雙金屬復合管的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

閆可安，許天旱，韓禮紅，路彩虹，陳 陽

(1.西安石油大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710065；2.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室，中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710077)

1 概述及應用背景

據(jù)統(tǒng)計，我國每年因腐蝕造成的損失達數(shù)千億元人民幣，管道腐蝕所占比例尤其大。目前各種管網(wǎng)中腐蝕最嚴重的是低碳鋼和低合金鋼[1]。油氣田介質(zhì)中存在CO2、H2S 等腐蝕氣體，管道腐蝕影響油氣運輸質(zhì)量，會給油氣田用戶帶來損失[2]。雙金屬復合管的出現(xiàn)減少了在運輸中因腐蝕造成的管道泄漏損失，受到油氣田用戶的青睞。

雙金屬復合管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，它結(jié)合了碳鋼管材和合金管材的優(yōu)點，兼具基層管材強度高和覆層材料耐腐蝕性優(yōu)良的特點。雙金屬復合管的優(yōu)點眾多，如內(nèi)壁抗腐蝕能力強、使用壽命長、流動阻力小等，能最大限度地將碳鋼和不銹鋼的優(yōu)勢相結(jié)合，降低了油氣輸送管道的運輸成本[3]。同時，基于油氣腐蝕介質(zhì)的差異性，可以選擇性能優(yōu)良的耐蝕合金材料作為覆層，使管道達到客戶要求的耐腐蝕性能標準和更高的耐壓指標[4]。

圖1 雙金屬復合管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of bimetallic composite tube structure

雙金屬復合管的價格較為低廉，在很多工業(yè)領(lǐng)域如化工、電力、熱交換器、煤炭、海水管道包括許多城鎮(zhèn)的供水供暖等都有應用。當前，油氣田勘探開發(fā)正向高溫高壓等環(huán)境條件惡劣的地區(qū)發(fā)展[5]，雙金屬復合管的應用較廣泛，如塔里木油田及新疆油田等陸地油氣開發(fā)中應用已超2000km，在崖城13-4、番禺35-1/35-2 氣田等海底油氣的開發(fā)中，雙金屬復合管的累計使用量超100km。我國首條雙金屬機械復合管線崖城13-4 海管項目，展現(xiàn)了我國在雙金屬復合管研發(fā)、制造、應用的實力[6]。

2 雙金屬復合管失效形式及原因

雙金屬復合管的失效問題中，機械型復合管較為常見的失效包括焊接失效和襯層塌陷失效，近幾年來的事故數(shù)已達總事故數(shù)的70%以上[7]。焊接失效主要是環(huán)焊縫開裂和環(huán)焊縫腐蝕；塌陷失效則使得管道無法正常使用，影響油氣的運輸。此外，特殊環(huán)境力與環(huán)境熱載荷的作用，也會導致失效問題的發(fā)生。

2.1 失效風險分析

機械型雙金屬復合管基管與襯管的結(jié)合強度低，管道使用封焊連接，焊接過程需多層焊，襯層易出現(xiàn)剝離及褶皺，導致失效問題。對于316L 內(nèi)襯層機械復合管的連接焊接，圖2 展示了不同的焊接方法，國外使用端部堆焊的焊接方法，焊材選用耐蝕合金；國內(nèi)使用管端封焊的焊接方法，并使用不銹鋼焊材打底。由于焊接技術(shù)不成熟，碳鋼焊材在內(nèi)襯層焊接時會產(chǎn)生高硬度馬氏體組織，易出現(xiàn)裂紋；在封焊操作時，易焊穿襯層組織，封焊處易在高Cl-環(huán)境介質(zhì)中發(fā)生點蝕[9]。

圖2 316L 內(nèi)襯機械復合管焊接順序示意圖Fig.2 316L lined mechanical composite pipe welding sequence diagram

