國(guó)內(nèi)外雙金屬?gòu)?fù)合管研究現(xiàn)狀*

王 純，畢宗岳,，張萬(wàn)鵬，楊耀斌，韓茈晨

（1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710065；2.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古 烏審旗017300）

國(guó)內(nèi)外雙金屬?gòu)?fù)合管研究現(xiàn)狀*

王 純1，畢宗岳1,2，張萬(wàn)鵬2，楊耀斌2，韓茈晨3

（1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710065；2.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古 烏審旗017300）

介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外雙金屬?gòu)?fù)合管的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管的不同制造工藝進(jìn)行了介紹，并對(duì)比分析了其優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管的主要應(yīng)用情況進(jìn)行了分析說(shuō)明，并提出了復(fù)合管的相關(guān)制造標(biāo)準(zhǔn)。指出國(guó)內(nèi)雙金屬?gòu)?fù)合管應(yīng)在復(fù)合工藝、高效生產(chǎn)及檢測(cè)技術(shù)方面進(jìn)行完善和改進(jìn)，同時(shí)應(yīng)建立適合雙金屬?gòu)?fù)合管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的耐蝕性能評(píng)價(jià)體系，才能得到更大范圍的推廣和應(yīng)用。

復(fù)合管；雙金屬；復(fù)合工藝

雙金屬?gòu)?fù)合管由兩種不同金屬材料構(gòu)成，以碳素鋼管或合金鋼管為基管，在其內(nèi)表面覆襯一定厚度的不銹鋼、鎳基合金等耐蝕合金的復(fù)合管，管層之間通過(guò)各種變形和連接技術(shù)形成緊密結(jié)合，從而使兩種材料結(jié)合成一體，制成一種新型金屬?gòu)?fù)合管材。其一般設(shè)計(jì)原則是基材滿足管道設(shè)計(jì)許用應(yīng)力，復(fù)層耐腐蝕或磨損等。雙金屬?gòu)?fù)合管兼有基層和復(fù)層的所有優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于整體合金管能有效降低成本，針對(duì)整體合金管具有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的氯化物或酸性環(huán)境，復(fù)合管可以提高安全性和可靠性。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境介質(zhì)的復(fù)雜化以及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的加劇，許多行業(yè)對(duì)金屬管材綜合性能的要求越來(lái)越高，因而雙金屬?gòu)?fù)合管及其生產(chǎn)技術(shù)得到迅速發(fā)展，在石油、化工、核電、輕工和機(jī)械工程等行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

1 雙金屬?gòu)?fù)合管的發(fā)展現(xiàn)狀

對(duì)于強(qiáng)腐蝕、高磨損、高工作壓力環(huán)境下使用的流體管道，通常采用高品質(zhì)的不銹鋼或高合金含量的無(wú)縫鋼管，這類管材由于大量添加合金元素，其價(jià)格是普通無(wú)縫鋼管的幾倍或幾十倍。多年來(lái)，管材用戶和生產(chǎn)商一直在努力尋求通過(guò)不同金屬的復(fù)合，從而獲得一種既能滿足苛刻的使用環(huán)境又價(jià)廉物美的高性能復(fù)合管材。

雙金屬?gòu)?fù)合管能最大限度地實(shí)現(xiàn)材料的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，節(jié)省合金元素，降低工程費(fèi)用，在保證原基管各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)上，提高管道的耐腐蝕性、耐磨性，延長(zhǎng)管道的使用壽命，是純不銹鋼管、銅管或其他耐腐蝕性合金管的替代產(chǎn)品。

由于復(fù)合鋼管具有優(yōu)良的綜合性能，因此自20世紀(jì)60年代起，日本、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和前蘇聯(lián)等國(guó)家都很重視復(fù)合鋼管的開(kāi)發(fā)及使用，從生產(chǎn)工藝、使用性能、檢驗(yàn)方法等方面進(jìn)行了大量的研究。目前，國(guó)外雙金屬?gòu)?fù)合鋼管的生產(chǎn)工藝已日趨完善，日本、美國(guó)、英國(guó)、瑞典、德國(guó)等國(guó)家處于領(lǐng)先水平。復(fù)合管已經(jīng)在腐蝕性較強(qiáng)的石油、石化行業(yè)、核工業(yè)以及醫(yī)藥、食品加工等領(lǐng)域獲得廣泛認(rèn)同，也可通過(guò)內(nèi)層復(fù)合耐磨金屬，從而滿足電廠粉煤、礦山礦粉和尾礦漿輸送等高磨損工作環(huán)境的要求。而國(guó)內(nèi)起步較晚，技術(shù)水平相對(duì)落后。

