雙金屬管件加工技術(shù)

王 京

（新疆石油工程建設(shè)有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依 834000）

0 前言

在油氣田地面建設(shè)中，對于高壓，含S、CO2等高腐蝕性介質(zhì)的管件的選擇涉及到抗腐蝕性能和強(qiáng)度性能的結(jié)合，采用不銹鋼純材造價(jià)較高，而碳鋼純材的耐腐蝕性差，與連接處雙金屬復(fù)合管管段壁厚差較大，這對現(xiàn)場焊接造成較大難度，且較大的壁厚差易造成結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中。因此，實(shí)際應(yīng)用時選擇雙金屬復(fù)合管管件有較大的難度。

1 復(fù)合管管件制造現(xiàn)狀

隨著雙金屬復(fù)合管制造技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)復(fù)合管制作技術(shù)主要包括液壓法、熱擠壓法、爆炸焊接法、復(fù)合板焊接法、粉末冶金法、離心鑄造或離心鋁熱法、噴射成型法、堆焊法等。但其中大部分復(fù)合管復(fù)合方式仍然為機(jī)械式復(fù)合，現(xiàn)有的機(jī)械式結(jié)合復(fù)合管基層和復(fù)合層材質(zhì)強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)差異較大，存在一定間隙，在端部形成交變應(yīng)力狀態(tài)，管材制造工藝無法實(shí)現(xiàn)彎管、三通等管件的制作。

隨著雙金屬復(fù)合管的應(yīng)用，雙金屬復(fù)合管管件的制作技術(shù)也將成為復(fù)合管推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。近年來，我國油氣市場迅速擴(kuò)展，隨著西氣東輸管網(wǎng)和從俄羅斯進(jìn)口天然氣管道的建設(shè),保證平穩(wěn)供氣和國家戰(zhàn)略需要，中國在2012年由國家發(fā)改委出臺的天然氣發(fā)展“十二五規(guī)劃”明確提出加強(qiáng)天然氣管網(wǎng)、液化天然氣接收站及儲氣工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。因此，21世紀(jì)前期仍然是我國油氣儲運(yùn)發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇期，也是油氣儲運(yùn)工程建設(shè)、油氣儲運(yùn)工程技術(shù)進(jìn)步的高峰期。隨著高含硫油氣資源開采及油氣高壓輸送技術(shù)的推廣，對高強(qiáng)度防腐蝕管材的需要更加迫切。雙金屬復(fù)合管實(shí)現(xiàn)了由外基管承擔(dān)承壓和管道剛性支撐、內(nèi)襯管耐腐蝕，既保留了兩種不同材料內(nèi)在的優(yōu)點(diǎn)，又互補(bǔ)了不足。

所以雙金屬復(fù)合管件在油氣田建設(shè)領(lǐng)域、化工、電力等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 雙金屬復(fù)合管件制造加工技術(shù)

雙金屬復(fù)合管管件無法制作原因在于雙金屬復(fù)合管結(jié)構(gòu)特殊，基層與覆層之間性能差異較大，多為機(jī)械式嵌合，結(jié)合力較小，易在端部形成應(yīng)力集中。因此，復(fù)合管管件制造從改變復(fù)合管結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，把基覆層之間的結(jié)合由機(jī)械式嵌合變?yōu)榉肿咏Y(jié)合，提出管件冶金結(jié)合方式，即使基層和復(fù)合層之間實(shí)現(xiàn)分子結(jié)合，形成自生梯度復(fù)合界面，最大限度地解決傳統(tǒng)復(fù)合方法存在的界面脫層、復(fù)合界面應(yīng)力集中、管線連接部位焊縫應(yīng)力集中（或內(nèi)層焊縫處開裂）、耐應(yīng)力腐蝕性差等問題，實(shí)現(xiàn)雙金屬復(fù)合管管件應(yīng)用。

2.1 離心鑄造復(fù)合管件

離心鑄造復(fù)合管件的雙金屬復(fù)合管坯采用分層離心澆鑄方法制備，采用大噸位黑色金屬擠壓機(jī)（或縱軋機(jī)）將管坯熱擠壓（或縱軋）成雙金屬無縫鋼管。此外根據(jù)具體使用條件，還可進(jìn)一步采用高精度冷軋管機(jī)將擠壓出的無縫鋼管軋制成精密復(fù)合管。

