機(jī)械式復(fù)合管結(jié)合強(qiáng)度的檢測(cè)與控制

魏 帆，張燕飛，郭 霖，郭崇曉，王小艷

(西安向陽(yáng)航天材料股份有限公司，西安710075)

機(jī)械式復(fù)合管結(jié)合強(qiáng)度的檢測(cè)與控制

魏 帆，張燕飛，郭 霖，郭崇曉，王小艷

(西安向陽(yáng)航天材料股份有限公司，西安710075)

簡(jiǎn)要介紹了機(jī)械式復(fù)合管的結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)及目前用于評(píng)估機(jī)械結(jié)合式雙金屬?gòu)?fù)合管結(jié)合強(qiáng)度的檢測(cè)方法。通過(guò)理論分析得出了復(fù)合管結(jié)合強(qiáng)度與結(jié)合界面法向剛度及復(fù)合管固有頻率之間的關(guān)系，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同結(jié)合強(qiáng)度的復(fù)合管振動(dòng)波形衰減程度、固有頻率及界面法向剛度不同，即結(jié)合強(qiáng)度越高復(fù)合管的界面法向剛度和固有頻率越大，阻尼比越??；可以通過(guò)控制復(fù)合藥量來(lái)制備不同結(jié)合強(qiáng)度的復(fù)合管。

機(jī)械式復(fù)合管；結(jié)合強(qiáng)度；固有頻率；阻尼比

1 機(jī)械式復(fù)合管簡(jiǎn)介

機(jī)械式復(fù)合管是由基管和襯管組成，基管主要承擔(dān)管道系統(tǒng)的壓力要求，保證整體管道的各項(xiàng)力學(xué)性能，降低成本；襯管主要承擔(dān)管道系統(tǒng)的耐腐蝕要求，提高管道的耐腐蝕性能，延長(zhǎng)管道的使用壽命。機(jī)械式復(fù)合管與冶金式復(fù)合管相比其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，成本低，但由于機(jī)械式復(fù)合管是利用襯管與基管的相對(duì)變形使得襯管與基管進(jìn)行的機(jī)械貼合，在襯管和基管之間未形成冶金結(jié)合界面，襯管和基管的結(jié)合主要靠基管對(duì)襯管的夾持力(也就是徑向殘余應(yīng)力)來(lái)維持，因此在安裝和生產(chǎn)中，機(jī)械式復(fù)合管容易出現(xiàn)襯管起皺和鼓包現(xiàn)象[1-3]。機(jī)械式復(fù)合管常見(jiàn)的襯管失效現(xiàn)象如圖1所示，圖1(a)是彎曲時(shí)襯管起皺現(xiàn)象，圖1(b)是加熱時(shí)襯管鼓包現(xiàn)象。

圖1 機(jī)械式復(fù)合管襯管失效現(xiàn)象

通過(guò)試驗(yàn)和理論分析可知，機(jī)械式復(fù)合管結(jié)合強(qiáng)度越高，其最小彎曲半徑越小，抗彎能力越強(qiáng)，因此，保證機(jī)械式復(fù)合管的結(jié)合強(qiáng)度是保證復(fù)合管內(nèi)襯完整性的主要因素之一。

目前用于評(píng)估機(jī)械結(jié)合式雙金屬?gòu)?fù)合管結(jié)合強(qiáng)度的指標(biāo)有軸向剪切分離強(qiáng)度和徑向夾持力。軸向剪切分離強(qiáng)度是指在外載作用下使得基/襯管發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)軸向界面剪應(yīng)力的大??；徑向夾持應(yīng)力是指基/襯管復(fù)合后，作用在內(nèi)襯管外表面的徑向壓縮殘余應(yīng)力。對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管這兩個(gè)指標(biāo)的檢測(cè)，目前國(guó)內(nèi)外均采用破壞性抽檢的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。破壞性檢測(cè)的手段主要有兩種：①采用API 5LD給出的殘余應(yīng)力釋放來(lái)測(cè)量徑向夾持力；②各制造商普遍采用的軸向壓縮或軸向拉伸法測(cè)量軸向剪切強(qiáng)度。這兩種檢測(cè)方法存在3個(gè)弊端：①屬于破壞性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)成本高；②檢測(cè)方法繁瑣，檢測(cè)速度慢；③只能在管子兩個(gè)端頭取樣，檢測(cè)誤差大，可信度低。本研究從機(jī)械式復(fù)合管的結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，提出了一種對(duì)復(fù)合管結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行快捷有效檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)方法。

