雙金屬復合管分類及其特性分析*

楊專釗，王 揚，李安強，魏亞秋

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司 北京 100101；3.中國石油技術開發(fā)總公司 北京 100028)

0 引 言

油氣集輸用雙金屬復合鋼管是通過冶金結合或機械結合等方法，將基體鋼管和覆層金屬結合在一起的新型鋼管。碳鋼基管主要起到承壓和管道剛性支撐的作用，覆層則具有防腐蝕的作用。其保留了碳鋼基管和覆層金屬材料各自內在的優(yōu)點，互補了各自的不足?；w鋼管可以根據輸送介質的流量和壓力要求，選用不同管徑、壁厚和鋼級的碳鋼或不銹鋼，覆層可以根據輸送介質的化學成份、現場服役環(huán)境條件，選用不同的耐腐蝕金屬或合金。

目前雙金屬復合鋼管采用的覆層材料主要有：

1)鐵基合金：奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、雙相不銹鋼、高鎳合金。

2)非鐵基合金：銅基合金、鎳基合金、鈦合金、哈氏合金。

3)有色金屬純材：鎳、鈦。

雙金屬復合管兼有基體鋼管和覆層的所有優(yōu)點，相對于純材合金管能有效降低成本，而且在對純材合金管具有應力腐蝕開裂敏感性的氯化物和(或)酸性環(huán)境中可以提高安全性和可靠性。雙金屬合金管能最大限度地實現材料的優(yōu)勢互補，減少合金元素用量，降低工程費用及維護成本，同時，根據腐蝕介質的不同，選擇相應的耐蝕合金材料作為內襯，能夠完全達到耐蝕合金管材的耐腐蝕性能標準，并且具有更高的耐壓指標。在保證原基管各項性能的基礎上，提高了管道的耐腐蝕性、耐磨性，延長了管道的使用壽命，是純不銹鋼管、銅管或其他耐腐蝕性合金管的替代產品。雙金屬復合鋼管主要應用于石油天然氣、化工、電力、煤炭、鍋爐、熱交換器、海水管道等工業(yè)領域。

復合管作為油氣田開發(fā)腐蝕預防和控制的主要措施，與碳鋼相比具有耐蝕優(yōu)勢，與耐蝕合金純材相比，具有價格優(yōu)勢，因而基于其良好的經濟性和技術性，復合管相關技術開發(fā)和應用研究，在過去近20多年來取得長足發(fā)展[1-4]。雙金屬復合管逐漸在國內外海洋油氣開采中應用，并且取得良好效果。國外在雙金屬復合管在海上油氣田開發(fā)工程中的應用已有多年的歷史，并列出國外1990年至2005年雙金屬復合管應用情況，累計達3萬噸。我國首個海洋用雙金屬復合管項目，即崖城13-4海管項目、南海番禺35-1/35-2氣田和東海平黃HY1-1/HY1-2氣田等海洋區(qū)塊應用雙金屬復合管累計超過100 km[5-7]。

目前關于雙金屬復合管的經濟性分析、研究開發(fā)、應用等現狀和趨勢等文獻報道較多，但是關于雙金屬復合管分類依據及其分類結果不夠清晰合理。本文以此為背景，詳細介紹雙金屬復合管分類及其工藝特點。

1 雙金屬復合管分類

關于油氣集輸用雙金屬復合管制造工藝分類國內外文獻研究較多，而且分類依據不統(tǒng)一，導致雙金屬復合管分類較為混亂。如：根據復合管生產方式的不同，其工藝分為包覆成型(即連續(xù)輥式成型)，拉拔成型(即間斷壓力加工成型)和爆炸成型(即連續(xù)輥式成型)三種。按照雙金屬復合管的成型原理，復合管的成型可分為塑性成型法(包括機械脹接技術,又稱為非均勻脹接技術,和柔性脹接技術,又稱為均勻脹接技術)和非塑性成型法(主要有離心鑄造法、離心鋁熱技術法、消失模真空吸鑄法和中頻感應加熱釬焊法等),其中機械脹接技術又包括拉拔成型法、滾壓成型法等,柔性脹接技術包括液壓成型法、橡膠脹接法和爆炸成型法等。按復合管的制造方法又可分為無縫復合鋼管管坯組合法、金屬充填法、粉末冶金法、鑄造復合鋼管、焊接復合鋼管、組合式雙層復合鋼管等[8-12]。