在國(guó)外，復(fù)合管是近10年發(fā)展較快的一種工程管道，品種、功能繁多，性能優(yōu)越，形成了比較成熟的工藝技術(shù)，并且已經(jīng)投產(chǎn)。主要的工藝方法包括熱軋復(fù)合方法、熱擠壓復(fù)合法、鑄造復(fù)合方法、爆炸焊接復(fù)合方法、組合式雙金屬?gòu)?fù)合管生產(chǎn)方法、激光包覆法等。在技術(shù)開(kāi)發(fā)方面日本后來(lái)居上。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，日本在20世紀(jì)80年代初就陸續(xù)研制和開(kāi)發(fā)了多種復(fù)合工藝。其中典型的熱軋或熱軋+冷成型工藝可以實(shí)現(xiàn)包覆材料與基材界面的冶金結(jié)合，質(zhì)量?jī)?yōu)良。其產(chǎn)品廣泛用于石油、化工及天然氣工業(yè)等行業(yè)。

2 雙金屬?gòu)?fù)合管制備方法的研究概況

目前雙金屬?gòu)?fù)合管的生產(chǎn)方法主要包括冷成型法、熱成型法、離心鑄造法[3]、離心鋁熱劑法[4]、爆炸焊成型法、電磁成型法等。

2.1 冷成型法

冷成型制造工藝的基本特征是將預(yù)加工好的薄壁不銹鋼管套入碳鋼管中，然后通過(guò)機(jī)械方法使不銹鋼管緊緊貼合在碳鋼管內(nèi)壁上。

薄壁不銹鋼管有兩種獲得途徑：一種是通過(guò)選擇合適規(guī)格的無(wú)縫不銹鋼管，通過(guò)旋壓的方法使之變薄，達(dá)到要求的外徑和厚度；另一種是用薄的不銹鋼板或鋼帶在專用的制管機(jī)上用TIG焊接成直縫或螺旋縫不銹鋼管。

采用拉拔、脹接、旋壓和滾壓等方法使不銹鋼管緊緊貼合在碳鋼管內(nèi)壁上，其中拉拔和脹接最為常用。拉拔是取兩根分別制成的無(wú)縫鋼管，將一根套在另一根外面，然后將兩管通過(guò)一模具同時(shí)進(jìn)行拉拔，從而實(shí)現(xiàn)緊密配合的機(jī)械結(jié)合。

這種管的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單，價(jià)格較便宜。缺點(diǎn)是界面非擴(kuò)散結(jié)合，只是依靠對(duì)外層進(jìn)行的冷加工來(lái)獲得緊密配合，因此冷加工復(fù)合管如果遭遇高溫就有分層傾向，復(fù)合管會(huì)因應(yīng)力釋放而失效。這就限制了冷加工管的使用環(huán)境和應(yīng)用領(lǐng)域。

脹接分機(jī)械脹接和液壓脹接兩種。機(jī)械脹接是目前生產(chǎn)不銹鋼復(fù)合管的一種主要方法，它是利用滾脹芯軸回轉(zhuǎn)擠壓使復(fù)合管內(nèi)管發(fā)生塑性變形，外管發(fā)生彈性變形，從而使復(fù)合管的外管對(duì)內(nèi)管產(chǎn)生接觸壓力，以達(dá)到復(fù)合管內(nèi)外壁的緊密貼合。液壓脹接原理與機(jī)械脹接相同，只是用管內(nèi)高壓水施壓代替滾脹芯軸回轉(zhuǎn)擠壓，液壓脹合成型生產(chǎn)復(fù)合管具有很大的發(fā)展?jié)摿脱芯績(jī)r(jià)值[5]。日本已有液壓脹合成型法生產(chǎn)復(fù)合管技術(shù)的專利報(bào)導(dǎo)，但未見(jiàn)實(shí)際生產(chǎn)的信息。日本特許公報(bào)[6]“昭 58-370500”一種復(fù)合管的液壓成型裝置如圖1所示。

