爆炸胀接铝/钢复合管的研究

余勇 马宏昊 沈兆武 缪广红 李战军

引用本文:
Citation:

爆炸胀接铝/钢复合管的研究

    作者简介: 余勇(1989—), 男,博士研究生,主要从事爆炸复合、工业安全、及爆炸力学相关领域研究.E-mail:yuyong@mail.ustc.edu.cn;
    通讯作者: 马宏昊, hhma@ustc.edu.cn
  • 基金项目: 国家自然科学基金 51374189
    国家自然科学基金 51174183

  • 中图分类号: TG113.263;O341

Aluminum/Steel Composite Pipe by Explosion Expansion

    Corresponding author: Hong-Hao MA, hhma@ustc.edu.cn ;
  • CLC number: TG113.263;O341

  • 摘要: 为了得到一种兼具优良力学性能和优异防腐特性的复合管,结合一种高爆速爆炸纤维,利用水作为传压介质,爆炸胀接得到铝/钢复合管。经超声波探伤检测其贴合率达到100%,径向形变率仅为0.65%,弯曲度为0.12%。利用809MTS万能实验机对长径比为1:1的复合管试样进行了压剪试验,得到了位移-力曲线,计算得到结合强度为3.27 MPa,高于建筑和石化行业规定的0.2和0.5 MPa最小值。金相实验显示,铝/钢结合界面良好,未出现界面局部过熔现象,发生了铝层与钢层的相互扩散现象。
  • 图 1  铝钢同轴管爆炸胀接装置图

    Figure 1.  Setup of Al/Steel explosive expanded composite pipe device

    图 2  爆炸胀接原理示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of explosive expansion

    图 3  复合管截面图

    Figure 3.  Cross section of composite pipe

    图 4  复合管剖面图

    Figure 4.  Vertical section of composite pipe

    图 5  压剪测试装置示意图

    Figure 5.  Setup of compression-shear experiment

    图 6  位移-力曲线

    Figure 6.  Displacement-force curve

    图 7  复合管界面的微观形貌

    Figure 7.  Micro-morphology of composite pipe's interface

    表 1  材料的规格

    Table 1.  Specifications of materials

    MaterialLength/(mm)Diameter/(mm)Thickness/(mm)Straight/(mm)
    Q235 Steel600383≤1
    1060 Aluminum650301≤1
    下载: 导出CSV

    表 2  材料的主要力学性能

    Table 2.  Main mechanical properties of materials

    MaterialDensity/
    (kg/m3)
    Yield strength/
    (MPa)
    Strength limit/
    (MPa)
    Elongation/
    (%)
    Possion
    ratio
    Elasticity modulus/
    (GPa)
    Q235 Steel7 850225420250.26206.0
    1060 Aluminum2 71075124250.3368.9
    下载: 导出CSV

