金属复合管生产技术综述赵 卫 民(石油大学机电工程学院 )摘 要 对金属复合管的生产技术进行了比较全面的介绍 ,指出不论是传统的轧制、挤压、堆焊等方法 ,还是新型的离心铸造、热剂焊或电磁压接方法 ,都各有优缺点 ,应根据覆层材料和服役环境等具体情况选择合适的制造方法。关键词 金属复合材料 复合管 生产 技术 方法0 前 言复合管由两种或两种以上不同材料构成 ,管层之间通过各种变形和连接技术形成紧密结合。一般设计原则是基材满足管道设计允许应力 ,合金抵抗腐蚀或磨损等1。 复合管利用了基材和覆层金属的最佳性能 ,相对于整体合金管能有效降低成本 ,而且在对整体合金管具有应力腐蚀开裂敏感性的氯化物和 (或 )酸性环境中复合管可以提高安全性和可靠性 ,因此已经在腐蚀性较强的石油、石化企业、核工业以及医药、食品加工等领域获得广泛认同。 制约复合管应用和发展的主要因素是复合层质量和生产成本 ,而生产成本与材料成本和施工效率有关 ,一般应根据使用要求选择合适的覆层材料和生产方法。 在生产实践中 ,最早应用的制作方法是轧制、堆焊 ,之后出现了爆炸焊2,现在可选择的方法则更多 ,主要有轧制、铸造、挤压、钎焊、焊接和电磁压接等。 以下对复合管各种生产方法的特点和应用范围进行了全面介绍 ,提出了各种方法存在的问题和发展潜力。1 冷成型法冷成型制造工艺的基本特征是将预加工好的不多; X100钢级已被一些钢厂生产出来 ,但是在设计、焊接等方面还需进一步研究、完善; X120钢级只是限于个别厂家 ,还处于摸索阶段。参考文献1 Phil Hopkins.The challenges for frontier pipeline pro- jects. Pipe Dreamer s Conference, Yokohama, 2002. 3 32 2 新日本制铁株式会社. 近年管线用钢的特性及其生产 技术的发展 , 1993 3 Alan Glover.Application of grade550and grade690in arctic climates. Pipe Dreamer s Conference, Yokohama, 2002. 33 52 4 中国石油物资装备 (集团 )总公司 .欧洲油气输送管道 用螺旋焊埋弧焊管制造技术考察报告 . 2001 5 Hillenbrand I H G.Production and service behavior of high- strength large- diameter pipe. Pipe Dreamer s Conference,Yokohama, 2002. 203 216 6 Hammond J et al. Challenges of girth welding X100linepipe for gas pipelines.Pipe Dreamer s Conference, Yokohama, 2002. 931 955 7 Schwinn V et al.Production and progress of plates for pipes with strengthlevel of X80 and above. Pipe Dreamer s Conference,Yokohama, 2002. 339 345 8 Basanti L et al. From X80 to X100 : know - how reached by EN I group on high strength steel.Pipe Dreamer s Conference, Yokohama, 2002. 231 244 9 Fairchild D P.High strength steels-beyond X80.Pipe Dreamer s Conference, Yokohama, 2002. 