圖1 錐形堵頭密封脹接復(fù)合管裝置

機(jī)械脹接時(shí)脹接力大小難以確定，易發(fā)生欠脹或過(guò)脹，且多次滾脹易造成襯里開(kāi)裂。液壓脹接時(shí)脹接力均勻且大小可進(jìn)行計(jì)算，因此更具優(yōu)越性。兩種脹接法的共同缺點(diǎn)是內(nèi)外層只是機(jī)械結(jié)合，和拉拔成型一樣，在高溫環(huán)境下會(huì)因應(yīng)力松弛而分層失效。目前金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫管冷成型法大致有兩種：內(nèi)擴(kuò)脹型和外減徑型。

（1）內(nèi)擴(kuò)脹型，即：采用兩種材質(zhì)的無(wú)縫管相互穿套（如外管采用一般普碳鋼無(wú)縫鋼管，內(nèi)穿一薄壁不銹鋼管作為內(nèi)層金屬管），在內(nèi)管中施以高壓，使內(nèi)層無(wú)縫管發(fā)生塑性變形，外層無(wú)縫管僅產(chǎn)生彈性變形，從而使內(nèi)管與外管緊密結(jié)合，形成雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫管。

（2）外減徑型，即：仍采用兩種材質(zhì)的無(wú)縫管相互穿套，對(duì)外層管進(jìn)行減徑拉拔或軋制，使內(nèi)管與外管緊密結(jié)合，形成雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫管。

以上兩種工藝生產(chǎn)的復(fù)合無(wú)縫管的不足之處在于：生產(chǎn)成本高，內(nèi)外管均須采用現(xiàn)成的熱軋或冷拔無(wú)縫管，加上其后的內(nèi)脹或減徑工序使其制造成本大幅上升；以上兩種類型的無(wú)縫管并非完全意義上的金屬?gòu)?fù)合，兩層金屬相互間并無(wú)冶金熔合，在受軸向力的情況下內(nèi)外兩層金屬難以傳遞和均衡外力，在需要熱傳遞的應(yīng)用領(lǐng)域，由于內(nèi)外兩層金屬間存在間隙，熱阻必將大幅增加。

2.2 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)合管的生產(chǎn)，后者適用于無(wú)縫復(fù)合管的生產(chǎn)。

2.2.1 熱軋

軋制是一種傳統(tǒng)的制備復(fù)合金屬的方法。熱軋復(fù)合實(shí)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(huì)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。

優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)率高，質(zhì)量好，成本低，并可大量節(jié)省金屬材料的損耗，因此是目前應(yīng)用極為廣泛的復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)。軋制結(jié)合的復(fù)合板占復(fù)合板總產(chǎn)量的90%，而且經(jīng)常應(yīng)用于壁厚小于32 mm管材的加工。

缺點(diǎn)：一次性投資大，而且很多材料組合不能通過(guò)軋制復(fù)合實(shí)現(xiàn)。目前應(yīng)用最廣泛的還是利用軋制工藝進(jìn)行碳鋼和不銹鋼有縫復(fù)合管的制造。

2.2.2 熱擠壓

熱擠壓一般是針對(duì)雙金屬管坯進(jìn)行的，稱為復(fù)合擠壓（co-extrude）。復(fù)合擠壓目前是生產(chǎn)不銹鋼和高鎳合金無(wú)縫復(fù)合管的最好方法，日本制鋼所利用這種方法生產(chǎn)203.2mm（8in）以下的雙金屬?gòu)?fù)合管。它是將兩種以上的金屬組成的一大直徑復(fù)合坯料加熱到1 200℃左右，然后擠過(guò)由模具和芯軸形成的環(huán)狀空間，如圖2所示。當(dāng)擠壓坯料截面縮減到10∶1時(shí)，高的擠壓壓力和溫度會(huì)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)散和廣泛結(jié)合，實(shí)現(xiàn)界面的冶金結(jié)合。擠壓前的復(fù)合管坯制造方法有3種：①由鍛造坯料通過(guò)熱穿孔和放大擠壓獲得；②直接離心旋鑄；③用耐蝕粉末顆粒制成。也有內(nèi)外兩種金屬原材料均采用粉末的，稱為“NUVAL”工藝，可以開(kāi)發(fā)新型合金，但粉末制備成本太高。