    表 3  爆炸纤维的规格和成分

    Table 3.  Specifications and component of the metal detonating cord

    Surface MaterialsDiameter/(mm)Linear density/(g/m)RDX/(%)Paraffin/(%)
    1070 Aluminum348515
    下载: 导出CSV
  • [1] 郑远谋.爆炸焊接和爆炸复合材料的原理及应用[M].长沙:中南大学出版社, 2007.
    ZHENG Y M.Explosive welding and metallic composite and the engineering application[M].Changsha:Central South University Press, 2007:18-20.
    [2] DOBIS J D, CHAKRAVARTI B.Clad piping components for refinery applications[J].Materials Performance, 1997, 36(7):29-35.
    [3] MAHIEU J, MAKI J, DE COOMAN B C, et al.Development of an aluminized multi-phase steel with dual phase properties for high temperature corrosion resistance applications[J].Steel Res Int, 2003, 74(4):225-230. doi: 10.1002/srin.2003.74.issue-4
    [4] SOLIMAN H M, MOHAMED K E, ABD El-Azim M E, et al.Oxidation resistance of the aluminide coating formed on carbon steels[J].J Mater Sci Technol, 1997, 13:383-388.
    [5] 郭训忠, 陶杰, 孙显俊, 等.爆炸焊接316L不锈钢/Al复合管的界面及性能研究[J].南京航空航天大学学报, 2010, 42(5):641-644. doi: 10.3969/j.issn.1005-2615.2010.05.019
    GUO X Z, TAO J, SUN H Q, et al.Investigation on interface and performance of explosive welded SS316L/Al clad tube[J].Journal of Nanjing University of Acronautics & Astronautics, , 2010, 42(5):641-644. doi: 10.3969/j.issn.1005-2615.2010.05.019
    [6] UKAI S, FUJIWARA M.Perspective of ODS alloys application in nuclear environments[J].J Nucl Mater, 2002, 307:749-757.
    [7] CHEN J, JUNG P, POUCHON M A, et al.Irradiation creep and precipitation in a ferritic ODS steel under helium implantation[J].J Nucl Mater, 2008, 373(1):22-27.
    [8] OHTSUKA S, UKAI S, SAKASEGAWA H, et al.Nano-mesoscopic structural characterization of 9Cr-ODS martensitic steel for improving creep strength[J].J Nucl Mater, 2007, 367(1):160-165.
    [9] 王建民, 朱锡, 刘润泉.铝/钢爆炸复合界面的显微分析[J].材料工程, 2006(11):36-44. doi: 10.3969/j.issn.1001-4381.2006.11.008
    WANG J M, ZHU X, LIU R Q, et al.Microanalysis of bonding interfaces of explosive welded aluminum/steel plates[J].Material Engineering, 2006(11):36-44. doi: 10.3969/j.issn.1001-4381.2006.11.008
    [10] 梅群, 沈兆武, 周听清.超低能导爆索传爆原理及应用的研究[J].中国工程科学, 2005, 7(6):69-70. doi: 10.3969/j.issn.1009-1742.2005.06.014
    MEI Q, SHEN Z W, ZHOU T Q.The Study on the detonation transmission rules and application of the super low energy detonting cord[J].Engineering Science, 2005, 7(6):69-70. doi: 10.3969/j.issn.1009-1742.2005.06.014
    [11] 恽寿榕, 赵衡阳.爆炸力学[M].北京:国防工业出版社, 2005:220.
    YUN S R, ZHAO H Y.Explosion mechanics[M].Beijing:National Defense Industry Press, 2005:220.
    [12] 王宝云, 马东康, 李争显, 等.内爆炸法制备铝/不锈钢细长双金属复合管的研究[J].焊接, 2005(9):54-57. doi: 10.3969/j.issn.1001-1382.2005.09.015
    WANG B Y, MA D K, LI Z X, et al.Research of producing Al/Strainless steel thin walled clad tube by interior explosion welding[J].Welding & Joining, 2005(9):54-57. doi: 10.3969/j.issn.1001-1382.2005.09.015