目前，關于雙金屬復合管分類較為認可的分類方法，即根據雙金屬界面結合方式來劃分，分為機械結合復合管和冶金結合復合管[13-22]。依據最新版美國石油學會標準API Spec 5LD-2015《Specification for CRA Clad or Lined Steel Pipe》，對雙金屬復合管根據界面結合方式劃分為內覆復合管(即冶金復合管)和襯里復合管(即機械復合管)。內覆復合管即為冶金復合管，是指耐蝕合金層通過熱軋、堆焊、粉末冶金或爆炸復合等工藝復合到碳鋼基管或者基板，并且合金層和碳鋼之間界面達到冶金結合。襯里復合管(即機械復合管)是指耐蝕合金層通過機械擴張、延展或安裝等方法將合金層襯入碳鋼基管內，合金層和碳鋼之間僅為機械接觸。

綜合上述相關文獻，依據筆者調查和研究結果，筆者制定了油氣集輸用雙金屬復合管詳細分類圖，如圖1所示。由圖1可見，首先將復合管劃分為機械復合管和冶金復合管。機械復合管根據制造工藝劃分為液壓成型和機械成型復合管。液壓成型包括液壓脹型復合管和爆燃脹型復合管。機械成型復合管包括：機械擴徑復合管、機械縮徑(拉拔)復合管、機械旋壓復合管、無模拉伸復合管、自擴張復合焊接復合管(德國貝爾格隆工藝)、熱膨脹機械復合管和抽真空復合管。冶金復合管根據工藝劃分為無縫冶金復合管和焊接冶金復合管。其中無縫冶金復合管包括離心澆鑄復合管、離心鋁熱復合管、熱擠壓復合管、半固態(tài)多坯料擠壓復合管、堆焊復合管及電磁成型復合管等；焊接冶金復合管包括熱軋復合板焊接復合管、爆炸復合板焊接復合管、爆炸及熱軋復合板焊接復合管、釬焊復合板焊接復合管、粉末冶金復合板焊接復合管等。

機械結合復合管是依靠冷加工擴徑或縮徑獲得過盈緊密配合，其優(yōu)點是生產工藝比較簡單，價格較便宜，適合長距離管線用管，但存在以下不足：1)在高溫下，因碳鋼/低合金鋼與不銹鋼/耐蝕合金間膨脹系數的差異、受熱約束應力釋放而削弱結合力，或層間存在氣體而造成襯里層失穩(wěn)或鼓泡。2)機械結合復合管不宜進行冷、熱加工制造彎頭、三通等配件。

冶金結合復合管通過高溫、高壓或者焊接等作用，在基材和覆材界面之間形成原子擴散，實現冶金結合，有較好的界面結合強度。但生產成本高，工藝復雜，而且對產品材質類型和規(guī)格有較強的選擇性，同時適用二次加工來制作復合彎管或復合管件。冶金結合復合管更適合高溫或溫度波動較大環(huán)境下使用。

