机械式复合管结合强度的检测与控制

魏 帆，张燕飞，郭 霖，郭崇晓，王小艳

(西安向阳航天材料股份有限公司，西安710075)

机械式复合管结合强度的检测与控制

魏 帆，张燕飞，郭 霖，郭崇晓，王小艳

(西安向阳航天材料股份有限公司，西安710075)

简要介绍了机械式复合管的结构、性能特点及目前用于评估机械结合式双金属复合管结合强度的检测方法。通过理论分析得出了复合管结合强度与结合界面法向刚度及复合管固有频率之间的关系，并通过试验进行了验证。试验结果表明：不同结合强度的复合管振动波形衰减程度、固有频率及界面法向刚度不同，即结合强度越高复合管的界面法向刚度和固有频率越大，阻尼比越小；可以通过控制复合药量来制备不同结合强度的复合管。

机械式复合管；结合强度；固有频率；阻尼比

1 机械式复合管简介

机械式复合管是由基管和衬管组成，基管主要承担管道系统的压力要求，保证整体管道的各项力学性能，降低成本；衬管主要承担管道系统的耐腐蚀要求，提高管道的耐腐蚀性能，延长管道的使用寿命。机械式复合管与冶金式复合管相比其优点是生产效率高，成本低，但由于机械式复合管是利用衬管与基管的相对变形使得衬管与基管进行的机械贴合，在衬管和基管之间未形成冶金结合界面，衬管和基管的结合主要靠基管对衬管的夹持力(也就是径向残余应力)来维持，因此在安装和生产中，机械式复合管容易出现衬管起皱和鼓包现象[1-3]。机械式复合管常见的衬管失效现象如图1所示，图1(a)是弯曲时衬管起皱现象，图1(b)是加热时衬管鼓包现象。

图1 机械式复合管衬管失效现象

通过试验和理论分析可知，机械式复合管结合强度越高，其最小弯曲半径越小，抗弯能力越强，因此，保证机械式复合管的结合强度是保证复合管内衬完整性的主要因素之一。

目前用于评估机械结合式双金属复合管结合强度的指标有轴向剪切分离强度和径向夹持力。轴向剪切分离强度是指在外载作用下使得基/衬管发生相对滑动时轴向界面剪应力的大小；径向夹持应力是指基/衬管复合后，作用在内衬管外表面的径向压缩残余应力。对双金属复合管这两个指标的检测，目前国内外均采用破坏性抽检的办法来实现。破坏性检测的手段主要有两种：①采用API 5LD给出的残余应力释放来测量径向夹持力；②各制造商普遍采用的轴向压缩或轴向拉伸法测量轴向剪切强度。这两种检测方法存在3个弊端：①属于破坏性检验，检验成本高；②检测方法繁琐，检测速度慢；③只能在管子两个端头取样，检测误差大，可信度低。本研究从机械式复合管的结构特征出发，提出了一种对复合管结合强度进行快捷有效检测的无损检测方法。

2 结合强度与复合管振动参数关系的理论分析

2.1 结合强度与结合界面法向刚度的关系

根据粗糙表面法向接触刚度分型模型，当假设接触表面是各向同性，并且粗糙表面各微凸体之间的相互作用可以忽略，则机械结合界面的无量纲法向刚度[4]可表示为

式中：k*n—无量纲机械结合面法向接触刚度；

Ar*—无量纲真实接触面积；

D—结合面的分形维数；

ac*—无量纲临界接触面积。当接触面发生弹塑性变形时，两圆柱体之间的法向载荷与接触面积之间的关系[5-6]为

式中：P*—无量纲法向力；

G*—无量纲分型粗糙度参数；

k—与材料硬度和屈服强度有关的系数；

φ—与材料弹性模量和屈服强度有关的系数；

g1，g2—分型维数D的函数。通过结合界面无量纲接触刚度和无量纲法向力的关系式可以看出，机械结合界面的刚度随着法向载荷的增大而增大。由于机械式复合管是通过水下爆燃技术使得基管/衬管发生弹塑性变形而达到机械贴合，因此，其结合强度与基管/衬管界面的径向残余压应力有关，即径向残余压应力越大复合管结合强度越高，而复合管的径向压应力可表示为

式中：P—复合管结合面上的法向力；

A—复合管真实的接触面积。

从上述分析结果可以看出，机械结合强度越高，结合界面法向载荷越大；而结合界面法向载荷越大，结合界面法向刚度也越大。因此，可以得出：结合强度越高，结合界面法向刚度越大。

