CN106053339B - 一种机械式复合管结合强度的估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械式复合管结合强度的估算方法，首先根据复合管工艺参数确定复合管成型过程中基管和衬管的最大变形量；根据基管和衬管的最大变形量加工外模具；采用盲板对待测管进行密封并装配测试系统；测试衬管和基管的回弹量；计算基/衬界面结合强度。本发明机械式复合管结合强度的估算方法，能够通过控制基管和衬管的变形量来制作不同结合强度的复合管，通过该方法可以根据客户对复合管结合强度的要求来选择基管和衬管的材质和复合工艺参数。

Description

一种机械式复合管结合强度的估算方法

技术领域

本发明属于加工成型方法，具体涉及一种机械式复合管结合强度的估算方法。

背景技术

目前随着油气田对管道腐蚀失效导致的管道泄漏工程问题的重视，越来越多的复合管被用于油气田的开采和输送上，由于机械式复合管制作工艺简单，且成本较低，因此机械式复合管被大量使用。但机械式复合管与冶金式复合管的最大区别在于机械式复合管界面结合强度较低，在使用过程中容易出现内衬失稳现象。由于机械式复合管内衬失稳的临界条件与机械式复合管的结合强度关系很大，因此如何生产的机械式复合管结合强度是否达标是复合管复合质量好坏的关键。

目前对于机械式复合管结合强度的评价主要通过轴向压缩法和环向粘结力法来确定，但是这两种方法均有其自身的缺点，轴向压缩法它是将机械式复合管加工成如图1所示的试验件，然后在压缩试验机上进行轴向压缩试验，最后测得使基/衬开始滑动的最大压力F_max，而机械式复合管结合强度F_max为基/衬发生相对滑动的最大压力；A为基/衬接触面积；μ为基/衬之间的摩擦系数。环向粘结力法它是将机械式复合管加工成长度为100mm的圆环，然后按照图2所示的方式在衬管内壁上贴纵向应变片和环向应变片，最后将基管沿纵向切开，通过测试基管被切开前后内衬上的环向应变ε_θ1、ε_θ2、ε_θ3和纵向ε_z1、ε_z2、ε_z3，则基/衬界面的环向粘结力其中：E_i是衬管的弹性模型；μ_i为衬管的泊松比。粘结力测试试验时通过粘结力的大小来衡量机械式复合管的结合强度的，即粘结力越大则结合强度越大。但无论是采用剪切分离强度还是粘结力来衡量复合管结合强度都存在以下缺点：一是测试误差较大，一方面加工试验件对导致残余应力释放使得测量结果小于实际结果；另一方面在计算剪切分离强度时人为认为基/衬之间的摩擦系数是一个常数，而实际摩擦系数不是一个常数，它与界面的结合强度成非线性关系。二是这两种方法只是对生产的复合管结合强度的测试，并不能根据工艺参数估算复合后的复合管结合强度或通过结合强度来指导复合工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械式复合管结合强度的估算方法，通过建立复合过程中基/衬变形量与结合强度之间的关系来估算不同复合工艺参数下复合管的结合强度。

本发明所采用的技术方案是，一种机械式复合管结合强度的估算方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，首先根据复合管工艺参数确定复合管成型过程中基管和衬管的最大变形量；

步骤2，根据基管和衬管的最大变形量加工外模具；

步骤3，采用盲板对待测管进行密封并装配测试系统；

步骤4，测试衬管和基管的回弹量；

步骤5，计算基/衬界面结合强度。

本发明的特点还在于，

步骤2中外模具采用高强度钢材料加工，基管外模具内腔的直径：

d_基管模具＝d_基管+d_基管ε_{基管最大变形}；

衬管外模具的内腔直径：

d_衬管模具＝d_衬管+d_衬管ε_{衬管最大变形}；

其中：d_基管和d_衬管分别为基管和衬管的原始直径；ε_{基管最大变形}和ε_{衬管最大变形}分别为基管和衬管复合过程中的最大变形量；

在外模具0度和90度方向分别加工两个直径为50mm的圆孔。

步骤3中待测管的密封：首先确定注水嘴和排水嘴在盲板上的位置：注水嘴在管子盲板的中心位置，排水嘴在距盲板外沿15mm的位置；

采用石笔在盲板中心位置和距盲板外沿15mm处标注两个Φ24的圆孔，然后根据标注的圆孔进行打孔，打孔后将注水嘴和排水嘴分别与盲板采用插焊方式进行焊接，焊接完采用射线探伤对焊缝进行检测，保证焊缝的焊接质量，最后再将焊好的盲板与管子进行管板焊接，焊接后对焊缝进行射线检测。