圖2 雙金屬?gòu)?fù)合管的熱擠壓復(fù)合原理圖

優(yōu)點(diǎn)：界面為冶金結(jié)合；擠壓過(guò)程中涉及的力完全是壓應(yīng)力，因此特別適合于熱加工性不好、塑性低的高合金金屬的加工。

缺點(diǎn)：由于結(jié)合決定于擠壓過(guò)程中極短時(shí)間內(nèi)的元素界面擴(kuò)散，通常會(huì)因氧化物膜的存在而受到影響，因此目前復(fù)合擠壓僅限于碳鋼、不銹鋼和高鎳合金鋼間的復(fù)合。需要指出的是熱擠壓的變形抗力小，允許每次變形程度大，導(dǎo)致表面粗糙度較高，因此也有先熱擠壓再進(jìn)行冷軋（或冷拔）制造復(fù)合管的方法。

2.3 離心鑄造和離心鋁熱劑法

2.3.1 離心鑄造法

離心鑄造是為適應(yīng)海洋油氣生產(chǎn)而開(kāi)發(fā)的，適用于制造內(nèi)襯金屬熔點(diǎn)低于外層金屬熔點(diǎn)的復(fù)合管。襯層和基體均采用液態(tài)金屬，首先，將制外管的鋼液引入一旋轉(zhuǎn)金屬模，在外管凝固過(guò)程中監(jiān)測(cè)管內(nèi)溫度，當(dāng)外管凝固并達(dá)到一定溫度時(shí)，澆入耐蝕合金等內(nèi)層金屬，通過(guò)控制鑄造條件，可以生產(chǎn)出牢固的冶金結(jié)合的雙金屬?gòu)?fù)合管。

當(dāng)應(yīng)用液態(tài)金屬進(jìn)行表面堆敷時(shí)，采用離心技術(shù)可消除復(fù)合層容易出現(xiàn)的氣孔和夾雜，這時(shí)，熔化金屬中密度低的渣、雜質(zhì)和氣體上升到表面，而較重的金屬成分下沉，在管壁上形成一致密層，從而提高熔敷質(zhì)量和再現(xiàn)性。其優(yōu)點(diǎn)為：界面實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，致密度高，排渣、排氣性好；缺點(diǎn)是若沒(méi)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。另外，該方法不能生產(chǎn)外層為輕合金的復(fù)合鋼管。

2.3.2 離心鋁熱法

離心鋁熱法也稱為SHS（self Propagating high temperature synthesis）離心法。離心鋁熱法的實(shí)質(zhì)是在離心力場(chǎng)中引起鋁熱反應(yīng)，所謂鋁熱反應(yīng)就是金屬鋁粉和其他金屬氧化物粉末均勻的混合在一起，通過(guò)點(diǎn)燃而發(fā)生的非常迅速的放熱反應(yīng)（MO+Al→M+Al2O3+Q）。反應(yīng)的絕熱溫度可接近2 727℃（3 000 K），因此產(chǎn)物都處于液態(tài)，在離心力作用下，密度大的產(chǎn)物如Fe、Cr、Ni等集中在靠近碳鋼鋼管內(nèi)壁處，形成內(nèi)襯金屬層；Al2O3形成最內(nèi)層殘?jiān)?，通過(guò)機(jī)械方法除去，則制備出雙金屬?gòu)?fù)合鋼管。

2.4 離心鑄造+熱擠壓（熱擠壓+冷軋）法

“離心鑄造+熱擠壓”是一種新的復(fù)合管短流程制備方法，通過(guò)離心鑄造生產(chǎn)空心復(fù)合管坯，然后加熱、熱擠壓或熱擠壓冷軋，以及后續(xù)熱處理等工序，獲得最終成品復(fù)合管。該方法有效整合了離心鑄造和熱擠壓兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，縮短了生產(chǎn)工序，并實(shí)現(xiàn)了復(fù)合界面的完全冶金結(jié)合。其獨(dú)特之處在于把初級(jí)工業(yè)材料和高技術(shù)的冶金處理過(guò)程結(jié)合起來(lái)，采用離心澆鑄工藝、熱擠壓等塑性熱復(fù)合技術(shù)和冷軋（或冷拔）生產(chǎn)方式，獲得高品質(zhì)的復(fù)合管材。

