雙金屬復(fù)合鋼管的生產(chǎn)工藝及工業(yè)應(yīng)用

聶向暉，李 亮，劉迎來，王長安，王高峰

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

·綜 述·

雙金屬復(fù)合鋼管的生產(chǎn)工藝及工業(yè)應(yīng)用

聶向暉，李 亮，劉迎來，王長安，王高峰

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

介紹了雙金屬復(fù)合管的結(jié)構(gòu)特點及其主要生產(chǎn)工藝，對比分析了各種生產(chǎn)工藝的優(yōu)缺點；闡述了雙金屬復(fù)合管在諸多領(lǐng)域中的應(yīng)用，分析了不同領(lǐng)域中傳統(tǒng)管材的應(yīng)用缺陷和雙金屬復(fù)合管的應(yīng)用優(yōu)勢；從耐蝕能力、焊接性能、耐高溫性能、力學(xué)性能、成本價格等方面，對雙金屬復(fù)合管、碳鋼管、耐蝕合金管進(jìn)行了綜合對比，對雙金屬復(fù)合管的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，指出應(yīng)根據(jù)服役工況、工廠設(shè)備、技術(shù)條件等具體情況合理選擇襯管材料和復(fù)合管的制造方法。

雙金屬復(fù)合管；基管；襯管；耐蝕合金

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計，我國每年因腐蝕而造成的損失達(dá)數(shù)千億元，其中管道腐蝕占相當(dāng)大的比例，管道腐蝕最嚴(yán)重的是能源領(lǐng)域，目前各種管網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛、腐蝕最嚴(yán)重的是碳鋼和低合金管。長期以來人們開發(fā)了各種技術(shù)來防止流體對管道的腐蝕，如在管道內(nèi)涂、鍍、滲、襯耐蝕層，在流體中添加緩蝕劑以及使用耐蝕合金等[1]。多年的實踐證明：耐蝕合金管是理想的防腐蝕管道材料，但是阻礙耐蝕合金管全面替代鋼管應(yīng)用的最大障礙是其價格昂貴，以及大部分耐蝕合金的強(qiáng)度低于碳鋼和低合金管[2]。為了綜合利用碳鋼、低合金鋼和耐蝕合金的優(yōu)點，即碳鋼和低合金鋼的優(yōu)良力學(xué)性能和低廉的價格，以及耐蝕合金優(yōu)異的耐蝕性能，雙金屬復(fù)合管應(yīng)運而生。雙金屬復(fù)合管的襯管一般采用薄壁耐蝕合金材料，可根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境選用相應(yīng)材料(如不銹鋼、鎳基合金或其他耐蝕合金等)，以保證其良好的耐腐蝕性能；基管采用碳鋼或低合金鋼，以保證其力學(xué)性能符合相關(guān)要求[3]。隨著雙生產(chǎn)工藝和方法的不斷地進(jìn)步、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善，雙金屬復(fù)合管以其優(yōu)越的力學(xué)性能，良好的耐腐蝕性能，在石油天然氣輸送、海洋工程、化學(xué)工業(yè)等行業(yè)正逐步得到廣泛的應(yīng)用和穩(wěn)步的發(fā)展。

1 復(fù)合形式

根據(jù)雙金屬復(fù)合管基襯結(jié)合形式，復(fù)合管可分為：機(jī)械復(fù)合管和冶金復(fù)合管兩種：機(jī)械復(fù)合管的基襯之間緊密貼合，屬于過盈配合的機(jī)械結(jié)合，當(dāng)沿復(fù)合管縱向切開時，基襯可完全分離；冶金復(fù)合管是指通過冶金復(fù)合板(卷)進(jìn)行成型焊接，及通過堆焊或離心澆鑄等方法制成的復(fù)合管，其基襯金屬之間形成冶金界面，異金屬通過冶金方式連接在一起，其連接強(qiáng)度一般不低于兩種金屬中強(qiáng)度較低的一種[4]。

