机械衬里管道液压成形过程的数值与实验分析：端部耦合与液压封头力对残余状态的影响

《International Journal of Pressure Vessels and Piping》：Numerical and experimental analysis of mechanically lined pipe hydroforming

　　

本研究通过全尺寸液压成形试验与推出试验，验证了所建立的顺序有限元（FE）框架的可靠性。研究将端部条件分解为衬里与基管之间的端部耦合效应以及液压封头力（HCF）的传递效应，并系统考察了二者的独立影响。结果表明，端部耦合在液压成形过程中会增大衬里的塑性应变与减薄程度；而液压封头力的传递则显著抑制基管的永久性径向扩张。此外，通过D-最优实验设计分析，研究人员对主要效应进行了归一化排序，并识别出具有统计学显著性的交互作用。该研究为机械衬里管道（MLP）液压成形分析中边界条件的选取与解释提供了力学依据。

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一、研究背景与问题

在油气田开发过程中，腐蚀性环境（如含CO?、H?S及氯化物介质）对管道系统的结构强度、耐蚀性能与经济性提出了综合要求。碳钢（CS）管道虽具备所需力学强度，但内壁易受腐蚀介质侵蚀；而全耐蚀合金（CRA）管道及冶金复合管道虽能解决腐蚀问题，但其材料与制造成本限制了在长距离海底输送中的大规模应用。机械衬里管道（MLP）由碳钢基管与薄壁耐蚀合金衬里组成，基管承担主要结构载荷，衬里提供腐蚀防护，兼具性能与经济优势。

MLP的完整性高度依赖于制造过程中衬里与基管之间形成的机械过盈配合。在液压成形（即液压扩径）工艺中，衬里以初始径向间隙插入基管，通过内压使衬里径向扩张直至与基管接触，继续加压使二者共同膨胀并可能产生塑性变形；卸载后，两管的弹性恢复差异建立起残余接触压力，同时两管保留残余应力与永久变形。该残余状态直接影响衬里抵抗相对滑动与分离的能力，并影响其在安装与服役过程中的响应。

尽管开口端与闭口端圆柱体膨胀的力学差异已有公认结论，但在工业MLP液压成形中如何准确表征实际轴向载荷路径仍是未解决的建模问题。特别是，衬里与基管端部的耦合作用以及压力引起的液压封头力（HCF）传递是两个相互独立的力学特征，却常被合并为单一端部条件假设。二者的独立效应需要分别考察，因为它们可独立改变轴向载荷路径，进而影响径向扩张、衬里塑性变形、残余环向应力及卸载后的衬里-基管接触状态。

二、研究内容与结论概述

研究人员针对上述问题开展了系统的实验与数值研究。建立了基于Abaqus/Standard的顺序轴对称有限元（FE）框架，并通过四个工业液压成形试样的最终基管外径及对应推出试样的握裹力进行了验证。研究将端部条件分解为端部耦合与HCF传递两个独立特征，在相同几何、材料与压力历史下考察了全部四种组合。结果表明，端部耦合主要增大衬里的塑性变形与减薄，而HCF传递则显著抑制基管的永久径向扩张。此外，通过单因素（OFAT）分析与D-最优多变量分析，研究对主要效应进行了归一化排序并识别出显著交互作用。该框架区分了端部耦合与HCF传递的物理后果，为MLP液压成形分析中边界条件的选取与解释提供了力学基础。

三、主要关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：其一，全尺寸液压成形试验，采用Cladtek公司的工业制造流程制备四个试样，在105 MPa与116 MPa两种标称压力下进行两次连续加压-卸压循环；其二，推出试验（Push-out Test），对从液压成形试样上截取的最小长度250 mm的试块进行轴向推出，测定最大轴向力即握裹力；其三，顺序有限元建模，在Abaqus/Standard中建立轴对称模型，采用CAX4R单元，通过几何非线性静态步模拟两次液压成形循环，并将最终卸载状态导入推出模型；其四，材料本构采用Ramberg-Osgood关系描述X65基管与316L衬里的工程应力-应变响应；其五，D-最优实验设计，对八个输入因子进行多变量统计分析，量化主效应与交互作用。

四、研究结果

4.1 实验验证

研究人员将数值预测与实验测量进行了对比。四个试样的基管最终外径实测值均落在对应FE预测范围内；推出试验测得的握裹力分别为75.46、98.78、77.71与84.41 kN，在采用文献支持的摩擦系数范围0.40–0.50时，全部落在数值预测范围内。两项实验指标的吻合验证了顺序建模框架的整体可靠性。

4.2 端部耦合与液压封头力的影响

在基准工况下，研究人员对四种端部条件组合进行了系统分析。端部耦合强制衬里与基管端部具有相同轴向位移，使衬里的独立轴向收缩受到限制，从而增大衬里塑性应变与减薄。在耦合无HCF工况下，衬里残余等效塑性应变与减薄分别约为4.7%与3.8%；去除耦合后，二者在中长度对称面降至4.4%与2.6%。HCF传递使基管承受轴向拉伸载荷，显著抑制其永久径向扩张：无HCF时基管外径永久扩张约0.8%，施加HCF后降至约0.03%。四种工况在远离端部处并未收敛于共同的残余状态，表明端部耦合与HCF传递具有独立且不同的力学效应。

4.3 参数化研究

单因素分析表明，增大径厚比（OD_C/t_t）降低残余接触压力并使基管残余环向应力由压缩转为拉伸；增大衬里厚度提高残余接触压力；增大初始间隙增加衬里塑性应变与减薄。基管屈服强度增大使残余接触压力升高，衬里屈服强度增大则产生相反趋势。增大硬化指数在无HCF传递时显著增大变形量，而在有HCF时影响较小。增大归一化压力提高残余接触压力与永久扩张。D-最优分析对各因子的主效应进行了归一化排序，并识别出具有统计学显著性的交互作用。

五、讨论与结论

研究将端部条件分解为端部耦合与HCF传递两个独立特征，通过实验验证的顺序FE框架系统考察了二者的独立效应。端部耦合通过限制衬里独立轴向收缩，增大其塑性变形与减薄；HCF传递通过基管承受轴向拉伸载荷，强烈抑制其永久径向扩张。D-最优分析提供了主效应的归一化排序并识别了显著交互作用。该框架为MLP液压成形分析中边界条件的选取与解释提供了力学依据，对工业制造中残余状态的预测与控制具有重要工程意义。