2.5 爆炸焊成型法

爆炸焊成型工藝是靠炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波，使內(nèi)管發(fā)生塑性變形，緊貼外管，從而形成復(fù)合管。利用爆炸成型，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。另外，利用爆炸焊可實(shí)現(xiàn)多種金屬間的連接，有些是采用其他方法不能實(shí)現(xiàn)的。爆燃復(fù)合是利用航天爆燃技術(shù)使基管與內(nèi)襯管緊密貼合[6]，與其他復(fù)合工藝技術(shù)相比較，爆燃復(fù)合在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例較多。

優(yōu)點(diǎn)：一次性瞬間成型，工藝簡(jiǎn)單，炸藥爆炸形成各點(diǎn)壓力基本相同。

缺點(diǎn)：由于基管內(nèi)表面和內(nèi)襯管外表面不規(guī)則，以及壁厚不均勻，形成的復(fù)合管結(jié)合力較??；界面非擴(kuò)散冶金結(jié)合，對(duì)尺寸較長(zhǎng)的復(fù)合管炸藥量很難準(zhǔn)確確定，炸藥量的控制對(duì)內(nèi)襯管充分塑性變形有一定影響，而且具有一定的危險(xiǎn)性。

2.6 粉末冶金法

在碳鋼或類似材料制成的母管與金屬薄壁管之間加入粉末充填層，管子兩端分別用底板密封，在預(yù)定的溫度下加熱，再熱擠壓成復(fù)合鋼管，最后用酸洗方法去掉底板和金屬薄壁管。根據(jù)不同的用途，復(fù)合層可為外層或內(nèi)層。

2.7 激光包覆法

用高功率激光設(shè)備對(duì)鋼管進(jìn)行外包覆。合金粉末經(jīng)自動(dòng)進(jìn)料器送到母管的激光束照射區(qū)，激光束熔化粉末和工件表面薄層后，用螺旋包覆法便可完全包覆整根鋼管，制成雙金屬?gòu)?fù)合管。

3 雙金屬?gòu)?fù)合管的應(yīng)用狀況

復(fù)合鋼管的兩種單層材料的組合方式完全取決于使用要求及其環(huán)境特征[7]，基本原則是：基層鋼管應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和剛性，價(jià)格便宜，工藝性能好；覆層鋼管則應(yīng)具有抗環(huán)境介質(zhì)的腐蝕或者抗磨損能力，覆層可以復(fù)合在基層管的內(nèi)層（內(nèi)復(fù)合管），也可以復(fù)合在其外層（外復(fù)合管）。

復(fù)合鋼管產(chǎn)品按使用性質(zhì)可分為化工用液體氣體用管、石油天然氣輸送管及油井用復(fù)合管、鍋爐用復(fù)合管、廢物焚燒爐用復(fù)合管、熱交換器用復(fù)合管、耐磨損用復(fù)合管、耐腐蝕結(jié)構(gòu)用復(fù)合管以及建筑裝潢用復(fù)合管等。

3.1 石油天然氣輸送管及油井復(fù)合鋼管

由于石油天然氣中含有大量H2S、CO2、Cl-等腐蝕介質(zhì)，所以所用管材的特點(diǎn)除了應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和剛度外，還應(yīng)具有上述介質(zhì)耐腐蝕能力。針對(duì)這些介質(zhì)，選用耐腐蝕材料是不銹鋼、Incoloy625、Incoloy825等鎳基合金。因此，作為石油天然氣輸送管道及油井用復(fù)合鋼管，通常選用上述材料作為內(nèi)層管，以保證該管道的耐腐蝕性能。而外層材料通常為 X42、X50、X60、X70、ASTM-A106GB、A335-P22等材料，以保證該管道的強(qiáng)度[8]。由這兩類材料組合成的復(fù)合鋼管亦適用于開(kāi)發(fā)地?zé)嵊玫娜∷艿?。日本、美?guó)等國(guó)對(duì)有關(guān)復(fù)合鋼管用作石油天然氣輸送管道進(jìn)行過(guò)大量研究，美國(guó)石油協(xié)會(huì)（API）已制訂出管線用復(fù)合鋼管的標(biāo)準(zhǔn)，編號(hào)為API 5LD。復(fù)合鋼管于1991年投入使用，用量逐年擴(kuò)大。