圖1 雙金屬復合管分類圖

2 雙金屬復合管工藝原理及其特點

針對上述分類方法及分類結果，整理匯總了油氣集輸用雙金屬復合管類型、結合方式等，并概述了各類復合管制造工藝原理及其工藝特點。各類復合管工藝原理及其特點簡介如下：

1)液壓脹型復合管

液壓脹型復合管屬于機械復合管，采用液壓成型。其成型原理為：將襯管與基管經表面處理后裝配，采用水壓機加壓至襯管塑性變形，基管發(fā)生彈性變形，卸壓后，基管彈性回復大于襯管的彈性回復，內外管緊密貼合。成型工藝主要優(yōu)點為：復合工藝簡單，逐漸加壓成型，密閉長筒內各點壓力相同。成型工藝主要缺點為：結合力較小，雖然各點壓力均衡但極易受到內襯層厚度和不規(guī)則程度影響，襯層較厚處基層與襯層不能完全貼合，高溫下易產生應力松弛而分層失效。

2)爆燃脹型復合管

爆燃脹型復合管屬于機械結合復合管，也屬于液壓成型。其成型原理為：用液壓動力管產生的瞬間化學能以爆轟波的形式通過水傳遞給襯管，使襯管發(fā)生水壓擴徑塑性變形，基管發(fā)生彈性變形，爆轟后，基管回彈量遠大于襯管，基管與襯管緊密貼合。采用液壓動力管爆炸技術、測控技術，定性定量對復合管坯精準擴徑，不受管徑限制，生產效率高，基管與襯管結合強度較低。

3) 機械擴徑復合管

機械擴徑復合管屬于機械結合，成型類型為機械成型。其成型原理為：將裝配好的襯管和基管，在擴徑模具作用下，分步沿軸向逐步擴徑，使得襯管和基管都發(fā)生塑性變形，再回彈，進而實現基管和襯管緊密配合。成型工藝主要優(yōu)點為：容易實現機械自動化操作，并精確控制擴徑量；易采用直縫埋弧焊接鋼管擴徑工裝實現。成型工藝主要缺點為：由于擴徑頭模具尺寸原因，復合管尺寸受直徑限制；同時投資較大。

4)機械縮徑(拉拔)復合管

機械縮徑(拉拔)復合管屬于機械結合，成型類型為機械成型。其成型原理為：將裝配好的襯管和基管，在錐形拉擠模具和載荷作用下，使管徑縮小，襯里與基管均產生塑性變形，使襯管貼合于基管內表面。成型工藝主要優(yōu)點為：復合工藝簡單、有效，復合管內表面圓整度好。成型工藝主要缺點為：成型時進行拉拔處理，高溫下易產生應力松弛而分層失效，內襯層沒有達到充分塑性變形，結合力較小，不能達到過盈結合。對外基管內壁表面平整性要求較高，由于結合力小，焊縫處反復受到介質扭曲，易出現疲勞開裂。

5)機械滾壓復合管

機械滾壓復合管屬于機械結合，成型類型為機械成型。其成型原理為：通過芯軸的回轉帶動滾動體不斷擠壓復合管的內壁，其周向分布的滾動體能隨時自動進行徑向位移補償，同時將滾壓力保持穩(wěn)定或基本穩(wěn)定的狀態(tài)，促使內管產生徑向擴脹的塑性變形，從而使內外管間機械結合較緊密。成型工藝主要優(yōu)點為：成型能耗低，成型驅動功率低；成型工藝主要缺點為：易造成內管壁變薄、嚴重時導致內管開裂，且易在內管形成加工硬化。

6)機械旋壓復合管

機械旋壓復合管屬于機械結合，成型類型為機械成型。其成型原理為：機械旋壓法是將組合好的復合坯管旋轉的同時，三個呈錐形的旋輪反方向旋轉并推進，由此外層基管均勻地貼于不銹鋼襯管上，形成靜配合的細螺紋連結。成型工藝主要優(yōu)點為：成型工藝簡單，成型效率高；成型工藝主要缺點為：加工大管徑復合管比較困難，且管層界面間的機械結合強度較低，易發(fā)生結合界面分離或脫落。