    [13] 郑哲敏, 杨振声.爆炸加工[M].北京:国防工业出版社, 1981:14.
    ZHENG Z M, YANG Z S.Explosion working[M].Beijing:National Defense Industry Press, 1981:14.
    [14] 史长根, 王耀华, 周春华.爆炸焊接压力焊机理研究[J].解放军理工大学学报, 2002, 3(5):55-58.
    SHI C G, WANG Y H, ZHOU C H.Study on pressure welding mechanism of explosive welding[J].Journal of PLA University of Science and Technology, 2002, 3(5):55-58.
  • [1] 吴京军贺端威王强张佳威刘进 . 固相反应法制备钴掺杂氧化镁传压介质. 高压物理学报, 2018, 32(5): 053301-1-053301-6. doi: 10.11858/gywlxb.20180564
    [2] 杨炳飞刘杰 . 42 mm腔体高岭石-白云石质传压密封介质金刚石合成扩大试验. 高压物理学报, 2013, 27(1): 34-39. doi: 10.11858/gywlxb.2013.01.004
    [3] 刘振先李国华韩和相汪兆平 . 高压低温条件下固态氩和4∶1甲醇-乙醇混合物传压介质的传压特性. 高压物理学报, 1992, 6(3): 198-205 . doi: 10.11858/gywlxb.1992.03.006
    [4] 刘振先崔启良赵永年邹广田 . 传压介质对晶格振动和相变压力的影响-Bi2O3的高压拉曼光谱研究. 高压物理学报, 1990, 4(2): 81-86 . doi: 10.11858/gywlxb.1990.02.001
    [5] 陈天虎王道轩方啸虎唐述培 . 白云石内衬材料在合成金刚石传压密封介质中的作用. 高压物理学报, 2001, 15(4): 291-296 . doi: 10.11858/gywlxb.2001.04.009
    [6] 章中胡小松廖小军张燕 . 温压结合超高压处理对芽孢杀灭作用的研究进展. 高压物理学报, 2013, 27(1): 147-152. doi: 10.11858/gywlxb.2013.01.021
    [7] 冉宪文汤文辉 . 一种计算固体冷能、冷压和结合能的新方法. 高压物理学报, 2003, 17(1): 50-55 . doi: 10.11858/gywlxb.2003.01.008
    [8] 樊自建沈兆武廖学燕刘原栋 . 圆柱形水下爆炸实验容器壁部强度设计研究. 高压物理学报, 2008, 22(4): 402-408 . doi: 10.11858/gywlxb.2008.04.011
    [9] 张源万志军周长冰刘渝 . 大尺寸活塞-厚壁圆筒式固体传压高温三轴压力室的温度标定. 高压物理学报, 2013, 27(2): 268-276. doi: 10.11858/gywlxb.2013.02.015
    [10] 陈亚红白春华王仲琦李建平 . 爆炸平面冲击波在金属颗粒介质中的衰减. 高压物理学报, 2011, 25(6): 481-486. doi: 10.11858/gywlxb.2011.06.001
    [11] 杨莉汪玉黄超汪斌 . 不同水底介质对有限域中装药沉底爆炸特性的影响. 高压物理学报, 2012, 26(5): 545-550. doi: 10.11858/gywlxb.2012.05.010
    [12] 李翔宇王马法董文朴梁民族 , . 填充介质圆柱壳在侧向爆炸冲击作用下的变形型面研究. 高压物理学报, 2015, 29(4): 299-306. doi: 10.11858/gywlxb.2015.04.010
    [13] 胡栋叶松吴旌贺炎正馨李萍孙珠妹 . 铝粉点火微观机理的光谱研究. 高压物理学报, 2006, 20(3): 237-242 . doi: 10.11858/gywlxb.2006.03.003
    [14] 刘照星周永胜刘贵何昌荣钟柯姚文明韩亮党嘉祥 . 3 GPa熔融盐固体介质三轴高温压力容器的轴压摩擦力标定. 高压物理学报, 2013, 27(1): 19-28. doi: 10.11858/gywlxb.2013.01.002
    [15] 韩亮周永胜何昌荣姚文明刘贵刘照星党嘉祥 . 3 GPa熔融盐固体介质高温高压三轴压力容器的围压标定. 高压物理学报, 2011, 25(3): 213-220 . doi: 10.11858/gywlxb.2011.03.004
    [16] 徐维铮吴卫国 . 泄压口大小对约束空间爆炸准静态超压载荷的影响规律. 高压物理学报, 2017, 31(5): 619-628. doi: 10.11858/gywlxb.2017.05.016
    [17] 谭华韩钧万贺红亮王小江 . 冲击波合成氮化硼的形貌及热稳定性. 高压物理学报, 1995, 9(1): 53-58 . doi: 10.11858/gywlxb.1995.01.009
    [18] 方莉俐张战李嘉马丽莹赵豪民于鸿昌吴宝善 . 微波等离子体化学气相沉积金刚石薄膜形貌分析. 高压物理学报, 1991, 5(3): 197-204 . doi: 10.11858/gywlxb.1991.03.007
    [19] 郭俊峰曾庆轩李明愉李兵 . 飞片材料对微装药驱动飞片形貌的影响. 高压物理学报, 2017, 31(3): 315-320. doi: 10.11858/gywlxb.2017.03.014
    [20] 周艳平阎学伟马贤锋赵廷河谢云芬 . 添加剂Li8SiN4对cBN晶体形貌的影响. 高压物理学报, 1996, 10(1): 56-62 . doi: 10.11858/gywlxb.1996.01.009
  • 加载中
图(7)表(3)
计量
  • 文章访问数:  175
  • 阅读全文浏览量:  24
  • PDF下载量:  88
出版历程
  • 收稿日期:  2014-12-11
  • 录用日期:  2015-03-03
  • 刊出日期:  2016-04-25