2 結(jié)合強(qiáng)度與復(fù)合管振動(dòng)參數(shù)關(guān)系的理論分析

2.1 結(jié)合強(qiáng)度與結(jié)合界面法向剛度的關(guān)系

根據(jù)粗糙表面法向接觸剛度分型模型，當(dāng)假設(shè)接觸表面是各向同性，并且粗糙表面各微凸體之間的相互作用可以忽略，則機(jī)械結(jié)合界面的無(wú)量綱法向剛度[4]可表示為

式中：k*n—無(wú)量綱機(jī)械結(jié)合面法向接觸剛度；

Ar*—無(wú)量綱真實(shí)接觸面積；

D—結(jié)合面的分形維數(shù)；

ac*—無(wú)量綱臨界接觸面積。當(dāng)接觸面發(fā)生彈塑性變形時(shí)，兩圓柱體之間的法向載荷與接觸面積之間的關(guān)系[5-6]為

式中：P*—無(wú)量綱法向力；

G*—無(wú)量綱分型粗糙度參數(shù)；

k—與材料硬度和屈服強(qiáng)度有關(guān)的系數(shù)；

φ—與材料彈性模量和屈服強(qiáng)度有關(guān)的系數(shù)；

g1，g2—分型維數(shù)D的函數(shù)。通過(guò)結(jié)合界面無(wú)量綱接觸剛度和無(wú)量綱法向力的關(guān)系式可以看出，機(jī)械結(jié)合界面的剛度隨著法向載荷的增大而增大。由于機(jī)械式復(fù)合管是通過(guò)水下爆燃技術(shù)使得基管/襯管發(fā)生彈塑性變形而達(dá)到機(jī)械貼合，因此，其結(jié)合強(qiáng)度與基管/襯管界面的徑向殘余壓應(yīng)力有關(guān)，即徑向殘余壓應(yīng)力越大復(fù)合管結(jié)合強(qiáng)度越高，而復(fù)合管的徑向壓應(yīng)力可表示為

式中：P—復(fù)合管結(jié)合面上的法向力；

A—復(fù)合管真實(shí)的接觸面積。

從上述分析結(jié)果可以看出，機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度越高，結(jié)合界面法向載荷越大；而結(jié)合界面法向載荷越大，結(jié)合界面法向剛度也越大。因此，可以得出：結(jié)合強(qiáng)度越高，結(jié)合界面法向剛度越大。

2.2 結(jié)合面法向剛度與復(fù)合管固有頻率的關(guān)系

由于機(jī)械式復(fù)合管基/襯界面比較復(fù)雜，所以采用無(wú)限自由度梁的振動(dòng)模型很難從理論上分析基/襯結(jié)合界面對(duì)復(fù)合管動(dòng)力特性的影響。為了降低分析難度，本研究將復(fù)合管兩端簡(jiǎn)支的橫向振動(dòng)簡(jiǎn)化為兩個(gè)自由度的振動(dòng)模型，基/襯界面的剛度和阻尼分別用彈簧剛度和阻尼元件來(lái)模擬。

兩自由度振動(dòng)微分方程[7-10]

同理，將較大ω2對(duì)k2求導(dǎo)可得

式中：m1，m2—基管和襯管的質(zhì)量；

k1，k2—基管和界面的剛度；

c—振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼；

x1,x2—基管和襯管的振幅；

ω—振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率。

由結(jié)合強(qiáng)度與結(jié)合界面法向剛度關(guān)系的分析結(jié)論和結(jié)合界面法向剛度與固有頻率關(guān)系的分析結(jié)論，可以得出機(jī)械式復(fù)合管的固有頻率隨著結(jié)合強(qiáng)度的增大而變大的規(guī)律。

