耐蝕合金復(fù)合管的生產(chǎn)與發(fā)展現(xiàn)狀

劉建彬，王 揚(yáng)，錢進(jìn)森，張智勇，宋燕寧，張遠(yuǎn)生

（中國(guó)石油技術(shù)開發(fā)公司，北京 100028）

耐蝕合金復(fù)合管是由兩種不同金屬材料構(gòu)成，管層之間通過各種變形和連接技術(shù)形成緊密結(jié)合，使兩種材料結(jié)合成一體而成的一種新型金屬?gòu)?fù)合管材。其一般設(shè)計(jì)原則是：基層滿足管道設(shè)計(jì)允許應(yīng)力，復(fù)層抵抗腐蝕等［1-3］。耐蝕合金復(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，且在應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的氯化物和（或）酸性環(huán)境中有較好的安全性和可靠性。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。

耐蝕合金復(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)省合金材料，降低工程費(fèi)用，在保證基管各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)上，提高了管道的耐腐蝕性，延長(zhǎng)了管道的使用壽命，是純不銹鋼鋼管、銅管或其他耐腐蝕性合金管的替代產(chǎn)品［4］。

1 耐蝕合金復(fù)合管的產(chǎn)品類型

根據(jù)界面結(jié)合性質(zhì)，可將耐蝕合金復(fù)合管分為兩類：機(jī)械復(fù)合管和冶金復(fù)合管。其中，機(jī)械復(fù)合管是通過特定冷成型方法使內(nèi)外兩層金屬形成過盈配合，產(chǎn)生一定的接觸壓力，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)外層金屬緊密配合的金屬?gòu)?fù)合管；冶金復(fù)合管主要通過熱加工成型方法使內(nèi)外兩種金屬結(jié)合成一體，其結(jié)合界面為冶金結(jié)合狀態(tài)。

2 耐蝕合金復(fù)合管生產(chǎn)技術(shù)的研究狀況

2.1 生產(chǎn)工藝研究進(jìn)展

耐蝕合金復(fù)合管的生產(chǎn)工藝主要包括冷拉拔法、脹接法、熱軋與熱擠壓法、爆炸焊成型法、堆焊成型法、復(fù)合板卷焊接法等［5-6］，各主要生產(chǎn)方法的工藝要點(diǎn)與優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 耐蝕合金復(fù)合管主要生產(chǎn)方法的工藝要點(diǎn)與優(yōu)缺點(diǎn)

2.2 主要生產(chǎn)方法

2.2.1 脹接法

脹接法分機(jī)械脹接和液壓脹接兩種，其共同缺點(diǎn)是內(nèi)外層只是機(jī)械結(jié)合，與拉拔成型一樣，在高溫環(huán)境下會(huì)因應(yīng)力松弛而分層失效。

（1）機(jī)械脹接。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)擠壓使內(nèi)層襯管發(fā)生塑性變形，外層基管發(fā)生彈性變形，從而使復(fù)合管的外層基管對(duì)內(nèi)層襯管產(chǎn)生接觸壓力，以達(dá)到復(fù)合管內(nèi)外層的緊密貼合［7-8］，如圖1所示。

圖1 機(jī)械滾壓脹接法示意

（2）液壓脹接。液壓脹接的原理與機(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，如圖2～3所示。機(jī)械脹接時(shí)脹接力大小難以確定，易發(fā)生欠脹或過脹，且多次滾脹易造成襯里開裂。液壓脹接時(shí)脹接力均勻且大小可計(jì)算［9］，因此更具優(yōu)越性。

圖2 錐形堵頭密封式液壓脹接復(fù)合管裝置示意

2.2.2 熱擠壓法

熱擠壓法主要適用于無(wú)縫復(fù)合管的生產(chǎn)。

圖3 芯桿自緊密封式液壓脹接復(fù)合管裝置示意

熱擠壓一般是針對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管管坯進(jìn)行的，稱為復(fù)合擠壓。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［10-11］。它是將兩種或兩種以上的金屬組成的大直徑復(fù)合坯料加熱到1 200℃左右，然后擠過由模具和芯軸形成的環(huán)狀空間，耐蝕合金復(fù)合管熱擠壓生產(chǎn)法如圖4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)合管管坯制造方法有3種：由鍛造坯料通過熱穿孔和擠壓擴(kuò)管獲得［12］，直接離心鑄造獲得，用耐蝕粉末顆粒經(jīng)由粉末冶金獲得。

圖4 耐蝕合金復(fù)合管熱擠壓生產(chǎn)法示意

2.2.3 離心鑄造+熱擠壓（熱擠壓+冷軋）法

離心鑄造+熱擠壓（熱擠壓+冷軋）法是一種新的復(fù)合管短流程制備方法，通過離心鑄造生產(chǎn)空心復(fù)合管管坯，然后經(jīng)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［13］。它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：將初級(jí)工業(yè)材料和高技術(shù)的冶金處理過程結(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)、冷軋（或冷拔）生產(chǎn)方式，獲得高品質(zhì)的復(fù)合管。