機(jī)械復(fù)合管具有生產(chǎn)工藝簡單、工序少、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點，但其缺點也很明顯，主要體現(xiàn)在三方面：首先，結(jié)合層存在很大的應(yīng)力集中甚至宏觀間隙，結(jié)合強(qiáng)度不高，高溫下可能因碳鋼和不銹鋼間膨脹系數(shù)差異以及層間存在氣體造成內(nèi)覆層失穩(wěn)、鼓泡；其次，內(nèi)覆不銹鋼焊管處于焊接和冷加工狀態(tài)，從而降低了它的抗腐蝕能力；最后，受限于機(jī)械結(jié)合結(jié)構(gòu)，機(jī)械復(fù)合管不能進(jìn)行冷熱加工制造彎頭、三通等配件[1,3]。冶金復(fù)合管克服了上述問題，具有很好的結(jié)合強(qiáng)度，但其生產(chǎn)成本高、工藝復(fù)雜、制造難度大[3]。

2 生產(chǎn)工藝

目前機(jī)械復(fù)合管的生產(chǎn)工藝方法主要有機(jī)械旋壓法、爆炸復(fù)合法、液壓復(fù)合法、機(jī)械拉拔法四種方法；冶金復(fù)合管的生產(chǎn)方法主要有熱成型法、離心鑄造法、離心鋁熱劑法、爆炸焊成型法等。此外，粉末冶金法、激光包覆法、電磁成型法也有少量應(yīng)用。

2.1 機(jī)械旋壓法

機(jī)械旋壓法是利用外層基管(碳鋼管)彈性變形范圍大，內(nèi)層襯管(不銹鋼管)屈服強(qiáng)度低的特性，在旋壓機(jī)具螺旋進(jìn)給的擠壓下，使內(nèi)層襯管發(fā)生連續(xù)局部塑性變形，外層基管始終保持在彈性變形范圍之內(nèi)。當(dāng)外力去除后，外層基管彈性收縮，內(nèi)層襯管已呈塑性變形無法收縮，從而使內(nèi)層襯管外表面嵌合在外層基管的內(nèi)表面中，達(dá)到復(fù)合成型的目的。該法生產(chǎn)的復(fù)合管抗擠壓強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、性價比高。

2.2 爆炸復(fù)合法

爆炸復(fù)合法是將裝配好的內(nèi)外管放置在水槽內(nèi)，將集束炸藥放置在內(nèi)層襯管軸線上，通過炸藥產(chǎn)生的爆炸力，引起水槽內(nèi)水壓瞬間增高，瞬間增高的水壓推動內(nèi)層襯管在直徑方向向外擴(kuò)張，在軸向方向向內(nèi)收縮，向外擴(kuò)張的內(nèi)層襯管在水壓的作用下，擴(kuò)張至外層基管的內(nèi)表面上，并在水壓的作用下，隨外層基管繼續(xù)擴(kuò)張，直至壓力消失，復(fù)合成形。該法生產(chǎn)的復(fù)合管一次性瞬時成型，各點復(fù)合壓力基本相同，但采用該法比較危險，對精確計算炸藥量需要進(jìn)行相應(yīng)的經(jīng)驗和驗證工作[5]，同時內(nèi)外管環(huán)狀結(jié)合力較小、結(jié)合面間隙較大。

2.3 液壓復(fù)合法

液壓復(fù)合法是將裝配好的內(nèi)外管完全密封成一密閉長筒，再將液體注入筒內(nèi)，逐步加壓筒內(nèi)的液體，使得內(nèi)層襯管逐步的在直徑方向向外擴(kuò)張。通過連續(xù)逐步施壓，使得內(nèi)層襯管最終發(fā)生塑性變形，外層基管仍處于彈性變形范圍內(nèi)，當(dāng)內(nèi)管塑性變形達(dá)到規(guī)定要求時，釋放壓力，此時外層基管回復(fù)大于內(nèi)層襯管的彈性回復(fù)，內(nèi)外管緊密貼合，復(fù)合完成[6]。該法生產(chǎn)復(fù)合管時各點壓力相同，相對爆炸復(fù)合，襯管和基管的變形量更容易控制。