步骤3中测试系统的装配：首先将两端带盲板的待测管装配到外模具中，装配时保证0度孔在管子的正上方，90度孔在管子的水平方向；分别在0度孔的位置安装压力传感器，压力传感器的底座焊接在外模具上，压力传感器的探头与外模具的内腔平齐；在90度的孔中贴上环向应变片，将压力传感器、环向应变片分别与静态采集仪的1号和2号采集通道进行连接，连接后将1号和2号通道的信号采集类型分别设置为电压和应变，应变采集方式选择为半桥采集，设置完采集参数后对通道进行清零和平衡操作，完成了测试系统的调试。

步骤4，衬管和基管回弹量的测试过程如下：

调试完测试系统后通过水泵往衬管内注水打压使得衬管开始变形，开始时升压速度控制在500με/min当采集的应变曲线接近预期的最大变形量时，升压速度降为50με/min，当压力传感器的压力从零变为正值时停止加载，记录该时刻的应变值，再进行泄压排水后测试该时刻的应变值，得到衬管实测最大变形量(ε_衬max)和泄压排水后衬管的残余变形量(ε_衬卸)，则衬管在预期最大变形量下的回弹量为ε_衬回弹量＝ε_衬max-ε_衬卸；

同理得到基管在预期最大变形量下的回弹量为ε_基回弹量＝ε_基max-ε_基卸。

步骤5中基/衬界面结合强度的计算：

由于机械式复合管复合后界面状态为衬管外壁受径向残余接触压力，基管内壁受大小相等方向相反的径向残余接触压力，根据圆筒受外压作用的相关理论得衬管外壁应力为：

基管内壁应力为：

通过广义胡克定律得：

衬管外壁环向应变

基管内壁环向应变

其中机械式复合管界面的径向残余接触压力；k为衬管的外内径之比；K为基管的外内径之比；E_i、E₀分别为衬管和基管的弹性模量；μ_i、μ₀分别为衬管和基管的泊松比；

根据衬管外壁和基管内壁的变形协调条件则得到机械式复合管界面的径向残余接触压力：

对于机械式复合管的结合强度是通过径向残余接触压力来衡量的，因此残余接触压力就是复合管界面的结合强度。

本发明的有益效果是，本发明机械式复合管结合强度的估算方法，通过测试不同材质基管和衬管在预期的变形量下的回弹量来估算复合后机械式复合管的界面结合强度，该方法能够通过控制基管和衬管的变形量来制作不同结合强度的复合管，通过该方法可以根据客户对复合管结合强度的要求来选择基管和衬管的材质和复合工艺参数。目前已经通过复合后复合管的轴向压缩法和粘结力测试法验证了该方法用于估算复合管结合强度的有效性和准确性。

附图说明

图1是轴向压缩法试验件；

图2是粘结力试验件；

图3是本发明方法中回弹量测试系统装配图。

图中，1.注水嘴，2.盲板，3.待测管，4.外模具，5.压力传感器，6.传感器底座，7.环向应变片，8.静态采集仪，9.排水嘴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明机械式复合管结合强度的估算方法，具体按照以下步骤实施：