2.2.4 堆焊成型法

堆焊是較早使用的制作復(fù)合金屬的方法，它是采用熔化焊、釬焊、熱噴涂、噴熔等方法，在工件表面堆敷一層具有特定性能材料的工藝過程［14-15］。堆焊包括硬質(zhì)堆焊和金屬噴涂，前者是利用熔化技術(shù)使金屬表面熔敷上另外一層金屬，后者則是將微細(xì)的金屬顆粒沉積到金屬表面。利用堆焊制備復(fù)合金屬可以采用許多工藝方法，但各種熔焊方法在堆焊工作中所占比例最大，狹義上的堆焊即指熔化焊方法堆焊。

幾乎任何一種熔化焊方法都可以用作堆焊，但是堆焊的主要目的是保證堆焊層的性能，而不僅僅是為了連接，因此選擇堆焊方法時(shí)應(yīng)考慮到：①保證較低的稀釋率，過多的稀釋可能會(huì)破壞堆焊合金的冶金性能，從而使之失去所希望得到的性能；②有較高的熔敷率，以提高生產(chǎn)效率；③工件尺寸、形狀復(fù)雜程度和批量大小，工件尺寸小的可選用氧乙炔火焰堆焊，尺寸大的可選用TIG焊（惰性氣體鎢極保護(hù)焊）或埋弧堆焊等自動(dòng)化方法，尺寸大而形狀簡(jiǎn)單的可選用堆敷效率最高的電渣焊方法；④力求降低成本，即在能夠獲得所要求性能的前提下選擇成本低的焊接方法。

如果現(xiàn)場(chǎng)要求在現(xiàn)有的碳鋼鋼管上采用堆焊方法直接制造復(fù)合管，除了考慮稀釋率和熔敷率，還要考慮到設(shè)備的可達(dá)性以及堆焊層的最小厚度（不能太大），以免影響管道的輸送能力。

2.2.5 耐蝕合金復(fù)合板卷焊接制管法

耐蝕合金復(fù)合板成型、焊接制造復(fù)合管法，是未來(lái)金屬?gòu)?fù)合管生產(chǎn)工藝的主要趨勢(shì)之一。該方法以現(xiàn)有較成熟生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的復(fù)合板為原料，經(jīng)過加工、成型、焊接、熱處理，以及后續(xù)處理工序，制得耐蝕合金復(fù)合管。

復(fù)合板卷成型過程如圖5所示。爆炸焊合的復(fù)合板經(jīng)熱軋、冷軋成復(fù)合鋼帶或熱軋復(fù)合板冷軋成復(fù)合鋼帶，然后在焊管機(jī)組進(jìn)行連續(xù)輥式成型［16］（圖5a），最后通過焊接生產(chǎn)直縫焊接復(fù)合管。對(duì)于較大直徑復(fù)合管，以軋制復(fù)合板或爆炸復(fù)合板或爆炸+軋制復(fù)合板為原料，通過JCO機(jī)組成型（圖5b），最后通過專用焊接設(shè)備焊接成復(fù)合管。

2.2.6 雙層板點(diǎn)焊卷彎焊接制管法

雙層板點(diǎn)焊卷彎焊接制管法是一種新型短流程復(fù)合管生產(chǎn)工藝，兼有冷成型和焊接工序，介于機(jī)械復(fù)合和冶金復(fù)合之間。該方法以現(xiàn)有基板與耐蝕合金板為原料，經(jīng)組裝、端面點(diǎn)焊，JC成型、側(cè)邊襯板連續(xù)點(diǎn)焊、O成型、焊接，以及后續(xù)處理工序，制得耐蝕合金復(fù)合管，如圖6所示。

圖5 復(fù)合板卷成型過程示意

圖6 雙層板點(diǎn)焊卷彎焊接制管法工藝流程

3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r分析

目前，耐蝕合金復(fù)合管的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)與裝備主要集中在歐洲地區(qū)和日本，又以德國(guó)和日本最為突出。國(guó)內(nèi)外耐蝕合金復(fù)合管的生產(chǎn)與應(yīng)用主要以機(jī)械復(fù)合管為主，規(guī)格主要為Φ219 mm、Φ159 mm；冶金復(fù)合管數(shù)量較少，規(guī)格主要為Φ159 mm以下（無(wú)縫）、Φ325 mm以上（直縫焊）；對(duì)于Φ630 mm規(guī)格的機(jī)械復(fù)合管和冶金復(fù)合管，目前國(guó)內(nèi)外均無(wú)批量生產(chǎn)、供貨業(yè)績(jī)。國(guó)內(nèi)外耐蝕合金復(fù)合管生產(chǎn)廠家見表2。

表2 國(guó)內(nèi)外耐蝕合金復(fù)合管生產(chǎn)廠家

3.1 國(guó)外企業(yè)