2.4 機(jī)械拉拔法

拉拔復(fù)合法是將裝配好的內(nèi)外管，通過模具進(jìn)行拉拔，從而實現(xiàn)緊密配合的機(jī)械結(jié)合，使內(nèi)外管結(jié)合為一體。文獻(xiàn)報道的拉拔復(fù)合法有兩類[7]：一類是在拉拔前將內(nèi)外管松套在一起，通過成型模使內(nèi)外管均產(chǎn)生塑性變形，達(dá)到緊密的機(jī)械結(jié)合，這種工藝適用于小徑管；另一類是采用大小不同的錐體拉擠芯棒穿入內(nèi)管，外部動力通過連桿帶動拉擠芯棒向管材作相對移動，對內(nèi)管完成軸向擴(kuò)徑擠壓的過程，達(dá)到內(nèi)管與外管緊密的機(jī)械結(jié)合。拉拔后一般還要進(jìn)行縮徑或擴(kuò)徑，該法生產(chǎn)的復(fù)合管內(nèi)表面圓整度好，但成形力要求較大、能耗較高。

2.5 熱成型法

熱成型制造工藝包括熱軋和熱擠壓兩種方法，前者主要適用于有縫復(fù)合管用板(卷)的生產(chǎn)，后者適用于無縫復(fù)合管的生產(chǎn)。熱軋復(fù)合實質(zhì)上屬于壓力焊，如果變形量足夠大，軋輥施加的壓力就會破壞金屬表面的氧化膜，使表面達(dá)到原子接觸，從而使兩表面焊在一起，該方法生產(chǎn)率高、質(zhì)量好、成本低，常用于壁厚小的管材加工[5]。熱擠壓是是將兩種以上的金屬組成的大直徑復(fù)合坯料加熱到1200℃左右，然后擠過由模具和芯軸形成的環(huán)狀空間，當(dāng)擠壓坯料截面縮減到10:1時，高的擠壓壓力和溫度會在界面處產(chǎn)生“壓力焊”的焊接效應(yīng)，促進(jìn)界面間的快速擴(kuò)散和結(jié)合，實現(xiàn)界面異金屬材料的冶金復(fù)合。熱擠壓法適合熱加工性差、塑性低的高合金金屬的加工[8]。

2.6 離心鑄造法和離心鋁熱劑法

離心鑄造法適用于制造內(nèi)襯金屬熔點低于外層金屬熔點的復(fù)合管，襯層和基體均采用熔融態(tài)金屬，首先將制外管的鋼液引入一旋轉(zhuǎn)金屬模，當(dāng)外管凝固并達(dá)到一定溫度時，澆入耐蝕合金等內(nèi)層金屬，通過控制鑄造條件，可以生產(chǎn)出牢固的冶金結(jié)合雙金屬復(fù)合管[8]。離心鑄造法的優(yōu)點是：界面實現(xiàn)冶金結(jié)合，致密度高，排渣、排氣性好；其缺點是：若沒有其后的熱變形，僅限于鑄態(tài)使用，其粗大的鑄態(tài)組織導(dǎo)致各層金屬的力學(xué)性能不能充分發(fā)揮。

離心鋁熱法也稱為SHS—離心法，其實質(zhì)是在離心力場中引起鋁熱反應(yīng)。管道復(fù)合時，先將金屬鋁粉和其他金屬氧化粉末混合均勻，澆入管內(nèi)，然后將管子旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，粉末如液體一樣流動，在整個內(nèi)表面形成一均勻涂層。點燃后，放熱反應(yīng)在幾秒鐘內(nèi)就可達(dá)到焊接或堆敷的溫度。反應(yīng)產(chǎn)生的過熱熔化金屬溫度很高，鋼可達(dá)到2 500 ℃～2 960 ℃，與基底形成冶金結(jié)合的堆敷層。該法具有效率高、成本低、不需附加能源等特點[5,8]。