API主要品種有：①常規(guī)管線鋼與耐腐蝕不銹鋼或合金鋼的復(fù)合管；②CrMo鋼與超級(jí)13Cr、G3、825和C028等鋼復(fù)合的油井管；③16MnV或X70與各類不銹鋼、825、028等鎳基合金鋼的復(fù)合管道。

3.2 鍋爐用復(fù)合鋼管

在火力發(fā)電方面，日本、美國(guó)、歐洲等正在開(kāi)發(fā)超高溫超高壓鍋爐（即USC鍋爐）。由于鍋爐產(chǎn)生的是高溫高壓蒸汽，因此用于這種鍋爐過(guò)熱器的鋼管應(yīng)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)表面耐水蒸汽氧化性能等特性。為此，日本住友金屬公司用SUS310S、35Cr-55Ni、40Cr-55Ni材料作外層基管，用17-14CuMo和Alloy800H等材料作內(nèi)層管，以冶金結(jié)合方法開(kāi)發(fā)出超超臨界鍋爐過(guò)熱器用新型復(fù)合鋼管。該復(fù)合鋼管通過(guò)了按JIS3463（1984）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的壓扁、擴(kuò)口和彎曲試驗(yàn)，以及高溫強(qiáng)度、蠕變斷裂、時(shí)效、沖擊等高溫特性試驗(yàn)、耐硫酸腐蝕試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)。因此，認(rèn)為這種鋼管在超超臨界鍋爐過(guò)熱器上應(yīng)用是適宜的，能提高使用壽命和降低造價(jià)。

瑞典Sandvik鋼鐵公司成功開(kāi)發(fā)出由碳鋼作內(nèi)層，耐蝕性好的Sanicro28鋼（27%Cr、31%Ni、3.5%Mo的奧氏體超低碳不銹鋼）作外層管，通過(guò)冶金結(jié)合制成的復(fù)合鋼管，在鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上無(wú)需任何變更，可直接使用。

3.3 化工液化氣體管道用復(fù)合鋼管

作為化工用耐腐蝕輸送管道，除了應(yīng)具備特殊的耐介質(zhì)腐蝕外，還應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和剛度，因此這類復(fù)合鋼管用的基層材料通常是碳素鋼、低合金鋼或耐蝕鋼，而其覆層根據(jù)耐蝕介質(zhì)的不同可選用不銹鋼、銅及其合金，以及鈮、鉭和鈦等。例如石油化工用冷凝器管、凈化用冷凝器管，石油精煉用高溫冷凝器和高溫反應(yīng)氣體冷卻器管、苯冷凝器用低碳鋼（或耐蝕鋼）與黃銅組成的復(fù)合鋼管。氨冷凝器、氨致冷機(jī)、海水冷卻器、表面冷凝器以及制取CO用管道可用低碳鋼與銅合金組成的復(fù)合鋼管。日本和英國(guó)在該領(lǐng)域使用復(fù)合鋼管比例較大。