2.2 结合面法向刚度与复合管固有频率的关系

由于机械式复合管基/衬界面比较复杂，所以采用无限自由度梁的振动模型很难从理论上分析基/衬结合界面对复合管动力特性的影响。为了降低分析难度，本研究将复合管两端简支的横向振动简化为两个自由度的振动模型，基/衬界面的刚度和阻尼分别用弹簧刚度和阻尼元件来模拟。

两自由度振动微分方程[7-10]

同理，将较大ω2对k2求导可得

式中：m1，m2—基管和衬管的质量；

k1，k2—基管和界面的刚度；

c—振动系统的阻尼；

x1,x2—基管和衬管的振幅；

ω—振动系统的固有频率。

由结合强度与结合界面法向刚度关系的分析结论和结合界面法向刚度与固有频率关系的分析结论，可以得出机械式复合管的固有频率随着结合强度的增大而变大的规律。

3 不同复合药量复合管的结合强度和振动测试

3.1 不同复合药量复合管的振动测试

取4根长度2m、规格为φ76mm×6mm的基管和3根长度2.2m、规格为φ60mm×2mm的衬管，将其中3根基管和衬管分别采用8g，10g和13g药量进行复合。复合后分别对采用不同药量的复合管和未复合的基管进行振动测试试验，测试方法如图2所示。

图2 机械式复合管振动测试示意图

首先用V形槽将机械复合管两端进行简支，其次在管子正中心顶部安装加速度传感器，然后通过动态采集仪(DDP)采集加速度传感器和力锤的信号，最后通过模态分析软件(MAS)进行数据分析。

机械式复合管振动测试结果如图3所示。从图3不同药量复合管及未复合基管(与复合管同壁厚)的时域波形图可以看出，复合药量越大，时域波形衰减越慢，即8g药量的复合管衰减最快，其次是10g，最后是13g和基管。通过MAS模态软件的数据分析结果可以得到复合管三阶固有频率和阻尼比，具体数据见表1。由表1可以看出，复合药量越大，复合管的固有频率越高，阻尼比越小。

图3 机械式复合管振动测试结果(时域波形)

表1 振动测试结果

3.2 不同复合药量复合管的结合强度测试

首先将不同药量复合的复合管沿轴向依次截成230mm的样管，按照图4制作轴向压缩法试样，并进行编号，然后通过轴向压缩法测得不同药量复合的复合管沿轴向不同位置的结合强度，结合强度沿轴向的大小分布如图5所示。

图4 不同药量复合管轴向压缩法试样

图5 不同药量复合管结合强度沿轴向的分布图

由图5可以看出：①沿轴向复合管结合强度存在差异，而且药量越小沿轴向的结合强度差异越大；②从不同药量复合管的平均结合强度来看，药量越大平均结合强度越高。

从振动测试试验和结合强度的轴向压缩法试验可以看出，结合强度越高则复合管的固有频率越高，阻尼比越低。

4 结 论

(1)通过对结合强度与界面刚度的关系及界面刚度与固有频率关系分析，得出结合强度越高界面刚度越大，界面刚度越大固有频率越高，这从理论上验证了依据固有频率的大小来评价复合管结合强度大小的可行性。

(2)通过对不同药量复合管进行的振动测试，得出复合药量不同振动的时域波形衰减程度也不一样，复合药量越大波形衰减越慢。

(3)通过对振动测试的数据进行频响分析，得出不同复合药量下的复合管所对应的固有频率与阻尼比，结果显示，复合药量越大则固有频率越高，阻尼比越小。

(4)通过采用轴向压缩法对不同药量的复合管进行结合强度测试，得出结合强度随着复合药量的增加而增大，并且机械式复合管沿轴向结合强度分布不均匀。

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Inspection and Control of Bonding Strength for Mechanical Composite Pipe

WEI Fan,ZHANG Yanfei,GUO Lin,GUO Chongxiao,WANG Xiaoyan
(Xi’an Sunward Aerospace Material Co.,Ltd.,Xi’an 710075,China)

In this article,it briefly introduced the structure,performance feature of mechanical composite pipe and inspection method used for mechanical bond bimetal composite pipe assessment.The relation among bonding strength,normal stiffness of bonding interface and natural frequency of composite pipe was obtained through theoretical analysis,and the relation was verified through test.The results showed that the vibration wave attenuation degree,natural frequency and interface normal stiffness are different for composite pipe with different bonding strength,that is to say,the higher bonding strength,the larger normal stiffness and natural frequency,the smaller damping ration.Test results also showed that it can prepare composite pipes with different strength by controlling composite dosage.

mechanical composite pipe;bonding strength;natural frequency;damping ratio

TG335.85

B

1001-3938(2015)02-0032-05

魏帆(1982—)，工程师，毕业于大连理工大学工程力学系，现从事双金属复合管研究工作。

2014-11-05

谢淑霞