双金属复合管塑性成型有限元模拟（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）双金属复合管塑性成型有限元模拟*杜清松1曾德智2,3杨斌2张智2黄黎明3(1.中国石化西北油田分公司工程监督中心2.西南石油大学3.中国石油西南油气田公司天然气研究院杜清松等.双金属复合管塑性成型有限元模拟.天然气工业,2021,28(9:6466.摘要随着高含二氧化碳、硫化氢及元素硫等油气田的相继出现,油管、套管的腐蚀问题越来越突出,并直接影响到油气田的经济开发和安全开采。针对机械复合管塑性成型过程中的力学问题进行了有限元模拟研究,建立了模拟双金属复合管塑性成型的参数化有限元力学模型。通过有限元模拟研究,得出了双金属复合管所需的最小成型压力和成型后内外管间的结合力,分析了双金属复合管在塑性成型过程中内外管的接触压力、径向应力应变等力学特性。计算实例表明,该模型的几何尺寸、材料模型以及加载压力等参数均可以根据计算需要设定,可用于模拟不同材质和不同尺寸的双金属管在塑性成型过程中的力学特性研究。主题词完井硫化氢油管腐蚀双金属复合管模型随着石油天然气勘探开发的发展,油气开采面临的环境越来越恶劣,特别是高含二氧化碳、硫化氢及元素硫等油气田的相继出现,使得石油管道的腐蚀、结蜡、结垢等问题越来越突出,并直接影响到油气田开发的经济效益[13]。对于含硫气田,还有可能导致重大安全事故和环境问题。因此,研究双金属复合管防腐新技术具有十分重要的工程意义。双金属复合管是在普通集输管内覆上一层薄壁耐腐蚀合金,其两端釆用特殊方法焊接或特殊结构连接,耐腐蚀金属可根据油气田腐蚀环境选择,常选用22Cr、镍基合金825等,管线建成后无需加注缓蚀剂,后期运行、维护方便,综合经济效益优良[46]。双金属复合管主要分为两类:一类是机械塑性成型复合管[7],一类是冶金复合管[8]。冶金复合管成本是整体耐腐蚀合金的50%左右,而机械复合管是整体耐腐蚀合金管的30%左右,笔者针对机械复合管塑性成型过程进行了有限元模拟,为复合管的塑性成型技术提供了理论依据。一、有限元力学模型的建立为了便于分析,在此不考虑管子的初始几何缺陷(椭圆度、壁厚不均度等,认为双金属复合管成型前内外管均为理想的圆筒。根据双金属复合管的成型过程可知,内外管几何特征以及加载压力的分布都具有轴对称性特点。因此,可以将该问题简化为轴对称平面应力问题处理。笔者建立的有限元模型实为参数化模型,为了阐述有限元模拟的过程,均以88.9(6.45+1mm复合管的成型过程为例进行说明。所建立的有限元模型如图1所示。在图1中,外管外径为88.9mm,外管壁厚为6.45mm;内管壁厚为1mm;内外管间半径间隙为1mm。内管为某耐腐蚀合金钢管,外管为NT80SS油管,内外管管材的基本力学参数如表1所示。在复合管成型过程中,外管只发生弹性变形,故按线弹性模型计算;内管发生较大塑性变形,此时内管的材料模型按刚塑性线性强化模型计算。由于复合管的几何结构和成型过程中的受力状况均具有轴对称性,属于轴对称平面应力问题,因此对内外管施加轴对称约束。图1双金属复合管有限元模型图64钻井工程天然气工业2021年9月表1管材的力学参数表材料代号屈服强度(MPa抗拉强度(MPa延伸率(%弹性模量(MPa泊松比备注耐腐蚀合金240500451.951050.3内管NT80SS551760182.061050.3外管二、有限元模拟结果(1最小成型压力计算。对于内外管有间隙的双金属复合管经过3个阶段完成整个成型过程的模拟。第一阶段,消除间隙;第二阶段,内外管同步膨胀;第三阶段,卸载。当内外管在压力作用下刚好贴合在一起时的加载压力称为最小成型压力(pmin。最小成型压力是机械复合管成型和复合管力学性能的重要指标,因而计算双金属复合管的最小成型压力具有重要意义。有限元计算最小成型压力的基本思路是:首先输入一定的加载压力(p,然后再卸载,卸载后查看内外管的结合力以及内外管间的间隙是否为零;如果不满足上述两条件,不断改变加载压力,直到条件满足为止,此时的加载压力就是所求的最小加载压力。当加载压力为43.90MPa时,计算可得内外管间间隙及内外管结合面的结合力大约为零。因此,可以认为最小成型压力为43.90MPa。(2成型过程中内外管间的接触压力分析。双金属复合管成型后内管和外管间的接触压力(结合力是衡量复合管力学特性的重要指标[9]。为了研究复合管液压成型过程中内外管间接触压力的变化,按照加载步骤来分析每一个加载步骤完成后的接触压力,有限元模拟的结果如图2~4所示。由图2、3和图4可知,在间隙消除阶段,内外管处于从未接触到刚好接触的状态,内外管间的接触压力为零;在内外管同步膨胀阶段,内外管间的接触压