2.7 爆炸焊成型法

爆炸焊成型法是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波，使內(nèi)管發(fā)生塑性變形，緊貼外管，兩搭接的金屬表面實現(xiàn)固相焊接的方法。利用爆炸焊成型，覆層可小于0.2 mm，熔合比最小可達(dá)到5%，覆層緊密，產(chǎn)品適用性廣[9]。另外，利用爆炸焊可實現(xiàn)多種金屬間的連接，有些是采用其他方法不能實現(xiàn)的。爆炸焊成型法對尺寸較長的復(fù)合管炸藥量很難準(zhǔn)確確定，而且具有一定的危險性，結(jié)合界面屬于非擴(kuò)散冶金結(jié)合[8]。

2.8 堆焊成型法

堆焊是較早使用的制造復(fù)合金屬的方法，它是指用熔焊、釬焊、熱噴涂、噴熔等方法在工件表面堆敷一層具有特定性能材料的工藝過程。堆焊包括硬質(zhì)堆焊和金屬噴涂，前者指利用熔化技術(shù)使金屬表面熔敷上另外一層金屬，后者則是將微細(xì)的金屬顆粒沉積到金屬表面[5]。堆焊法不能復(fù)合兩種熔點相差太大的材料，也不能復(fù)合焊接時產(chǎn)生脆性金屬間化合物的材料，此外，進(jìn)行大面積堆焊時的成本較高。

3 工業(yè)應(yīng)用

3.1 石油天然氣輸送用復(fù)合鋼管

油氣田經(jīng)過上百年的開采和使用，易于開發(fā)的油氣資源越來越少，對于強(qiáng)腐蝕油氣田的開采，傳統(tǒng)材料已經(jīng)難以滿足油氣田發(fā)展的需要，例如：在海洋油氣田開采過程中，由于腐蝕引起管壁整體或局部變薄，使管壁強(qiáng)度降低或發(fā)生應(yīng)力集中，嚴(yán)重時造成管壁穿孔或破壞，導(dǎo)致海底管線不能正常輸送，甚至因原油泄漏導(dǎo)致海洋環(huán)境的污染[10]。相對于使用耐蝕合金鋼管或在常規(guī)管道中加緩蝕劑，采用雙金屬復(fù)合管具有明顯的性價比和環(huán)保效益。

3.2 煉化換熱器用復(fù)合鋼管

石油和天然氣中含有多種硫化物，在煉制加工過程中，會引起設(shè)備發(fā)生多種形式的破壞。按照環(huán)境溫度不同，破壞機(jī)理可分為90 ℃以下的硫化物應(yīng)力腐蝕和高溫H2S、CO2一般性腐蝕，這兩種腐蝕常發(fā)生在煉油裝置的冷凝器和冷卻器中，導(dǎo)致?lián)Q熱器鋼管表面產(chǎn)生腐蝕麻坑，甚至腐蝕穿孔，大大降低設(shè)備的運行周期。采用0Cr18Ni9、0Cr19Ni9、0Cr18Ni9Ti、304、304L、316、316L等材質(zhì)襯管制造的復(fù)合管換熱器，在不同的酸性介質(zhì)中，均有良好的耐蝕性能，同時具有很好的高溫抗氧化性、熱強(qiáng)性，在煉化換熱器中得到了廣泛應(yīng)用。

3.3 工礦物料輸送用復(fù)合鋼管

采用管道輸送物料具有高效、節(jié)能、污染小、損耗低等優(yōu)點，隨著輸送物料種類增多，輸送距離增長，輸送量增加，管道輸送行業(yè)對管道材料的要求越來越高，希望有多種管道材料供輸送不同性質(zhì)的物料時選用。雙金屬復(fù)合管可根據(jù)輸送物料的理化性質(zhì)和工況條件，選擇不同的材料組合，從而使材料發(fā)揮最大的潛能，例如：對于磨損性強(qiáng)的粉狀物料，如礦粉、氧化鋁粉等可采用耐磨合金襯管與普通碳鋼管進(jìn)行復(fù)合，使耐磨性提高；對于水煤漿、泥漿等腐蝕性強(qiáng)的泥料，可采用耐蝕合金襯管與普通碳鋼管復(fù)合[11]，使耐蝕性提高。