某油田使用的以316L 為內(nèi)襯層的雙金屬復合管，現(xiàn)場施工的對接焊方案，為ATS-F316L 藥芯焊絲打底+ATS-309MoL 過渡+CHE507 填蓋。該焊接工藝會對襯層材料尤其是熱影響區(qū)反復加熱，易使熱影響區(qū)貧Cr，導致耐蝕性能大打折扣，甚至產(chǎn)生腐蝕源區(qū)。圖3 中，對接焊縫熔合線及熱影響區(qū)有明顯的腐蝕坑，腐蝕坑深度波及基管，可以看出腐蝕在熱影響區(qū)產(chǎn)生，對接環(huán)焊縫的熱影響區(qū)也出現(xiàn)銹跡[8]。

圖3 某油田雙金屬復合管對接環(huán)焊縫宏觀照片F(xiàn)ig.3 Macro photo of butt-welded girth weld lined with 316L bimetallic composite pipe

梁國萍等[8]對雙金屬復合管根焊焊縫的電鏡掃描結(jié)果及成分進行分析后發(fā)現(xiàn)，如圖4 所示，耐蝕合金元素如鉻、鎳、鉬等在根焊處被稀釋，導致環(huán)焊縫處易發(fā)生刺漏。另外，根焊處易產(chǎn)生氣孔和夾渣，在工程使用中會導致應力集中，在腐蝕介質(zhì)的作用下基管被腐蝕，嚴重時會出現(xiàn)爆管[10]。

海底管道服役的特殊工作環(huán)境，決定了管道在使用過程中會受到多重載荷的聯(lián)合作用，甚至會受到力-熱載荷的聯(lián)合作用[11]。埋在海底的管道在輸送高溫高壓油氣時，會受到不同程度的內(nèi)壓、軸向壓力及熱載荷的聯(lián)合作用。長懸跨段的海底管道在輸送高溫高壓油氣時會受到內(nèi)壓、彎曲載荷及熱載荷的聯(lián)合作用，并且管道的工作壓力會越來越高，服役環(huán)境的溫度可達150℃。長懸跨段的海底復合管道還會產(chǎn)生局部屈曲。機械型復合管在受到多種類載荷時，會出現(xiàn)鼓泡、基襯分離、內(nèi)襯管起皺等現(xiàn)象，管道會產(chǎn)生屈曲，導致最終失效[12]。

2.2 腐蝕失效類型

雙金屬復合管襯層選用耐蝕性合金材料，襯管的耐蝕合金也會出現(xiàn)腐蝕失效問題。以常用的襯層材料奧氏體不銹鋼為例，在腐蝕介質(zhì)中，失效形式一般表現(xiàn)為全面腐蝕和局部腐蝕，并且以局部腐蝕為主。局部腐蝕主要有6 種類型：應力腐蝕、點腐蝕、疲勞腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕。

應力腐蝕在雙金屬復合管中較為常見，占到40%～60%，也是目前破壞性強的腐蝕類型。應力腐蝕裂紋開裂擴展到一定深度，會導致內(nèi)襯層的腐蝕加快，最終由于裂紋過大導致復合管失效。常見的縫隙腐蝕和電偶腐蝕也會給復合管帶來失效問題。機械性雙金屬復合管的界面結(jié)合不緊密，基管與襯層之間存在電位差，在腐蝕介質(zhì)的作用下，縫隙處及其周邊會發(fā)生局部腐蝕，當腐蝕介質(zhì)是氯化物溶液時更為嚴重，且伴隨有自催化過程[13]。電偶腐蝕的發(fā)生是由于連接焊縫處遭到點蝕破壞，焊縫處與基管和襯管發(fā)生電偶腐蝕，加速了基管的腐蝕行為，腐蝕孔洞進一步發(fā)展，最終導致復合管的失效[14]。

3 雙金屬復合管的研究現(xiàn)狀

雙金屬復合管的性能優(yōu)良，有較好的經(jīng)濟性，自20 世紀60 年代以來，國外發(fā)達國家已開始進行研究。目前，美、日、英、德等國家的雙金屬復合管生產(chǎn)制造工藝處于世界領(lǐng)先水平[15]。國內(nèi)發(fā)展較晚，技術(shù)逐漸在進步。