3.4 廢物焚燒爐用復(fù)合鋼管

自20世紀(jì)60年代中期，廢物焚化爐一直受到鋼管壽命的困擾，如果僅用CrMo低合金鋼作鋼管，不采取任何保護(hù)措施，鋼管的使用壽命不到6個(gè)月。奧氏體不銹鋼和鎳基合金具有良好的耐蝕性，但是用它作過(guò)熱器，鍋爐水可能會(huì)引起應(yīng)力腐蝕裂紋的危險(xiǎn)[9]。因此選用復(fù)合鋼管作焚燒爐過(guò)熱器管較理想，其外層基管可選用具有耐焚燒高溫以及耐腐蝕氣氛的材料，如Sanicro65合金（21%Cr、8.5%Mo、Ni基)，而內(nèi)層材料可選用具有耐應(yīng)力腐蝕裂紋的碳鋼或鉻鉬鋼。由這兩種材料匹配并用冶金結(jié)合方法制成的復(fù)合鋼管具備焚化爐過(guò)熱器的使用要求，而且還具有較低的熱膨脹系數(shù)，工作時(shí)熱應(yīng)力較低，具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，使焚化爐過(guò)熱器的熱效率較高，這是以往開(kāi)發(fā)的防護(hù)措施所不及的。因此，歐洲、美國(guó)等自1971年安裝第一臺(tái)復(fù)合管焚燒爐過(guò)熱器和水冷壁用管以來(lái)，已使用了200萬(wàn)m復(fù)合鋼管（1985—1987年報(bào)道數(shù)據(jù)），并已有超過(guò)10年的實(shí)際使用業(yè)績(jī)。

3.5 熱交換器用復(fù)合鋼管

作為熱交換器用復(fù)合鋼管，除應(yīng)具有一定的強(qiáng)度和耐蝕性外，其兩層鋼管的接觸界面應(yīng)達(dá)到完全冶金結(jié)合，以獲得較好的導(dǎo)熱性。瑞典Sandvik鋼鐵公司選用高合金鎳鉻鋼UNS N08800（合金800）作內(nèi)管，以低合金鋼或普通鍋爐用鋼ASTM A213Ti2（13CrMo44）作外管生產(chǎn)復(fù)合鋼管。使用結(jié)果表明，該復(fù)合管具有很好的導(dǎo)熱性能以及優(yōu)異的內(nèi)外耐腐蝕性能，而且保持了低合金鋼良好的加工性能。日本NKK公司選用API 5L-16MnV鋼作外層，選用NIC42鋼作內(nèi)層制成復(fù)合鋼管，其力學(xué)性能達(dá)到API 5L-16MnV技術(shù)要求，界面結(jié)合剪切強(qiáng)度達(dá)到400 MPa以上。對(duì)復(fù)合鋼管還進(jìn)行過(guò)點(diǎn)蝕試驗(yàn)、晶間腐蝕試驗(yàn)及應(yīng)力腐蝕裂紋試驗(yàn)，均得到了滿意的結(jié)果。

3.6 耐磨損用復(fù)合鋼管

耐磨損用復(fù)合鋼管用于電廠粉煤、礦山礦粉和尾礦漿輸送等高磨損工作環(huán)境。日本山陽(yáng)特殊鋼公司用SUS316L耐蝕鋼作外層，用司太立No.12耐磨合金作內(nèi)層，制成復(fù)合鋼管，用于制造工程塑料用顆粒的氣力輸送管道（如果僅用SUS304L不銹鋼作氣力輸送用管，其壽命僅為1周左右），使用4年后測(cè)量其內(nèi)側(cè)的磨損量仍在測(cè)量誤差范圍內(nèi)（約0.1 mm左右）。這種復(fù)合鋼管在其他微粉顆粒的氣力輸送管道上也得到了很好的應(yīng)用，其需求量正在逐漸增加。

3.7 海水管道用復(fù)合鋼管

海水淡化裝置的取水管道或者海水熱交換器用管可選用由耐海水腐蝕材料（如鎳、鈦、不銹鋼或銅合金）作內(nèi)襯管，以碳鋼或低合金耐蝕鋼作外層基管組成的復(fù)合鋼管。日本川崎制鋼和日本鋼管公司生產(chǎn)的海水管道用復(fù)合鋼管廣泛用作海水熱交換器用管和海水淡化裝置的取水管道。

4 復(fù)合管的制造標(biāo)準(zhǔn)

4.1 復(fù)合管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

目前，有關(guān)復(fù)合管制造的標(biāo)準(zhǔn)有：美國(guó)石油學(xué)會(huì)的API 5LD《Specification for CRA Clad or Lined Steel Pipe》[10]； SY/T 6623—2005《內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金鋼管》[11]（等同采用API 5LD）；挪威船級(jí)社的 DNVOS F101《Submarine Pipeline Systems》[12]。 作為陸地石油、天然氣管線和海洋復(fù)合管管線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，前者為雙金屬?gòu)?fù)合管的專有標(biāo)準(zhǔn)，API 5LD涵蓋了兩種類型的復(fù)合管，包括機(jī)械復(fù)合管和冶金復(fù)合管，涵蓋了眾多制造方法，熱軋復(fù)合、堆焊、粉末冶金復(fù)合和爆炸復(fù)合等；后者部分涉及到了雙金屬?gòu)?fù)合管。