3.4 鍋爐用復(fù)合鋼管

高壓鍋爐管使用時經(jīng)常處于高溫和高壓條件，鋼管在煙氣和水蒸氣的作用下，會發(fā)生氧化和腐蝕，因此要求鋼管具有較高的持久強(qiáng)度、優(yōu)異的抗氧化腐蝕性能和良好的組織穩(wěn)定性。目前，兼具性能和成本優(yōu)勢的雙金屬復(fù)合管已在鍋爐中得到了大量應(yīng)用。例如：超超臨界鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽，要求過熱器用鋼管具有耐650℃、35 MPa蒸汽條件下的高溫強(qiáng)度，優(yōu)良的外表面耐高溫腐蝕能力和內(nèi)表面耐水蒸氣氧化性能等特性，瑞典Sandivik公司據(jù)此開發(fā)了由碳鋼作為基管，奧氏體超低碳不銹鋼Sanicro28作為襯管的鍋爐用雙金屬復(fù)合鋼管[12]。此外，雙金屬復(fù)合管還在燃油鍋爐煙氣余熱回收、堿回收鍋爐中得到了應(yīng)用。

3.5 海水淡化用復(fù)合管

海水是具有高鹽量、導(dǎo)電性和生物活性的腐蝕性電解質(zhì)溶液，所以海水淡化裝置的取水管道或者海水熱交換器用管一般要選用銅合金、鈦及其合金、特種不銹鋼、鋁合金等耐海水腐蝕合金材料。目前，國內(nèi)一些公司已經(jīng)開發(fā)出了襯管為鈦管、基管為普通碳鋼或合金鋼的海水淡化專用復(fù)合管，取得了良好的效果。

4 綜合性能

雙金屬復(fù)合管在耐蝕性能方面與整體耐蝕合金管基本相同，強(qiáng)度不亞于碳鋼或低合金管；與普通鋼管相比，雙金屬復(fù)合管價格為其兩倍，但使用壽命卻達(dá)到其4～6倍，雙金屬復(fù)合價格比整體耐蝕合金管低50%以上，并且力學(xué)性能也優(yōu)于不銹鋼等耐蝕管。隨著雙金屬復(fù)合管在油氣輸送管道中的用量越來越大，其卓越的綜合性能得到了越來越顯著的體現(xiàn)，表1是國內(nèi)某廠對應(yīng)用在石油天然氣行業(yè)中的管道從承壓能力、耐腐蝕能力、焊接性能、耐高溫能力、力學(xué)性能以及價格方面所進(jìn)行的綜合比較，可以看出，雙金屬復(fù)合管的綜合性能最優(yōu)，其在以上各個方面都具有很大的優(yōu)勢，其在石油天然氣管道中具有很強(qiáng)的競爭力。

表1 雙金屬復(fù)合管與其他管道的綜合性能比較

注：2分—優(yōu)，1分—中，0分—差

對于集輸管線，相關(guān)文獻(xiàn)[13]以徐深1集氣站環(huán)境為基礎(chǔ)(氣井CO2分壓為0.648 MPa)，對碳鋼加腐蝕裕量(A)、碳鋼加緩蝕劑(B)、耐蝕合金(C)和雙金屬復(fù)合管(D)四種防腐措施進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)對比分析，結(jié)果見表2。表2中的結(jié)果表明，在氣井開發(fā)年限中，當(dāng)腐蝕速率超過0.45 mm/a時，采用316L雙金屬復(fù)合管為最經(jīng)濟(jì)的防腐措施。