(1)确定基管和衬管的最大变形量：

首先根据复合管的规格参考复合工艺参数确定复合管复合过程中基管和衬管的最大变形量；

(2)加工外模具

外模具采用高强度钢材料加工，基管外模具内腔的直径：

d_基管模具＝d_基管+d_基管ε_{基管最大变形}；

衬管外模具的内腔直径：

d_衬管模具＝d_衬管+d_衬管ε_{衬管最大变形}，

其中：d_基管和d_衬管分别为基管和衬管的原始直径；ε_{基管最大变形}和ε_{衬管最大变形}分别为基管和衬管复合过程中的最大变形量；

在外模具0度和90度方向分别加工两个直径为50mm的圆孔；

(3)采用盲板对待测管进行密封

如图3所示，确定注水嘴1和排水嘴9在盲板2上的位置：注水嘴1在盲板2的中心位置，排水嘴9在距盲板2外沿15mm的位置；

采用石笔在盲板2中心位置和距盲板2外沿15mm处标注两个Φ24的圆孔，然后根据标注的圆孔进行打孔，打孔后将注水嘴1和排水嘴9分别与盲板2采用插焊方式进行焊接，焊接完采用射线探伤对焊缝进行检测，保证焊缝的焊接质量，最后再将焊好的盲板2与待测管3进行管板焊接，焊接后对焊缝进行射线检测，保证焊缝质量。

(4)测试系统的装配

如图3所示，首先将两端带盲板2的待测管3装配到外模具4中，装配时保证0度孔在管子的正上方，90度孔在管子的水平方向；分别在0度孔的位置安装压力传感器5，传感器底座6焊接在外模具4上，压力传感器5的探头与外模具4的内腔平齐；在90度的孔中贴上环向应变片7，将压力传感器5、环向应变片7分别与静态采集仪8的1号和2号采集通道进行连接，连接后将1号和2号通道的信号采集类型分别设置为电压和应变，应变采集方式选择为半桥采集，设置完采集参数后对通道进行清零和平衡操作，完成了测试系统的调试。

(5)测试衬管和基管的回弹量

调试完测试系统后通过水泵往衬管内注水打压使得衬管开始变形，开始时升压速度控制在500με/min当采集的应变曲线接近预期的最大变形量时，升压速度降为50με/min左右，当压力传感器的压力从零变为正值时停止加载，记录该时刻的应变值，再进行泄压排水后测试该时刻的应变值。这样就可以得到衬管实测最大变形量(ε_衬max)和泄压排水后衬管的残余变形量(ε_衬卸)，则衬管在预期最大变形量下的回弹量为：

ε_衬回弹量＝ε_衬max-ε_衬卸；

同理也可以得到基管在预期最大变形量下的回弹量为：

ε_基回弹量＝ε_基max-ε_基卸；

(6)基/衬界面结合强度的计算

由于机械式复合管复合后界面状态为衬管外壁受径向残余接触压力，基管内壁受大小相等方向相反的径向残余接触压力，根据圆筒受外压作用的相关理论可得衬管外壁应力为：

基管内壁应力为：

通过广义胡克定律可得：

衬管外壁环向应变：

基管内壁环向应变：

其中为机械式复合管界面的径向残余接触压力；k为衬管的外内径之比；K为基管的外内径之比；E_i、E_o分别为衬管和基管的弹性模量；μ_i、μ_o分别为衬管和基管的泊松比。

根据衬管外壁和基管内壁的变形协调条件则可得到机械式复合管界面的径向残余接触压力：

对于机械式复合管的结合强度是通过径向残余接触压力来衡量的，因此残余接触压力就是复合管界面的结合强度。

通过本发明方法估算基/衬界面的结合强度与以往的方法相比最大的不同在于：不用考虑复合管的成型方式，只需知道基管和衬管在复合过程中的最大变形量与回弹量之间的关系便可以简单的求出复合后界面的结合强度。以往界面结合强度的估算方法都是与复合管的成型方式有关的，成型方式不同所采用的计算方法不同，尤其对于像爆炸、旋压这种成型工艺复杂的复合方式计算复合后的基/衬残余接触压力难度很大，而本方法是通过测试基管和衬管在预期的变形下的回弹量来计算基/衬之间的残余接触压力的。由于本发明方法是直接测试基管和衬管的回弹量，因此就不用考虑成型方式的影响，这样就大大降低了机械式复合管界面结合强度的计算。