德國(guó)BUTTING、EEW、貝爾格隆、EBK，意大利INOXTECH，英國(guó)PROCLAD，澳大利亞CLADTEK等國(guó)外廠家，已在機(jī)械復(fù)合管、冶金復(fù)合管方面具有比較成熟的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，掌握了耐蝕合金復(fù)合管基層與襯/覆層焊接方法和施工對(duì)接焊技術(shù)，并且具備耐蝕合金復(fù)合管的制造檢驗(yàn)技術(shù)和能力，供貨業(yè)績(jī)也較好。

3.2 國(guó)內(nèi)企業(yè)

國(guó)內(nèi)耐蝕合金復(fù)合管的技術(shù)水平主要還停留在機(jī)械復(fù)合上。一些廠家已具有一定的供貨業(yè)績(jī)，技術(shù)成熟性與質(zhì)量可靠性已逐步提高與完善，有能力承擔(dān)耐蝕合金復(fù)合管的生產(chǎn)與供貨；另有幾個(gè)廠家正在進(jìn)行耐蝕合金復(fù)合管的試制。對(duì)于技術(shù)含量相對(duì)較高的冶金復(fù)合管，目前國(guó)內(nèi)只有2～3家企業(yè)具有一定的供貨業(yè)績(jī)，還有2家企業(yè)正在進(jìn)行冶金復(fù)合管的試制并已取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

3.3 國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)能力分析

3.3.1 機(jī)械復(fù)合管

國(guó)內(nèi)機(jī)械復(fù)合管廠家生產(chǎn)能力情況見表3，國(guó)外機(jī)械復(fù)合管廠家生產(chǎn)能力情況見表4，國(guó)內(nèi)外機(jī)械復(fù)合管生產(chǎn)能力分布如圖7所示。

3.3.2 冶金復(fù)合管

國(guó)內(nèi)冶金復(fù)合管廠家生產(chǎn)能力情況見表5，國(guó)外冶金復(fù)合管廠家生產(chǎn)能力情況見表6，國(guó)內(nèi)外冶金復(fù)合管生產(chǎn)能力分布如圖8所示。

表3 國(guó)內(nèi)機(jī)械復(fù)合管廠家生產(chǎn)能力匯總

表4 國(guó)外機(jī)械復(fù)合管廠家生產(chǎn)能力匯總

圖7 國(guó)內(nèi)外機(jī)械復(fù)合管生產(chǎn)能力分布

4 雙金屬?gòu)?fù)合管的應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

受國(guó)際節(jié)能要求以及油氣作業(yè)環(huán)境惡化的影響，國(guó)內(nèi)外耐蝕合金復(fù)合管的應(yīng)用日趨廣泛，并向著多元化方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)外雙金屬?gòu)?fù)合管應(yīng)用情況見表7。根據(jù)NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003標(biāo)準(zhǔn)［17］的材質(zhì)選擇方案，油氣田及高溫、高壓、高腐蝕性工況環(huán)境將是未來(lái)耐蝕合金復(fù)合管的主要應(yīng)用領(lǐng)域。

機(jī)械復(fù)合管由于自身的結(jié)構(gòu)特性，決定了其不能應(yīng)用于高溫、熱傳導(dǎo)及有軸向力傳遞要求的工況環(huán)境。熱復(fù)合塑性成型技術(shù)或固相熱擴(kuò)散技術(shù)制備而成的復(fù)合管，界面可實(shí)現(xiàn)完全冶金結(jié)合，界面結(jié)合強(qiáng)度高，適用于高溫、高壓、高腐蝕性作業(yè)環(huán)境，以及有熱傳導(dǎo)和軸向力傳遞要求的工況環(huán)境。對(duì)于常溫高腐蝕、高磨損作業(yè)環(huán)境，出于成本上的考慮，目前主要采用機(jī)械復(fù)合管，但同時(shí)也帶來(lái)了現(xiàn)場(chǎng)施工難度的增加與施工效率的降低以及質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的增大等問題。隨著冶金復(fù)合管制造技術(shù)的日趨完善及短流程化，其生產(chǎn)成本可有效降低，屆時(shí)在不增加成本的情況下可完全替代機(jī)械復(fù)合管，同時(shí)也降低了現(xiàn)場(chǎng)施工的難度與質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，提高了施工效率。

隨著油氣田開采環(huán)境的日益復(fù)雜化，以及應(yīng)用領(lǐng)域的多元化，對(duì)能服役于高溫等苛刻工作環(huán)境的雙金屬?gòu)?fù)合管的需求將日益增大，因此冶金結(jié)合雙金屬?gòu)?fù)合管以及相應(yīng)的熱復(fù)合塑性成型技術(shù)和固相熱擴(kuò)散技術(shù)是未來(lái)雙金屬?gòu)?fù)合管生產(chǎn)技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

表5 國(guó)內(nèi)冶金復(fù)合管廠家生產(chǎn)能力匯總

表6 國(guó)外冶金復(fù)合管廠家生產(chǎn)能力匯總

圖8 國(guó)內(nèi)外冶金復(fù)合管生產(chǎn)能力分布

表7 國(guó)內(nèi)外雙金屬?gòu)?fù)合管應(yīng)用情況

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