307 321 10 Takeuchi Izumi.The prospect of high-grade steel pipe for gas pipelines. Pipe Dreamer s Conference, Yokohama, 2002. 185 202作者 黄开文 ,男 , 1971年生 ,毕业于北京科技大学材料科学与工程学院材料加工专业 ,硕士、工程师。 从事管线工程以及钢材进口业务。 通讯地址: 北京市西城区鼓楼外大街 5号 中国石油物资装备 (集团 )总公司 邮政编码: 100029 电话: 010-62096745(收稿日期: 2003-01-13)10焊管 第 26卷第 3期 2003年 5月薄壁不锈钢管套入碳钢管中 ,然后通过机械方法使不锈钢管紧紧贴合在碳钢内壁上。 薄壁不锈钢管有两种获得途径: 一种是通过选择合适规格的无缝不锈钢管 ,通过旋压的方法使之变薄 ,达到要求的外径和厚度;一种是用薄的不锈钢板或钢带在专用的制管机上用 TIG焊接成直缝或螺旋缝不锈钢管。 采用拉拔、胀接、旋压和滚压等方法使不锈钢管紧紧贴合在碳钢内壁上 ,其中拉拔和胀接最为常用。拉拔是取两根分别制成的无缝钢管 ,将一根套在另一根外面 ,然后将两管通过一模具同时进行拉拔 ,从而实现紧配合的机械结合。 这种管的优点是生产工艺比较简单 ,价格较便宜。 缺点是界面非扩散结合 ,只是依靠对外层进行的冷加工来获得紧配合 ,因此冷加工复合管如果遭遇高温就有分层倾向 ,复合管会因应力释放而失效。这就限制了该冷加工管只能在较低温度的环境中使用3。胀接分机械胀接和液压胀接两种。 机械胀接4是目前生产不锈钢复合管的一种主要方法 ,它是利用滚胀心轴回转挤压使复合管内管发生塑性变形 ,外管发生弹性变形 ,从而使复合管的外管对内管产生残余应力 ,以达到复合管内外壁的紧密贴合。 液压胀接原理与机械胀接相同 ,只是用管内高压水施压代替滚胀心轴回转挤压。 机械胀接时胀接力大小难以确定 ,易发生欠胀或过胀 ,且多次滚胀易造成衬里开裂。 液压胀接时胀接力均匀且大小可进行计算5,因此更具优越性。两种胀接法的共同缺点是内外层只是机械结合 ,和拉拔成型一样 ,在高温环境下会因产生应力松弛而分层失效。2 热成型法热成型制造工艺包括热轧和热挤压两种方法 ,前者主要适用于有缝复合管的生产 ,后者适用于无缝复合管的生产。轧制是一种传统的制备复合金属的方法。 热轧复合实质上属于压力焊2,如果变形量足够大 ,轧辊施加的压力就会破坏金属表面的氧化膜 ,使表面达到原子接触 ,从而使两表面焊在一起6。轧制的优点是生产率高、质量好、成本低 ,并可大量节省金属材料的损耗7,因此是目前应用极为广泛的复合材料生产技术。 轧制结合的复合材料占复合板总产量的 90 % ,而且经常应用于壁厚小于32 mm的管材的加工1。 轧制的缺点是一次性投资大 ,而且很多材料组合不能通过轧制复合实现2。 目前应用最广泛的还是利用轧制工艺进行碳钢 / 不锈钢有缝复合管的制造。热挤压一般是针对双金属管坯进行的 ,称为复合挤压 (co-extrude)。复合挤压目前是生产不锈钢 和高镍合金无缝复合管的最好方法 (见图1) 3,日本制钢所利用这种方法生产 8 in( 203. 2mm)以下的双金属复合管。 它是将两种以上的金属组成的一大直径复合坯料加热到 1 200 左右 ,然后挤过由模具和心轴形成的环状空间。 当挤压坯料截面缩减到 10 1时 ,高的挤压压力和温度会在界面处产生“压力锻”的焊接效应 ,促进界面间的快速扩散和广泛结合 ,成品为冶金结合的复合挤压管。 挤压前的复合层制造方法有三种: 由锻造坯料通过热刺孔和放大挤压获得;直接离心旋铸;用耐蚀粉末颗粒。 也有内外两种金属原材料均采用粉末的 ,称为“ NUVAL”工艺8,可以开发新型合金 ,但粉末制备成本太高。 