2.1 選擇水壓復(fù)合工藝分析的意義

現(xiàn)有的內(nèi)襯雙金屬復(fù)合管成形工藝一般包括液壓復(fù)合法、機械旋壓法、機械拉拔法、滾壓法等。水壓復(fù)合法由于工藝簡單、質(zhì)量穩(wěn)定，是較有前景也是目前主流的生產(chǎn)方式。文獻［8-11］表明，雙金屬復(fù)合管拉拔成形和旋壓復(fù)合是非常復(fù)雜的彈塑性變形過程，既有物理非線性，又有幾何非線性，邊界條件很復(fù)雜，嚴格的理論分析十分困難。而且，機械拉拔法在拉拔過程中摩擦阻力大、能耗高，對內(nèi)、外層管質(zhì)量要求較高，成品率較低；機械旋壓法適用范圍比較有限，加工小直徑管困難，而且拉拔和旋壓都需要內(nèi)模具與襯管表面接觸，會產(chǎn)生襯管表面的加工硬化和鈍化膜的破壞。液脹成形雙金屬復(fù)合管是通過高壓水使基管和內(nèi)襯管發(fā)生彈性變形，降壓后基管的彈性回彈量大于襯管的塑性回彈量，基管和襯管之間存在殘余接觸壓力，基管進而緊緊抱緊襯管，形成雙金屬復(fù)合管。

液脹成形工藝的脹合力均勻，大小容易控制，產(chǎn)品防腐性能優(yōu)良，成本較低，管體質(zhì)量好，因此得到了廣泛的應(yīng)用和認可，發(fā)展迅速。而其他成形方式，由于各自的缺點，在實際應(yīng)用中效果不佳，產(chǎn)品逐步被液脹成形雙金屬復(fù)合管取代。因此可以說液脹成形雙金屬復(fù)合管是未來的發(fā)展趨勢［12］。

管材液壓脹形技術(shù)在國外發(fā)展很快，德國、美國和日本是其中幾個發(fā)展較快的國家。目前，國外幾個比較著名的復(fù)合鋼管公司如澳大利亞的Proclad公司，英國的Cladtek公司，德國的Butting公司等都是采用液壓復(fù)合方式。國內(nèi)復(fù)合鋼管制造廠家上海海隆復(fù)合鋼管制造有限公司、浙江久立特材科技股份有限公司和西安向陽航天材料股份有限公司也大多采用水壓復(fù)合制造雙金屬內(nèi)襯復(fù)合管。

綜上所述，以水壓復(fù)合工藝為基礎(chǔ)，研究內(nèi)襯復(fù)合管的緊密度對于行業(yè)有一定的代表意義。

2.2 根據(jù)理論判據(jù)分析材料匹配對緊密度的影響

無論是水壓復(fù)合，還是拉拔和旋壓復(fù)合，其中基管和襯管材料的彈性模量、力學性能、復(fù)合間隙、幾何尺寸、表面缺陷、復(fù)合壓力等都是影響緊密度的主要因素。

對于水壓復(fù)合管內(nèi)、外層管材料能否脹合的材料匹配判據(jù)，國內(nèi)外有很多的文獻［1-7］，有通過建立試驗?zāi)Ｐ筒捎糜邢拊治龇椒ǖ?，有通過復(fù)合理論進行公式推導計算并通過試驗進行驗證的。一般認為材料力學性能與彈性模量的正確選配是復(fù)合鋼管能否脹合的前提條件?；纠碚撌窃诨芎鸵r管彈性模量基本相等的條件下基管的屈服強度必須大于襯管的強化或當量屈服強度，復(fù)合管才能產(chǎn)生結(jié)合力。用公式描述就是Ei/Eo∧Rp襯/Rt基，其中Ei為襯管的彈性模量，Eo為基管的彈性模量，Rp襯為襯管的屈服強度，Rt基為基管的屈服強度。

王學生在文獻［13-15］的研究基礎(chǔ)上以內(nèi)、外層管剛好接觸而未產(chǎn)生接觸壓力時的應(yīng)力為當量屈服強度，并假定外層管始終保持在彈性范圍內(nèi)，導出了滿足內(nèi)外層管脹合條件的判別依據(jù)［16］，并進一步推導出了液脹管成形壓力與殘余接觸壓力之間的理論解析式，并利用有限元分析和試驗相結(jié)合進行分析和驗證，得到比較好的計算結(jié)果。

利用有限元分析、理論推導并結(jié)合實際生產(chǎn)工藝在考慮襯管脹合過程中基襯管消除間隙后的應(yīng)變強化，考慮一般內(nèi)外層管間隙尺寸選擇均在應(yīng)變2%～3%，故而Rp襯的下限值取內(nèi)管材料應(yīng)力應(yīng)變曲線上應(yīng)變2%時的值（Rp2襯），得到的結(jié)論是Ei/Eo∧Rp2襯/Rt基。這就是內(nèi)外層管材料能否匹配的粗略判據(jù)，兩者相差越大越易脹合。當Ei≈Eo，復(fù)合管能否脹合的內(nèi)外層管材料的匹配判據(jù)至少要滿足下列條件Rt基∧Rp2襯，這是目前得到的最新研究結(jié)論。