爆炸胀接铝/钢复合管的研究

    作者简介:余勇(1989—), 男,博士研究生,主要从事爆炸复合、工业安全、及爆炸力学相关领域研究.E-mail:yuyong@mail.ustc.edu.cn
    通讯作者: 马宏昊, hhma@ustc.edu.cn
  • 1. 中国科学技术大学近代力学系,安徽合肥 230027
  • 2. 广东宏大爆破股份有限公司,广东广州 510623
基金项目:  国家自然科学基金 51374189国家自然科学基金 51174183

摘要: 为了得到一种兼具优良力学性能和优异防腐特性的复合管,结合一种高爆速爆炸纤维,利用水作为传压介质,爆炸胀接得到铝/钢复合管。经超声波探伤检测其贴合率达到100%,径向形变率仅为0.65%,弯曲度为0.12%。利用809MTS万能实验机对长径比为1:1的复合管试样进行了压剪试验,得到了位移-力曲线,计算得到结合强度为3.27 MPa,高于建筑和石化行业规定的0.2和0.5 MPa最小值。金相实验显示,铝/钢结合界面良好,未出现界面局部过熔现象,发生了铝层与钢层的相互扩散现象。

English Abstract

    • 爆炸胀接是以炸药为能源,使管与管、管与管板形成紧密和牢固的焊接或连接的一种新工艺[1]。复合管主要的设计思路是让基管满足管道的强度需求,覆管满足耐腐蚀或耐磨损条件[2]。因为复合管的设计充分利用了基管和覆管的性能,所以,相比于单一的耐蚀或耐磨金属材料,复合管可以节约贵重金属,有效地降低成本。铝具有密度小、塑性高、抗氧化、耐腐蚀(铝表面易形成致密的氧化物薄膜)等特点。钢是世界上应用最广泛的材料之一,具有价格低廉、力学性能优良的特点。将薄壁铝管和普通钢管复合得到的铝/钢复合管,可以兼具优良的力学性能和耐腐蚀性能[3-4]。若对铝层进一步氧化,铝/钢复合管还可以具备优异的耐磨损性能[5]。正因为如此,铝/钢复合管不仅在城市公用管道、石油行业、化工系统、核设施和航空航天等领域具有巨大的应用潜力,而且在工程应用中也有极其重要的价值[6-8]

      目前国内外一些学者在铝/钢板材的爆炸焊接研究方面做了很多工作,得到了一些建设性的结论。由于铝、钢的密度及熔点相差较大,界面不易产生波状结合,界面处的组织存在着严重的塑性变形[9];因此,在爆炸复合过程中,若采用传统的爆炸焊接技术,必然会造成铝/钢管材的大变形,复合界面也很难产生波状结合。本研究利用一种具备优异防水特性的爆炸纤维[10],以水为传压介质,内胀得到铝/钢复合管。以水为传压介质的优点是大大提高了炸药的利用率,以TNT炸药为例,在空气中爆炸时初始冲击波压力约为70 MPa,而在水中爆炸时,冲击波压力约为15 GPa[11]。炸药利用率的提高,降低了炸药的用量,减少了噪声、粉尘和其他次生污染。

    • 试验采用的基管为Q235普通无缝钢管,覆管为1060纯铝管。基管与覆管的规格见表 1,Q235钢和1060纯铝的基本力学性能见表 2。铝管经完全去应力热处理,Q235钢管经固溶稳定化热处理。基管、覆管均经机械抛光,并用7%的稀盐酸对待结合表面进行了处理,除去各种表面缺陷,得到洁净的待结合表面[12]。试验所用爆炸纤维的基本参数如表 3所示。

      MaterialLength/(mm)Diameter/(mm)Thickness/(mm)Straight/(mm)
      Q235 Steel600383≤1
      1060 Aluminum650301≤1

      表 1  材料的规格

      Table 1.  Specifications of materials

      MaterialDensity/
      (kg/m3)
      Yield strength/
      (MPa)
      Strength limit/
      (MPa)
      Elongation/
      (%)
      Possion
      ratio
      Elasticity modulus/
      (GPa)
      Q235 Steel7 850225420250.26206.0
      1060 Aluminum2 71075124250.3368.9

      表 2  材料的主要力学性能

      Table 2.  Main mechanical properties of materials

      Surface MaterialsDiameter/(mm)Linear density/(g/m)RDX/(%)Paraffin/(%)
      1070 Aluminum348515