3.1 制造工藝

機械型雙金屬復合管的結(jié)合界面易出現(xiàn)塌陷等問題，其結(jié)構(gòu)也制約了冷加工配件的制造[16]。冶金型雙金屬復合管克服了以上問題，具有高強度、耐腐蝕性能和結(jié)合強度，但其生產(chǎn)成本高，制造難度大，工藝復雜。

爆炸焊接是生產(chǎn)多層材料的有效方法。雙金屬過渡采用固態(tài)焊接工藝制成，該工藝使用可控制的爆炸能量，將兩種或更多種不相容的金屬連接起來，例如鋼和銅、鋼和鈦或鋁、銅和鎂等金屬的異種組合。采用爆炸焊接生產(chǎn)的材料，由于機械和物理特性的獨特結(jié)合而被廣泛用于各個行業(yè)[17]。這些方法各有優(yōu)劣，表1 對其進行了歸納整理，并簡要說明了各種復合工藝的制造工藝及特點。

表1 雙金屬復合管典型制造工藝及特點Table 1 Typical manufacturing process and characteristics of bimetallic composite pipe

雙金屬復合管的結(jié)構(gòu)較為特殊，在工程應用中，強度和耐腐蝕性都需要滿足要求，焊接問題一直是需要著重考慮的難題，為此各雙金屬復合管制造商不得不在管端結(jié)構(gòu)的處理上進行研究改善[6]，并開發(fā)出管端封焊技術(shù)、管端堆焊技術(shù)、過渡接頭連接技術(shù)等進行解決。

雙金屬復合管內(nèi)襯層耐蝕合金材料的選擇豐富，袁江龍等[18]對316L、904、2205、825 等內(nèi)襯層材料進行耐蝕性研究后發(fā)現(xiàn)，825 作為內(nèi)襯層材料時的耐蝕性最好。襯層材料逐步向更加昂貴、耐蝕性優(yōu)良的材料傾斜。

3.2 應用現(xiàn)狀

國內(nèi)雙金屬復合管的研究和制造發(fā)展迅速，復合管制造技術(shù)水平目前不遜于國外，但復合管的連接工藝較為落后，阻礙了復合管的發(fā)展進程。國外在20 世紀70 年代末就開展了研究，長時間的研究發(fā)展積累了許多經(jīng)驗，并取得了明顯的經(jīng)濟效益。

海洋油氣開發(fā)環(huán)境苛刻，對管道的要求更高，雙金屬復合管在其中的使用，解決了海洋油氣運輸開采的許多問題[19]。隨著雙金屬復合管的大量使用，其優(yōu)異的性能和較高的性價比引起了油田用戶的注意。各種項目的進一步開發(fā)，也促使雙金屬復合管的研究制造向大直徑管道發(fā)展。隨著能源的進一步勘探開發(fā)，油氣腐蝕環(huán)境也發(fā)生變化，材料的耐腐蝕要求也在逐漸提高?；ず碗娏π袠I(yè)需要能夠適應高壓、高溫、高腐蝕和高強度的復合管，各種復雜環(huán)境的使用要求，催生出了銅金屬復合管和耐蝕性更優(yōu)良的鈦金屬復合管。

4 發(fā)展趨勢

國內(nèi)雙金屬復合管的研究制造起步較晚，盡管已有大量的應用研究，但在新產(chǎn)品開發(fā)、檢測手段、管端連接等方面還有進步空間。

4.1 新型雙金屬復合管

鎂合金是鋁合金良好的替代品，被大量用于制造輕質(zhì)鑄件。但是，鎂合金的耐磨性較差，強度低，因此采用Mg/Al 雙金屬復合材料制造的Mg/Al 雙金屬復合管道，滿足了管道質(zhì)輕、性能高的要求。Mg/Al 雙金屬復合材料綜合了兩種合金的優(yōu)點，已開發(fā)了固固結(jié)合和固液結(jié)合等方法，可應用于不同的領(lǐng)域[20]。