复合挤压的优点是: 界面为冶金结合;挤压过程中涉及的力完全是压应力 ,因此特别适合于热加工性不好、塑性低的高合金金属的加工。 缺点是由于结合决定于挤压过程中极短时间内的元素界面扩散 ,通常会因氧化物膜的存在而受到影响 ,因此目前复合挤压仅限于碳钢、不锈钢和高镍合金间的复合。 需要指出的是 ,热挤压的变形抗力小 ,允许每次变形程度大 ,导致表面粗糙度较高7,因此也有先热挤压再进行冷拉拔制造复合管的方法9。图 1 复合挤压管的生产3 离心铸造和离心铝热剂法当应用液态金属进行表面堆敷时 ,采用离心技术可消除复合层容易出现的气孔和夹杂。 这时 ,11第 26卷第 3期 赵卫民: 金属复合管生产技术综述熔化金属中密度低的渣、杂质和气体上升到表面 ,而较重的金属成分下沉 ,在管壁上形成一致密层 ,从而提高熔敷质量和再现性。离心铸造是为适应海洋油气的生产而开发的 ,适用于制造内衬金属熔点低于外层金属熔点的复合管。 Yoshitake和 Torigoe介绍了外层金属为 API 5L X52到 X65钢、内部复合 825和 625合金的复合管的生产10,衬层和基体均采用液态金属。 首先 ,将制外管的钢液引入一旋转金属模 ,在外管凝固过程中监测管内温度。 外管凝固并达到一定温度时 ,浇入 825或 625等耐蚀合金制内层。 通过控制铸造条件并选择适当焊剂 ,可以生产出牢固的冶金结合的双金属管。 如果想在成品管的内壁上离心铸造内衬 ,则可采用另外一种工艺11。 基材通常为低碳钢、低合金钢。首先 ,内衬合金以粉末、颗粒或短棒形式加入管内 ,并沿长度均匀分布。 使用粉末或颗粒时 ,还需采用一种合适的焊剂以避免原料氧化 ,如铸造 Fe- B和 Ni- B合金通常用硼砂、氟硼酸钾、硼酸以正确比例混合而成的物质作焊剂。 加入合金成分后 ,管端要封盖以防止内衬合金在加热、熔化和旋铸过程中甩出。采用粉末材料时 ,还要进行部分抽真空和氩气驱气。将管体在炉内加热到内衬合金熔点以上 50 100 。采用电加热时 ,可采用两种加热方式: 一种是感应线圈沿管长移动 ,一种是线圈不动、管移动。 不管哪种方式 ,管体都要缓慢旋转以实现均匀加热。 管体达到合适的铸造温度后 ,放到水冷旋转辊上高速旋转。 在加热和过热阶段 ,有少量的基材熔在熔化的合金内 ,从而形成极佳的冶金结合。离心铸造后 ,缓冷以避免由于热应力或相变引起的应力导致内衬开裂。 离心铸造的优点是铸件结晶细密、铸造缺陷少 ,机械性能好 ,结合面牢固。 缺点是铸出的内孔不准确 ,内表面质量较差 ,不过一般能满足普通管道的使用要求12。离心铝热剂法13 14又称为 SHS- 离心法 ,实质是在离心力场中引起铝热反应。 可以利用它制备耐蚀耐磨涂层 ,也可以对安全性要求苛刻的工程组件进行快速焊接。管道复合时 ,先将金属铝粉和其它金属氧化物粉末混合均匀 ,浇入管内 ,然后将管子旋转 ,在离心力作用下 ,粉末如液体一样流动 ,在整个内表面形成一均匀涂层。 点燃后 ,放热反应在几秒钟内就可达到焊接或堆敷的温度。 反应产生的过热熔化金属温度很高 ,钢可达到 2 5002 960 ,与基底接触的涂层熔化 ,这些涂层与管基体接合形成冶金结合的堆敷层。 此工艺具有极为显著的特点: 效率极高 ,可在 4 20 s内堆敷 2 10 kg的粉末;建立和运转比较便宜。 仅需一台车床就可将试验管旋转到合适速度 ,放热点燃只需一个焊炬 ;不需要附加能源。 铝和氧之间的强烈放热反应是自身存在的 ,不需附加能源 ,这减小了操作成本 ,而且可以在厂区外使用 ,也可在太空和水下应用 ;可获得各种成分的包覆层。正因为如此 ,耐腐蚀钢铁陶瓷复合管的生产曾被列入国家“ 863 ”项目 ,但此法在国内的研究也仅限于此。4 爆炸焊成型法爆炸焊是依靠炸药爆炸产生连接金属所需的压力 ,使两搭接表面实现固相焊接的方法9, 15,广泛用于生产各种复合板 ,基体的两侧都可以进行复合。 很多情况