      表 3  爆炸纤维的规格和成分

      Table 3.  Specifications and component of the metal detonating cord

    • 以钢管为基管,铝管为覆管,制备铝/钢复合管的爆炸胀接装置如图 1所示。试验时,依次将铝管、钢管以及爆炸纤维放入下定位基座,对铝管、钢管与定位基座进行密封处理,使水无法进入钢管与铝管所形成的缝隙中,缝隙上部与空气接触。各部分安装正确以后从底部起爆, 这样有利于缝隙中的空气从上出口排出。爆炸纤维被雷管引爆后产生冲击波和高温高压气体,使水中压力迅速升高,由于水具有优异的传压性能[13],使得铝管瞬间变形膨胀,直径增大。当铝管外径扩大到与钢管内径相同时,铝管与钢管发生强烈的碰撞。受到冲击波及高压水的作用,在碰撞前,只有铝管发生塑性变形,碰撞后铝管、钢管会整体塑性变形。其爆炸胀接原理示意图见图 2

      图  1  铝钢同轴管爆炸胀接装置图

      Figure 1.  Setup of Al/Steel explosive expanded composite pipe device

      图  2  爆炸胀接原理示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of explosive expansion

      试验所得铝/钢复合管如图 3图 4所示,经超声波探伤检测得到,铝/钢复合管的贴合率达到100%,径向形变率为0.65%,弯曲度为0.12%。

      图  3  复合管截面图

      Figure 3.  Cross section of composite pipe

      图  4  复合管剖面图

      Figure 4.  Vertical section of composite pipe

    • 从爆炸胀接得到的铝/钢复合管上截取长径比为1:1的试样,在809Axial/Torsional Test System上进行压剪实验。实验装置示意图见图 5。实验得到了位移-力曲线,如图 6所示。

      图  5  压剪测试装置示意图

      Figure 5.  Setup of compression-shear experiment

      图  6  位移-力曲线

      Figure 6.  Displacement-force curve

    • 从铝/钢复合管中部截取长度为10 mm的试样,经打磨抛光和稀盐酸腐蚀后得到的金相图如图 7所示。由图 7可以看出,界面发生了铝层与钢层的相互扩散现象,其结合界面主要为平直界面,未出现过熔现象[14]

      图  7  复合管界面的微观形貌

      Figure 7.  Micro-morphology of composite pipe's interface

    • 图 6可以看出,压力峰值为13 111 N,但其并不能作为计算结合强度的有效压脱力。其压剪过程可做如下解释:随着压力的增加,铝层在A-B阶段轴向被压缩,径向形变增加,从而导致结合力的突变。铝层在B处被压脱,B点可作为计算结合强度的有效压脱力值。B-D阶段随着位移少量的增加,接触面积减少,压力逐渐减小。过了D点之后,随着接触面积的减少,铝层对钢层的支撑力下降,处于弹性变形的钢层发生了收缩,其收缩所带来的压力增值大于因面积减少而引起的压力下降值,因此出现了D-E的压力上升阶段

      复合管的剪切强度可通过公式(1)计算得到

      $ \tau = \frac{F}{A} = \frac{F}{{{\rm{ \mathsf{ π} }}dL}} $

      式中:F为有效压脱力,dL分别为结合面的直径和试样长度。由图 6可知,F=12 478 N,代入(1)式计算可得,铝/钢复合管的结合强度τ=3.27 MPa,远高于CJ/T192-2004和SY/T6623中所规定的最小为0.2和0.5 MPa的标准;另一方面,铝/钢复合管的位移-力曲线呈现出一般单一性质材料所具备的特征,包括弹性阶段、屈服阶段和强化阶段。这些特征说明复合管界面结合较好。

    • (1) 爆炸胀接方法以高爆速的爆炸纤维为能源,利用水作为传压介质。利用该方法炸药的使用量较传统的爆炸焊接方法降低了一个数量级,并且以冲击波的形式释放到空间的能量大大降低,爆炸产生的噪音小,炸药爆炸的能量利用率高,节能减排,有利于环境保护。

      (2) 通过对1060铝和Q235钢进行爆炸胀接试验得到了铝/钢复合管,超声波探伤检测表明,复合管的贴合率达到100%,径向形变率仅为0.65%,弯曲度为0.12%,变形很小。

      (3) 通过结合强度测试得到,在本试验条件下,铝/钢复合管的结合强度为3.27 MPa,虽然远低于爆炸焊接结合强度,但是远高于CJ/T192-2004标准和SY/T6623标准规定的0.2和0.5 MPa。其位移-力曲线具有单一性质材料的某些特征。

      (4) 微观形貌图显示,复合管界面发生了铝层与钢层的相互扩散现象,未出现局部过熔现象,界面结合良好。

参考文献 (14)

目录

    /

    返回文章
    返回