4.2 復(fù)合管外碳鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)

目前，復(fù)合管外碳鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)有：API 5L《Specification for Line Pipe》；EEMUA 166《Specification for Line Pipe for Offshore Pipelines（Seamless or Submerged ARC Welded Pipe）》。

4.3 復(fù)合管內(nèi)襯管制造標(biāo)準(zhǔn)

目前，復(fù)合管內(nèi)襯管制造標(biāo)準(zhǔn)有：API 5LC《Specification for CRA Line Pipe》；GB/T 12771《流體輸送不銹鋼焊接鋼管》（等同采用API 5LC）。

5 結(jié) 語(yǔ)

雙金屬?gòu)?fù)合管綜合了強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐磨性等優(yōu)良的特性。對(duì)于有些特殊使用場(chǎng)合，如果單層金屬管難以承擔(dān)，則可通過(guò)選擇適合的金屬管進(jìn)行匹配，組合成復(fù)合管來(lái)適應(yīng)特殊使用要求。另外，復(fù)合鋼管既可節(jié)約貴重金屬，又可節(jié)省投資。因此，復(fù)合鋼管作為一種價(jià)廉物美的新型結(jié)構(gòu)材料，受到各國(guó)石油、化工、造船、能源、機(jī)械制造和其他工業(yè)部門(mén)的廣泛關(guān)注。

雙金屬?gòu)?fù)合管在油氣工業(yè)的石油產(chǎn)品輸送、煉化行業(yè)應(yīng)用逐漸推廣，并獲得了較好的評(píng)價(jià)。國(guó)內(nèi)雙金屬?gòu)?fù)合管研究和應(yīng)用較晚，雖然國(guó)內(nèi)已有部分油氣田使用，但是應(yīng)用技術(shù)尚不完善，在復(fù)合工藝、高效生產(chǎn)及檢測(cè)技術(shù)方面與國(guó)外相比仍有較大的差距，同時(shí)也缺乏適合于雙金屬?gòu)?fù)合管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的耐蝕性能評(píng)價(jià)體系。隨著國(guó)內(nèi)雙金屬?gòu)?fù)合管道在一些油氣田的成功應(yīng)用，通過(guò)彌補(bǔ)不足并加以改進(jìn)，雙金屬?gòu)?fù)合管才能得到更大范圍的推廣應(yīng)用。

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［10］ API 5LD—1998,Specification for CRA Clad or Lined Steel Pipe[S].

［11］SY/T 6623—2005，內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金鋼管[S].

［12］ DNVOS－F101—2007,Submarine Pipeline Systems[S].

Research Status on Double-metal Composite Pipe at Home and Abroad

WANG Chun1， BI Zongyue1,2， ZHANG Wanpeng2， YANG Yaobin2， HAN Zichen3
（1.School of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China;2.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，Shaanxi，China；3.PetroChina Changqing Oilfield Company Third Gas Production Plant,Wushen Banner 017300,Inner Mongolia,China）

In this article,it introduced the developing status of double-metal composite pipe at home and abroad,mainly introduced the manufacturing technique,and contrastively analyzed the advantages and disadvantages of double-metal composite pipe.It also analyzed the main application field of double-metal composite pipe,put forward the related manufacturing standards,pointed that it should be improved in terms of compound technology,high-efficient production and testing technology of China domestic double-metal composite pipe,meanwhile establish corrosion resistant performance evaluation system suitable for structural features of double-metal composite pipe,thus a wider range of promotion and application will be obtained.

composite pipe;double-metal;compound technology

TG335.83

A

1001－3938（2015）12-0007-06

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展863計(jì)劃（2013AA031303）。

王 純（1991—），男，陜西蒲城人，碩士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)合管材的變形機(jī)制及其應(yīng)用研究。

2015-09-07

羅 剛