根據(jù)以上公式，對L245+316L兩種具有代表性規(guī)格Φ114.3 mm和Φ168.3 mm復(fù)合管進行分析計算，其實際力學性能參數(shù)見表4。

表4 L245+316L復(fù)合管內(nèi)外層管材料的力學性能參數(shù)和脹合判斷

2.3 利用接觸應(yīng)力法計算結(jié)合力結(jié)果

將計算的復(fù)合壓力值帶入公式（4），計算出Φ114.3 mm×（8+2）mm和Φ168.3 mm×（8+2.5）mm兩種規(guī)格的殘余接觸應(yīng)力Pc*分別為-2.01 MPa、0.821 MPa（沒有考慮摩擦因數(shù)的影響）?？梢?，由于復(fù)合后襯管的強化屈服強度391 MPa遠大于基管的屈服強度，Φ114.3 mm×（8+2）mm規(guī)格不符合產(chǎn)生結(jié)合力的判據(jù)條件，計算的殘余接觸應(yīng)力是負值，所以這個值是失真的，不予考慮。

假設(shè)摩擦因數(shù)為0.15（鋼與鋼之間的摩擦力），結(jié)合力P按0.15Pc*計，推導計算Φ168.3 mm×（8+2.5）mm的結(jié)合力為0.15 MPa，利用GB/T 37701—2019《石油天然氣工業(yè)用內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合鋼管》推薦的推出力F公式（F=3.14PDiH）反推得到推出力F為14.3 kN。Ht為基管和襯管結(jié)合部分的長度。

2.4 試驗驗證

三種典型規(guī)格的推出法試驗結(jié)合力數(shù)據(jù)見表5，根據(jù)GB/T 37701—2019規(guī)定的方法截取長度為200 mm試樣做推出法試驗，其中最大推出力F為實測值，結(jié)合力P為根據(jù)標準中提供的計算公式（沒有考慮摩擦力）計算得到的數(shù)據(jù)。

表5 典型規(guī)格復(fù)合管推出法試驗結(jié)合力數(shù)據(jù)

由此可見，無論是計算結(jié)果還是試驗結(jié)果，對于L245+316L材質(zhì)的兩種規(guī)格雖然顯示有微量的結(jié)合力和推出力，但與表1要求的30 kN和50 kN相差甚遠；而X65+316L的推出力明顯高于50 kN。這也說明不同鋼級基管材料與同一襯管材料匹配產(chǎn)生的結(jié)合力不同。L245+316L理論推算上沒有結(jié)合力，而實際結(jié)果會有結(jié)合力，筆者認為出現(xiàn)上述理論和試驗差異的最主要原因是實際工業(yè)生產(chǎn)管材的幾何形狀并非理想圓筒體。實際管材不可避免地存在不圓度、彎曲度、表面不平度或非均勻壁厚，襯管在完全屈服后總有一部分要與基管接觸，但不能達到緊密接觸，也可以說一種假脹合現(xiàn)象。

材料組合20+LC2205，采用API Spec 5LD—2015《內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合鋼管》規(guī)定的應(yīng)變片法實測接觸應(yīng)力，得出的接觸應(yīng)力σy數(shù)據(jù)見表6。從表6中看出，X80+LC2205實測應(yīng)力值遠高于20+LC2205。由此可見，提高基管鋼級，增加基管與襯管的屈服強度比值，可以提高內(nèi)襯鋼管緊密度值。

表6 典型規(guī)格復(fù)合管應(yīng)變法接觸應(yīng)力σy數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

（1）在設(shè)計內(nèi)襯復(fù)合鋼管時，如果基管設(shè)計單純考慮強度，基管材料的屈服強度低于襯管的屈服強度時，則緊密度指標應(yīng)相對降低；基管鋼級在滿足強度設(shè)計的前提下，若需要較高的緊密度，則需要滿足基管的屈服強度大于襯管的強化屈服強度才能產(chǎn)生結(jié)合力這一條件。

（2）對于內(nèi)襯材料為不銹鋼316L或鎳基合金N08825，如果復(fù)合管要求有較高的緊密度，則需要求基管的鋼級在L360以上。

（3）對于內(nèi)襯LC2205復(fù)合管，建議基管的鋼級選用L485（X70）以上，其基管實際屈服強度才能大于襯管的強化屈服強度，否則不會有結(jié)合力。

（4）雖然采用非水壓復(fù)合工藝有可能在基襯管材料“低配高”的情況下有較高的緊密度，但是對于產(chǎn)品的整體質(zhì)量，水壓復(fù)合工藝明顯具有較大的優(yōu)勢。