3 不同復(fù)合藥量復(fù)合管的結(jié)合強(qiáng)度和振動(dòng)測(cè)試

3.1 不同復(fù)合藥量復(fù)合管的振動(dòng)測(cè)試

取4根長(zhǎng)度2m、規(guī)格為φ76mm×6mm的基管和3根長(zhǎng)度2.2m、規(guī)格為φ60mm×2mm的襯管，將其中3根基管和襯管分別采用8g，10g和13g藥量進(jìn)行復(fù)合。復(fù)合后分別對(duì)采用不同藥量的復(fù)合管和未復(fù)合的基管進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試方法如圖2所示。

圖2 機(jī)械式復(fù)合管振動(dòng)測(cè)試示意圖

首先用V形槽將機(jī)械復(fù)合管兩端進(jìn)行簡(jiǎn)支，其次在管子正中心頂部安裝加速度傳感器，然后通過(guò)動(dòng)態(tài)采集儀(DDP)采集加速度傳感器和力錘的信號(hào)，最后通過(guò)模態(tài)分析軟件(MAS)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

機(jī)械式復(fù)合管振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖3不同藥量復(fù)合管及未復(fù)合基管(與復(fù)合管同壁厚)的時(shí)域波形圖可以看出，復(fù)合藥量越大，時(shí)域波形衰減越慢，即8g藥量的復(fù)合管衰減最快，其次是10g，最后是13g和基管。通過(guò)MAS模態(tài)軟件的數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以得到復(fù)合管三階固有頻率和阻尼比，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1可以看出，復(fù)合藥量越大，復(fù)合管的固有頻率越高，阻尼比越小。

圖3 機(jī)械式復(fù)合管振動(dòng)測(cè)試結(jié)果(時(shí)域波形)

表1 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

3.2 不同復(fù)合藥量復(fù)合管的結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試

首先將不同藥量復(fù)合的復(fù)合管沿軸向依次截成230mm的樣管，按照?qǐng)D4制作軸向壓縮法試樣，并進(jìn)行編號(hào)，然后通過(guò)軸向壓縮法測(cè)得不同藥量復(fù)合的復(fù)合管沿軸向不同位置的結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)合強(qiáng)度沿軸向的大小分布如圖5所示。

圖4 不同藥量復(fù)合管軸向壓縮法試樣

圖5 不同藥量復(fù)合管結(jié)合強(qiáng)度沿軸向的分布圖

由圖5可以看出：①沿軸向復(fù)合管結(jié)合強(qiáng)度存在差異，而且藥量越小沿軸向的結(jié)合強(qiáng)度差異越大；②從不同藥量復(fù)合管的平均結(jié)合強(qiáng)度來(lái)看，藥量越大平均結(jié)合強(qiáng)度越高。

從振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)和結(jié)合強(qiáng)度的軸向壓縮法試驗(yàn)可以看出，結(jié)合強(qiáng)度越高則復(fù)合管的固有頻率越高，阻尼比越低。

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)結(jié)合強(qiáng)度與界面剛度的關(guān)系及界面剛度與固有頻率關(guān)系分析，得出結(jié)合強(qiáng)度越高界面剛度越大，界面剛度越大固有頻率越高，這從理論上驗(yàn)證了依據(jù)固有頻率的大小來(lái)評(píng)價(jià)復(fù)合管結(jié)合強(qiáng)度大小的可行性。

(2)通過(guò)對(duì)不同藥量復(fù)合管進(jìn)行的振動(dòng)測(cè)試，得出復(fù)合藥量不同振動(dòng)的時(shí)域波形衰減程度也不一樣，復(fù)合藥量越大波形衰減越慢。

(3)通過(guò)對(duì)振動(dòng)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻響分析，得出不同復(fù)合藥量下的復(fù)合管所對(duì)應(yīng)的固有頻率與阻尼比，結(jié)果顯示，復(fù)合藥量越大則固有頻率越高，阻尼比越小。

(4)通過(guò)采用軸向壓縮法對(duì)不同藥量的復(fù)合管進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試，得出結(jié)合強(qiáng)度隨著復(fù)合藥量的增加而增大，并且機(jī)械式復(fù)合管沿軸向結(jié)合強(qiáng)度分布不均勻。

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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—)，工程師，畢業(yè)于大連理工大學(xué)工程力學(xué)系，現(xiàn)從事雙金屬?gòu)?fù)合管研究工作。

2014-11-05

謝淑霞