雙金屬復(fù)合管管件制造過程首先進(jìn)行冶金式復(fù)合管的制造。將熔煉鐵水進(jìn)行離心澆鑄，獲得離心管胚，將管胚進(jìn)行表面加工、加熱，進(jìn)行熱擠壓。在該過程中，熱擠壓（或縱軋）加工技術(shù)既促進(jìn)了冶金結(jié)合，又改善了雙金屬復(fù)合管綜合性能，因?yàn)闊釘D壓是在三向壓應(yīng)力條件下的金屬塑性變形，是常規(guī)軋制難生產(chǎn)的鎳基合金首選的生產(chǎn)方式。擠壓產(chǎn)品金屬致密度高，顯微缺陷大大減輕，產(chǎn)品有較高沖擊性能。同時，熱擠壓過程促進(jìn)了擴(kuò)散結(jié)合機(jī)制的作用。最后獲得的冶金復(fù)合管可以直接利用管材制作管件，部分情況下也可現(xiàn)場熱煨小角度彎管管件。

2.2 內(nèi)對焊復(fù)合管件

內(nèi)對焊復(fù)合管件，即對現(xiàn)有管件（管材）用不銹鋼進(jìn)行內(nèi)部堆焊，實(shí)現(xiàn)焊口位置冶金式結(jié)合的雙金屬結(jié)構(gòu)。

選取現(xiàn)有管件（含法蘭、三通、彎頭或直管等），將管口內(nèi)雜質(zhì)清理干凈，用不銹鋼焊材對管件進(jìn)行內(nèi)部堆焊，使內(nèi)部形成一個不小于2 mm的不銹鋼層，堆焊完成后對堆焊層進(jìn)行滲透檢測，檢測合格后可對內(nèi)部進(jìn)行切削加工，以滿足雙金屬復(fù)合管管件焊接條件；若為直管段堆焊，堆焊完成后可現(xiàn)場進(jìn)行彎管制作等。采用該加方式加工的雙金屬復(fù)合管件，可對現(xiàn)場施焊過程中需要的管件及時制作，縮短訂貨周期，滿足工程施工材料要求，降低施焊難度。內(nèi)堆焊直管示意如圖1所示。

3 分析及應(yīng)用

離心鑄造過程中，廢品率較高，增加制作成本，且該方式需提前由廠家完成，但是制作出的復(fù)合管件，結(jié)合力強(qiáng)，沒有分層、內(nèi)部覆層金屬分布不均勻等問題。采用離心鑄造工藝可以實(shí)現(xiàn)不小于φ60mm管徑管件的制造，長度限制取決于制造設(shè)備；內(nèi)對焊復(fù)合管件需在工廠提前預(yù)制完成，焊接參數(shù)和精度控制要求較高，需要成熟的制作工藝、技術(shù)人員和施焊人員，制作合格率相對較高，且比離心鑄造更易實(shí)現(xiàn)。采用該工藝制作雙金屬管件其管徑和內(nèi)堆焊長度均取決于內(nèi)堆焊設(shè)備，焊接設(shè)備在能夠施焊的情況下可完成內(nèi)堆焊工藝。這兩種方式均解決了雙金屬復(fù)合管原有結(jié)構(gòu)上的問題，實(shí)現(xiàn)了雙金屬復(fù)合管管件的加工制造。

雙金屬復(fù)合管管件內(nèi)堆焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了真正意義上的冶金式復(fù)合，這種結(jié)構(gòu)形式解決了施工過程中雙金屬不等壁厚的焊接問題，這也是冶金式結(jié)合形式復(fù)合管件應(yīng)用解決的一個根本性難題。國內(nèi)雙金屬復(fù)合管覆層厚度一般為1.5～3.0 mm，按照標(biāo)準(zhǔn)要求不等壁厚焊接要求打磨平緩斜坡進(jìn)行過渡，防止應(yīng)力集中問題。而機(jī)械式結(jié)合雙金屬復(fù)合管管件（管）打磨后在一定范圍內(nèi)沒有覆層金屬，無法保證其耐腐蝕性，且打磨后基層和覆層金屬結(jié)合部位不規(guī)則，對于焊接造成較大阻礙。而冶金式復(fù)合管件（管）可避免施焊過程中的基層和覆層分層而造成結(jié)構(gòu)上應(yīng)力集中問題，同時也可按照實(shí)際施焊需求加工管件，解決了雙金屬復(fù)合管件（管）不等壁厚焊接問題，可減小焊接施工難度，節(jié)約工程成本。

該結(jié)構(gòu)形式也從根本上避免了雙金屬復(fù)合管基層和覆層之間封焊位置應(yīng)力集中問題，保證了工程焊接質(zhì)量。

4 結(jié)論

冶金復(fù)合雙金屬管管件過渡界面層具有優(yōu)良的成分平滑過渡區(qū)，極大消除了應(yīng)力集中現(xiàn)象，既可改善復(fù)合管的綜合性能，又能節(jié)約大量貴重金屬材料，大幅度降低了用戶油田建設(shè)成本。同時，克服了機(jī)械嵌套或爆炸成型復(fù)合管內(nèi)外分層、管線連接部位焊縫應(yīng)力集中等問題。