7)無模拉伸復合管

無模拉伸復合管屬于機械結合，成型類型為機械成型。其成型原理為：無模拉伸是一種不采用模具而進行金屬成形的加工方法。將裝配復合管一端固定，采用感應加熱(或其他方式)對工件進行局部加熱到高溫，同時以設定的速度拉伸工件的另一端；而熱源和冷卻系統(tǒng)則以設定的速度向相反或相同的方向移動，從而獲得變截面的復合管產品。成型工藝主要優(yōu)點為：成型工藝簡單，設備規(guī)模小，易實現自動控制[23]。成型工藝主要缺點為：生產效率低，不宜于批量生產。

8) 自擴張復合焊接復合管

自擴張復合焊接復合管屬于機械結合，成型類型為機械成型。其成型原理為：將合金板和基板疊合，在疊合板兩端橫邊進行點焊，隨后預成型到一定程度時對疊合板縱邊封焊，再完成成型和最終內外層焊接，形成縱焊縫處為冶金結合，其余部分為機械貼合的復合管。成型工藝主要優(yōu)點為：比一般機械復合管結合強度高，無需端面封焊或者堆焊處理，可以直接進行現場施工焊接。成型工藝主要缺點為：工序較為復雜，焊接工序較多，尤其縱向封焊時機不好控制。

9)抽真空法

抽真空法屬于機械結合，成型類型為機械成型。其成型原理為：先對內、外管端面處連接縫進行封焊形成焊縫圈，在外管上鉆通孔，隨后通過氣孔對夾層抽真空后再封焊氣孔，則內、外管將在大氣壓的作用下緊密結合。成型工藝主要優(yōu)點為：該工藝成型簡單，設備成本低廉。成型工藝主要缺點為：復合管內外管的結合主要靠大氣壓的壓力擠壓而成，所以結合強度有限[24]。

10)熱膨脹法機械復合管

熱膨脹法機械復合管屬于機械結合，成型類型為機械成型。其成型原理為：將裝配好的基管和合金管，放置在惰性氣田保護環(huán)境內，通過感應加熱方法，利用基管和合金管不同的熱膨脹系數，使得襯管塑性變形，基管發(fā)生彈性變形，冷卻后，基管彈性回復大于襯管的彈性回復，內外管緊密貼合。成型工藝主要優(yōu)點為：成型工藝較簡單，設備成本小。成型工藝主要缺點為：耐蝕合金會受到熱膨脹系數的影響較大，內管不適用低價的耐蝕合金。由于溫度的改變影響部分耐蝕合金的耐蝕性。

11)離心澆鑄復合管

離心澆鑄復合管屬于冶金結合，成型類型為無縫冶金復合管，其成型原理為：利用離心作用，分層澆鑄不同成分的金屬液體，將內外金屬的熔合層控制在一定厚度范圍內，形成完全的冶金復合管。成型工藝主要優(yōu)點為：成型的鋼管具有組織致密、晶型細小、過渡層較寬、應力較小、夾雜物含量少的優(yōu)點。成型工藝較為簡單，適用材料范圍較廣。成型工藝主要缺點為：鑄件易產生偏析，鑄件表面較為粗糙，內表面尺寸不容易控制等。復合管材成型過程中對涂料、管模轉速、澆注溫度要求較高。

12)離心鋁熱復合管

離心鋁熱復合管屬于冶金結合，成型類型為無縫冶金復合管。其成型原理為：將一定比例的鋁粉和其他金屬粉末均勻混合后填充在碳鋼管中，然后將管子放在離心機上進行高速旋轉，在離心力的作用下，粉末在管的內表面形成均勻的涂層，隨后點燃鋁粉使其發(fā)生化學反應，反應產生的高溫使與內表面接觸的涂層被熔化，這些涂層與外管形成緊密結合的涂敷層。成型工藝主要優(yōu)點為：在離心力場中引起鋁熱反應形成復合管，該成型工藝簡單，成本較低，結合力較高。成型工藝主要缺點為：由于采用鋁熱反應，界面中含有一層氧化鋁影響復合管端口焊接。目前多用于內襯陶瓷等非金屬。