本发明方法与轴向压缩法得到的结合强度对比结果如表1所示。

表1本发明方法与轴向压缩法得到的结合强度对比结果

从轴向压缩法实测的结合强度与本发明方法估算的结合强度对比可以看出实测的要略小于估算值，因为在制作轴向压缩法试验件时基/衬界面的一部分残余应力发生了释放使得实测的结合强度略小于估算的。

Claims (2)

1.一种机械式复合管结合强度的估算方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，首先根据复合管工艺参数确定复合管成型过程中基管和衬管的最大变形量；

步骤2，根据基管和衬管的最大变形量加工外模具；

步骤3，采用盲板对待测管进行密封并装配测试系统，其中，待测管的密封：首先确定注水嘴和排水嘴在盲板上的位置：注水嘴在管子盲板的中心位置，排水嘴在距盲板外沿15mm的位置；

采用石笔在盲板中心位置和距盲板外沿15mm处标注两个Φ24的圆孔，然后根据标注的圆孔进行打孔，打孔后将注水嘴和排水嘴分别与盲板采用插焊方式进行焊接，焊接完采用射线探伤对焊缝进行检测，保证焊缝的焊接质量，最后再将焊好的盲板与管子进行管板焊接，焊接后对焊缝进行射线检测；

测试系统的装配：首先将两端带盲板的待测管装配到外模具中，装配时保证0度孔在管子的正上方，90度孔在管子的水平方向；分别在0度孔的位置安装压力传感器，压力传感器的底座焊接在外模具上，压力传感器的探头与外模具的内腔平齐；在90度的孔中贴上环向应变片，将压力传感器、环向应变片分别与静态采集仪的1号和2号采集通道进行连接，连接后将1号和2号通道的信号采集类型分别设置为电压和应变，应变采集方式选择为半桥采集，设置完采集参数后对通道进行清零和平衡操作，完成了测试系统的调试；

步骤4，测试衬管和基管的回弹量，具体过程如下：

调试完测试系统后通过水泵往衬管内注水打压使得衬管开始变形，开始时升压速度控制在500με/min当采集的应变曲线接近预期的最大变形量时，升压速度降为50με/min，当压力传感器的压力从零变为正值时停止加载，记录该时刻的应变值，再进行泄压排水后测试该时刻的应变值，得到衬管实测最大变形量ε_衬max和泄压排水后衬管的残余变形量ε_衬卸，则衬管在预期最大变形量下的回弹量为ε_衬回弹量＝ε_衬max-ε_衬卸；

同理得到基管在预期最大变形量下的回弹量为ε_基回弹量＝ε_基max-ε_基卸；

步骤5，计算基/衬界面结合强度，具体如下：

由于机械式复合管复合后界面状态为衬管外壁受径向残余接触压力，基管内壁受大小相等方向相反的径向残余接触压力，根据圆筒受外压作用的相关理论得衬管外壁应力为：

基管内壁应力为：

通过广义胡克定律得：

衬管外壁环向应变

基管内壁环向应变

其中机械式复合管界面的径向残余接触压力；k为衬管的外内径之比；K为基管的外内径之比；E_i、E₀分别为衬管和基管的弹性模量；μ_i、μ₀分别为衬管和基管的泊松比；

根据衬管外壁和基管内壁的变形协调条件则得到机械式复合管界面的径向残余接触压力：

对于机械式复合管的结合强度是通过径向残余接触压力来衡量的，因此残余接触压力就是复合管界面的结合强度。

2.根据权利要求1所述的机械式复合管结合强度的估算方法，其特征在于，步骤2中外模具采用高强度钢材料加工，基管外模具内腔的直径：

d_基管模具＝d_基管+d_基管ε_{基管最大变形}；

衬管外模具的内腔直径：

d_衬管模具＝d_衬管+d_衬管ε_{衬管最大变形}，

其中：d_基管和d_衬管分别为基管和衬管的原始直径；ε_{基管最大变形}和ε_{衬管最大变形}分别为基管和衬管复合过程中的最大变形量；

在外模具0度和90度方向分别加工两个直径为50mm的圆孔。