雙金屬復合管的設(shè)計思路，可以根據(jù)所使用的金屬成分，提供結(jié)構(gòu)和功能特性的組合。例如，銅及其合金的導電導熱性能優(yōu)良，耐腐蝕性能也較好，但高密度阻礙了銅在輕量化設(shè)計中的應用，因其成本高，已經(jīng)嘗試使用鋁代替。鋁是一種性能優(yōu)良、價格便宜且密度較小的金屬。銅和鋁雙金屬結(jié)構(gòu)是替代銅的有利解決方案，一方面提供了較低的重量和成本，另一方面又具有銅的固有特性。銅-鋁雙金屬管具有重量輕、耐腐蝕性強等優(yōu)點[21]，可以很好地替代由銅及其合金制成的管，廣泛用于建筑物、化學工業(yè)、煉油廠、液壓管路、空調(diào)和熱交換器以及食品工業(yè)中的飲用水輸送等[22]。Jin 等人[23]嘗試用銅包鋁管代替空調(diào)用銅管，實驗表明，CCA 管或ACC（鋁包銅）管可以減輕重量，降低材料成本，甚至提高性能[24]。

還有學者研究了非晶/晶體雙金屬復合材料。這種復合管利用了非晶體合金的優(yōu)點，解決了制造使用過程中的臨界尺寸問題。例如Zr 的基塊磨損和耐腐蝕性能優(yōu)良且強度較高，這些合金作為結(jié)構(gòu)材料，具有重要的潛在應用，但其臨界尺寸和塑性嚴重限制了它們的實際應用。復合材料可以保留優(yōu)勢，同時可以彌補其組成材料的不足[25]。雙金屬復合材料的研究，使得材料之間的優(yōu)勢互補，更能發(fā)揮出每種材料的優(yōu)勢。

4.2 自動焊技術(shù)

雙金屬復合管使用中的失效問題，多是由于焊接過程中兩種材質(zhì)的物理化學性質(zhì)不同，導致焊接接頭處的焊接易出現(xiàn)問題。復合管存在基層、襯層和結(jié)合界面，焊接后必須要保證基層的強度和襯層的耐腐蝕性能。焊接過程中，結(jié)合界面的元素會擴散， Cr 等耐蝕合金元素在基層焊縫的含量過高，會產(chǎn)生較多的硬脆相，焊縫強度會受到影響，襯層的耐蝕性會大打折扣。對于新型雙金屬復合管，襯管也出現(xiàn)了雙相不銹鋼、鐵素體-奧氏體比例的微觀組織平衡。雙相不銹鋼（DSS）要保證強度和耐腐蝕性，需要控制其鐵素體及奧氏體的微觀結(jié)構(gòu)。在焊接期間和焊接之后，也可能發(fā)生焊接缺陷，因此要對焊接過程進行良好的控制[26]。國外在這方面的技術(shù)較為領(lǐng)先，已出現(xiàn)大口徑復合管焊接施工項目，并已開發(fā)出高效、高品質(zhì)的自動焊焊接工藝和設(shè)備。

我國中海油某油田鋪設(shè)的X70/316L 復合管，使用了全自動焊，焊接質(zhì)量優(yōu)良，提高了工作效率。國外的雙金屬復合管開發(fā)制造的公司如德國Butting公司，在雙金屬復合管的生產(chǎn)制造中處于頂尖水平，其制造的雙金屬復合管，采用更為先進的焊接手段和自動焊技術(shù)，產(chǎn)品成熟，耐腐蝕性和可焊性優(yōu)良，但存在技術(shù)壟斷，價格極其昂貴。自動焊的優(yōu)勢眾多，如高效、高質(zhì)量、自動化、智能化、成品性能優(yōu)良等，隨著自動焊技術(shù)的不斷成熟和創(chuàng)新，已出現(xiàn)了管對管TIG 自動焊，鎢電極和管板之間的電弧電壓由電壓轉(zhuǎn)換器監(jiān)控，初始焊接高度通過激光傳感器測量[27]，整個焊接過程更加便捷高效。雙金屬復合管的種類繁多，焊接過程需要進行更多的研究。銅-鋁雙金屬由于銅和鋁不同的物理、機械和化學性質(zhì)，若采用激光焊接等常見熔態(tài)方法，焊接過程面臨嚴峻挑戰(zhàn)[28]，自動焊的焊接技術(shù)和焊接設(shè)備將成為雙金屬復合焊接的發(fā)展方向[29]。