13)熱擠壓復合管

熱擠壓復合管屬于冶金結合，成型類型為無縫冶金復合管。其成型原理為：將異種金屬表面清理后組裝成擠壓坯，然后加熱到一定的溫度，按照一定擠壓比進行擠壓，在壓力作用下使金屬緊密接觸并達到冶金復合。成型工藝主要優(yōu)點為：復合成型工藝簡單，結合力較強。成型工藝主要缺點為：復合管內層為耐蝕合金，可能產生壁厚波動，并由于變形抗力不一致而產生裂紋。

14)粉末冶金(半固態(tài)多坯料)擠壓復合管

粉末冶金(半固態(tài)多坯料)擠壓復合管屬于冶金結合。粉末冶金復合法是將兩種合金粉先后充填在鋼制容器內形成兩層粉末管坯，加蓋焊封，用熱等靜壓提高容器內粉末的充填密度，再將管坯加熱進行熱擠壓，用酸洗等方式除去外側作為容器部分的鋼，便制成了金屬復合管。成型工藝主要優(yōu)點為：合金層組織均勻，機械性能好，可實現近凈成形，能大量節(jié)約金屬，成材效率高；成型工藝主要缺點為：制備的復合管生產的復合管強度較低，內部存在孔隙，進行小批量生產時，成本較高，復合材料中有不能發(fā)生塑性變形的脆性材料或用熔鑄法難以形成合金的材料。

15)堆焊復合管

堆焊復合管屬于冶金結合。其成型原理為：堆焊是采用熔焊、熱噴涂、噴熔等方法，將滿足性能要求的金屬熔化(耐蝕合金層)，并使其在工件表面堆敷的工藝過程。成型工藝主要優(yōu)點為：堆焊層結合強度高、殘余應力小、表面質量優(yōu)良，成材率高，工藝流程短；成型工藝主要缺點為：材料和設備成本高，堆焊效率低，焊縫易稀釋，難以堆焊小口徑復合管。

16)電磁成型法

電磁成形法屬于冶金結合，其成型原理為：利用瞬間高壓脈沖磁場迫使金屬產生塑性變形，當給線圈通高頻脈沖電流時，由于電磁感應現象，放置在線圈外的管材表面各部分將受到洛侖磁力巨大的沖擊作用，在幾微秒內就和另一管材進行撞合，且在撞擊角度和撞擊速度匹配合適的條件下，接觸面將在幅值巨大的磁壓力作用下緊密結合，形成冶金連接。成型工藝主要優(yōu)點為：工件成型加速度大，加工周期短，簡化了模具制造，可高精度加工復雜零件，殘余應力小、電磁成型復合能量控制、自動化生產程度高，同一感應線圈可以多種加工；成型工藝主要缺點為：僅適于加工銅或鋁等強度低、導電性能好的金屬，且現有的設備裝機容量較小[25]。

17)熱軋復合板焊接復合管

熱軋復合板焊接復合管屬于冶金結合，成型類型為焊接冶金復合管。其成型原理為：利用三明治式工藝，將裝配好的合金層、基板，經過高溫熱軋、冷卻、打開等工序，得到熱軋冶金復合板，再經過JCOE或UOE或排輥成型等制管工藝制造復合管。成型工藝主要優(yōu)點為：復合管結合強度高，成型工藝簡單，生產效率高、產品質量好，可大量降低金屬材料的損耗。成型工藝主要缺點為：一次性投資大，材料選擇范圍小，溫度升高對材料性能有一定影響。