5 結(jié)束語

目前，國內(nèi)外已形成了多種雙金屬復(fù)合管的生產(chǎn)工藝，這些生產(chǎn)工藝即包括傳統(tǒng)的旋壓法、擠壓法、堆焊法、爆炸焊法等，也包括最新發(fā)展起來的的電磁成型法、離心鋁熱劑法。這些方法各有優(yōu)劣，同時襯管材料也多種多樣，用戶應(yīng)根據(jù)服役工礦需要、工廠現(xiàn)有設(shè)備及技術(shù)條件進(jìn)行合理的選擇。雙金屬復(fù)合管以其優(yōu)越的力學(xué)性能，良好的耐腐蝕性能，未來必將在石油、石化、核工業(yè)、醫(yī)藥、食品加工等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用和穩(wěn)步的發(fā)展。

表2 幾種不同防腐措施的經(jīng)濟(jì)性比較

[1] 凌星中．冶金結(jié)合復(fù)合鋼管研制和應(yīng)用[J]．焊管，2006，29(1)：42-79．

[2] 張立君，張燕飛，郭崇曉．2205雙相不銹鋼雙金屬復(fù)合管焊接工藝研究[J]．焊管，2009，32(4)：30-34．

[3] 李發(fā)根，魏 兵，邵曉東，等．高腐蝕性油氣田用雙金屬復(fù)合管[J]．油氣儲運，2010，29(5)：359-362．

[4] 郭崇曉，張燕飛，吳 澤．雙金屬復(fù)合管在強(qiáng)腐蝕油氣田環(huán)境下的應(yīng)用分析及其在國內(nèi)的發(fā)展[J]．全面腐蝕控制，2010，24(2)：13-17．

[5] 張寶慶．雙金屬復(fù)合管的制造技術(shù)淺析[J]．機(jī)電工程技術(shù)，2009，38(3)：106-108．

[6] 涂厚道，周慶生，王先進(jìn)．復(fù)合管生產(chǎn)綜述[J]．焊管，1996，19(6)：5-9．

[7] 陳海云，曹志錫．雙金屬復(fù)合管塑性成型技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展[J]．化工設(shè)備與管道，2006，43(5)：16-21．

[8] 趙衛(wèi)民．金屬復(fù)合管生產(chǎn)技術(shù)綜述[J]．焊管，2003，26(3)：10-14．

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[10] 周聲結(jié)，郭崇曉，張燕飛．雙金屬復(fù)合管在海洋石油天然氣工程中的應(yīng)用[J]．中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011(11)：115-116．

[11] 於 方，秦建平．雙金屬管在管道輸送中的應(yīng)用[J]．鋼管，2000，29(1)：34-36．

[12] 邢 娜，黃 寶，何立波．超臨界超超臨界鍋爐管品種的開發(fā)現(xiàn)狀[J]．特殊鋼，2016，37(1)：17-21．

[13] 傅廣海．徐深氣田CO2防腐技術(shù)分析[J]．油氣田地面工程，2008，27(4)：66-67．

Production Technology and Application of CRA Clad or Lined Pipe

NIE Xianghui, LI Liang, LIU Yinglai, WANG Chang′an, WANG Gaofeng

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China)

The structures features of CRA clad or lined pipe are introduced and the main production technologies are presented. The advantages and disadvantages of the various production technologies are comparatively analyzed. Besides, the applications of CRA clad or lined pipe are described. The inferiorities of traditional pipe and superiorities of CRA clad or lined pipe in the different fields are analyzed as well. Based on corrosion resistance, welding performance, heat resistant property, mechanical property and cost price, the CRA clad or lined pipe, carbon steel pipe and CRA pipe are made a comprehensive comparison. The application prospect of CRA clad or lined pipe in the future is also described. Meanwhile, it is pointed out that the choice of liner material and production technologies should be based on working condition, facility in the mill and technical condition.

CRA clad or lined pipe; backing steel; liner; corrosion resistant alloy

聶向暉，男，1972年生，高級工程師，2009年畢業(yè)于北京科技大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事石油管材技術(shù)服務(wù)工作。E-mail：niexh@cnpc.com.cn

TG376.9

A

2096-0077(2017)01-0014-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.003

2016-05-20 編輯：葛明君)