4.3 檢測手段

實際工程應用中，往往使用游標卡尺測量雙金屬復合管的厚度，會導致誤差較大，實際測量操作也不便利。有時為了滿足客戶的要求，還會隨機選取一支樣管進行縱向剖開，進行厚度測量，不僅浪費材料，效率也達不到要求。傳統(tǒng)的壁厚測量手段大多是逐點掃描結(jié)構(gòu)，存在各自的局限性。測量時必須在除去涂層的條件下對結(jié)構(gòu)進行掃描，若需要全面檢查則會變得非常昂貴和費時[30]，且測量精度難以達到預期要求。

采用高頻超聲波測量壁厚，其檢測精度可達±0.1mm。其原理是利用高頻超聲波在各向異性的界面回波的差異，通過傳播速度和時間進行計算[31]。計算公式見式(1)、式(2)：

式中：F1′、F2′分別為碳鋼層厚度和整體測量厚度；F1為碳鋼屏幕顯示厚度值；T1、T2分別為碳鋼、不銹鋼的縱波行進時間；V1、V2分別為碳鋼、不銹鋼縱波聲速。

該方法可用于復合管制造商對壁厚的過程動態(tài)進行測量監(jiān)控，可極大提高生產(chǎn)的良品合格率。施工企業(yè)可使用此方法進行測量驗收，可對壁厚進行實時檢測，不必使用常規(guī)的掛片腐蝕檢測，可縮短停產(chǎn)監(jiān)測周期[31]。

隨著雙金屬復合管的應用更加廣泛，其在生產(chǎn)和使用中需要更高效、精準的檢測手段。弱磁技術(shù)的原理，是用地磁在缺陷處產(chǎn)生的電磁信號，表征缺陷的存在，進行缺陷的識別及檢測[32]。該技術(shù)的使用，使得雙金屬復合管的管道檢測結(jié)果更加精準。

4.4 體系建設(shè)

雙金屬復合管的行業(yè)標準主要采用美國石油學會API 5LD 標準以及DNV OS F101 規(guī)范。中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院對API 5LD 進行了翻譯，修改成為SY/T 66232005 版。這些標準在許多方面并不完善，在工程實際中遇到的問題也難以解決。

新標準的起草離不開科研院所及企業(yè)高校的配合支持，新的體系應更加全面。例如，復合管內(nèi)襯層的厚度與管體強度的關(guān)系；管端結(jié)構(gòu)和尺寸的標準化和規(guī)范化；驗收時，剪切強度應使用何種方法作為標準；管體的探傷方法應更加明確、清晰。國內(nèi)標準應立足本國國情，立足國際視野，根據(jù)工程實際需要，進行研究撰寫，以推動國內(nèi)雙金屬復合管的發(fā)展[33]。

5 結(jié)語

目前，雙金屬復合管以其優(yōu)良的性能和良好的性價比，被廣泛應用于各行業(yè)，同時其失效帶來的問題也愈來愈多，對它們的研究也需要更加深入。在新產(chǎn)品的研究制造、復合工藝、高效生產(chǎn)和檢測技術(shù)等方面，也提出了更高的要求。同時，雙金屬復合管體系的完善健全，也需要社會各界的共同努力，確保國內(nèi)研發(fā)制造的雙金屬復合管可早日登上國際舞臺。