18)爆炸復合板焊接復合管

爆炸復合板焊接復合管屬于冶金結合，成型類型為焊接冶金復合管。其成型原理為：利用炸藥為能源，在炸藥的高速引爆和沖擊作用下，在十分短暫的過程中使被焊金屬表面形成一層薄的具有變形、溶化、擴散以及波形特征的焊接過渡區(qū)，從而實現復合，再經過JCOE或UOE或排輥成型等制管工藝制造復合管。成型工藝主要優(yōu)點為：一次性瞬間成型，內外管結合強度較高，材料選擇范圍較廣，易與沖壓、擠壓、拉拔等工藝結合，不需要復雜設備，對場地要求不高。成型工藝主要缺點為：內外管結合界面區(qū)易形成鋸齒波形，復合管尺寸長度受限，對炸藥的藥量控制較高。機械化程度低，勞動條件較差，環(huán)境污染較大，不適用連續(xù)化生產及生產薄板。

19)爆炸及熱軋復合板焊接復合

爆炸及熱軋復合板焊接復合屬于冶金結合，成型類型為焊接冶金復合管。其成型原理為：將合金層和基層經過爆炸焊接后，再進行熱軋整形，得到爆炸復合和冶金復合綜合性能良好的復合板，再經過JCOE或UOE或排輥成型等制管工藝制造復合管。成型工藝主要優(yōu)點為：綜合爆炸焊和熱軋工藝綜合優(yōu)點，具有界面結合良好等優(yōu)點；缺點：生產工序較長，設備成本較高，生產效率較低，適用單張生產。

20)感應加熱釬焊法

感應加熱釬焊法屬于冶金結合，成型類型為焊接冶金復合管。其成型原理為：將合金管和基管之間放置釬料，并在惰性氣體保護下，經連續(xù)感應加熱，釬料被加熱熔化，釬料在基層和合金管間發(fā)生反應，在冷卻水的作用下迅速凝固，從而形成冶金結合。成型工藝主要優(yōu)點為：在外管與內管間形成一層釬焊，填滿層間間隙，使外管和內管之間形成了100%的冶金結合；缺點：釬料工藝較為復雜，材耗大，能耗高。

3 對比分析

通過對比和調研上述各種雙金屬復合管制造工藝原理、優(yōu)缺點及其應用現狀，可見目前國內外比較成熟的雙金屬復合管工藝為：機械復合管主要制造工藝包括液壓脹型機械復合管、爆燃脹型機械復合管和和機械旋壓復合管，冶金復合管主要制造工藝包括離心澆鑄冶金復合管、熱擠壓冶金復合管、堆焊冶金復合管、復合板焊接冶金復合管，這些復合管在國內外均有投資生產線，并且復合管產品已投入實際使用，其余機械復合管和冶金復合管制造工藝尚為理論研究或試驗開發(fā)階段，尚無投入工業(yè)生產和應用。

4 結 論

1)根據復合管結合界面特征，油氣集輸用雙金屬復合管劃分為機械復合管和冶金復合管，機械復合管兩種金屬僅僅是物理接觸，冶金復合管是兩種金屬為原子間結合。

2)機械復合管根據制造工藝劃分為液壓成型和機械成型復合管。液壓成型包括液壓脹型復合管和爆燃脹型復合管。機械成型復合管包括機械擴徑復合管、機械縮徑(拉拔)復合管、機械旋壓復合管、無模拉伸復合管、自擴張復合焊接復合管、熱膨脹機械復合管和抽真空復合管。

3)冶金復合管根據制造工藝劃分為無縫冶金復合管和焊接冶金復合管。其中無縫冶金復合管包括離心澆鑄復合管、離心鋁熱復合管、熱擠壓復合管、半固態(tài)多坯料擠壓復合管、堆焊復合管及電磁成型復合管等；焊接冶金復合管包括熱軋復合板焊接復合管、爆炸復合板焊接復合管、爆炸及熱軋復合板焊接復合管、釬焊復合板焊接復合管、粉末冶金復合板焊接復合管等。

4)比較成熟的機械復合管主要制造工藝包括液壓脹型機械復合管、爆燃脹型機械復合管和和機械旋壓復合管， 冶金復合管主要制造工藝包括離心澆鑄冶金復合管、熱擠壓冶金復合管、堆焊冶金復合管、復合板焊接冶金復合管。