雙金屬?gòu)?fù)合管的研究與應(yīng)用

□張文毓

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所河南洛陽(yáng)471023

雙金屬?gòu)?fù)合管的研究與應(yīng)用

□張文毓

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所河南洛陽(yáng)471023

雙金屬?gòu)?fù)合管是一種由內(nèi)抗腐蝕合金材料層和外碳鋼材料層復(fù)合而成的新型管材，結(jié)合了外碳鋼管高強(qiáng)度和內(nèi)合金材料抗腐蝕的性能。概述了雙金屬?gòu)?fù)合管，介紹了其研究應(yīng)用現(xiàn)狀。

雙金屬?gòu)?fù)合管自2001年在我國(guó)油氣田領(lǐng)域應(yīng)用以來(lái)，以其低廉的價(jià)格、較高的承壓能力和優(yōu)異的耐腐蝕性能，在管材應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)展。復(fù)合管研發(fā)技術(shù)、制造企業(yè)數(shù)量、制造技術(shù)、制造能力、生產(chǎn)規(guī)模，營(yíng)銷隊(duì)伍等，都得到了較快的發(fā)展。此外，對(duì)復(fù)合管理論和應(yīng)用技術(shù)的研究也越來(lái)越多。除復(fù)合管制造企業(yè)本身外，國(guó)內(nèi)外眾多知名科研院校和研究機(jī)構(gòu)也參與到研究隊(duì)伍中來(lái)，使雙金屬?gòu)?fù)合管應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬。國(guó)內(nèi)油氣輸送管線已經(jīng)從陸地石油、天然氣管線發(fā)展到海底管線，化工和電力行業(yè)對(duì)復(fù)合管的關(guān)注度也進(jìn)一步增加。目前，國(guó)內(nèi)累計(jì)應(yīng)用雙金屬?gòu)?fù)合管近2000km。

國(guó)外復(fù)合管的發(fā)展相對(duì)較為成熟，從陸地到海洋已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)報(bào)道，國(guó)外雙金屬?gòu)?fù)合管目前在油氣田應(yīng)用已近20萬(wàn)t。德國(guó)的BUTTING公司是世界上最早開(kāi)發(fā)，也是目前最知名的雙金屬?gòu)?fù)合管制造企業(yè)，產(chǎn)品成熟，技術(shù)完善，目前已累計(jì)生產(chǎn)機(jī)械復(fù)合管22 000 t，其中90%應(yīng)用于海底管線。英國(guó)ProCLAD公司的客戶主要集中在中東地區(qū)，涵蓋了大部分中東國(guó)家的石油公司，如阿聯(lián)酋、埃及、阿曼、沙特、卡塔爾等國(guó)的石油天然氣公司。此外，美國(guó)的CLADTEK、日本的新日鐵、日本鋼管公司等都是國(guó)際知名的復(fù)合管制造企業(yè)[1]。

1 雙金屬?gòu)?fù)合管概述

雙金屬?gòu)?fù)合管是由外碳鋼材料和內(nèi)抗腐蝕合金鋼材料按機(jī)械或冶金的方式制造而成的鋼管，結(jié)合了外碳鋼材料高強(qiáng)度和內(nèi)合金鋼材料抗腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。

目前，雙金屬?gòu)?fù)合管的復(fù)合工藝主要有機(jī)械復(fù)合和冶金復(fù)合。機(jī)械復(fù)合工藝分為液壓復(fù)合、冷拔復(fù)合、爆燃復(fù)合和旋壓復(fù)合等，目前以液壓復(fù)合、爆燃復(fù)合和旋壓復(fù)合為主，其中國(guó)內(nèi)又以液壓復(fù)合和爆燃復(fù)合居多。冶金復(fù)合工藝包括熱擠壓復(fù)合、熱軋復(fù)合、離心鑄造復(fù)合、爆炸焊接復(fù)合、粉末冶金復(fù)合、堆焊復(fù)合等，其中以爆炸焊接復(fù)合、堆焊復(fù)合為主。冶金復(fù)合工藝接合強(qiáng)度較高，但生產(chǎn)成本高，制作受設(shè)備限制，產(chǎn)品規(guī)格有限，難度較大，在一定程度上也限制了冶金復(fù)合管的應(yīng)用范圍。

雙金屬?gòu)?fù)合管自1991年首次應(yīng)用于油氣田以來(lái)，經(jīng)過(guò)20多年的應(yīng)用和研究，在石油產(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)。目前制定了一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如美國(guó)《API Spec 5LD：2009內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合鋼管規(guī)范》、挪威《DNV-OS-F101：2013海底管道系統(tǒng)》等，為雙金屬?gòu)?fù)合管的應(yīng)用提供了重要依據(jù)，但對(duì)于高腐蝕性等惡劣環(huán)境，雙金屬?gòu)?fù)合管還不能完全滿足要求。國(guó)內(nèi)雙金屬?gòu)?fù)合管研究和應(yīng)用較晚，應(yīng)吸取國(guó)外的研究和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步開(kāi)展復(fù)合管的復(fù)合工藝和焊接工藝研究。雙金屬?gòu)?fù)合管在一些油氣田的成功應(yīng)用，既為復(fù)合管防腐積累了成功經(jīng)驗(yàn)，也為惡劣環(huán)境中選用防腐措施開(kāi)創(chuàng)了新的思路，更可以在保證防腐蝕的情況下降低工程投資，具有重要意義[2]。

2 研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外雙金屬?gòu)?fù)合管的生產(chǎn)技術(shù)包括壓法、熱擠壓法、爆炸焊接法、復(fù)合板焊接法、粉末冶金法、離心鑄造法、離心鋁熱法、噴射成型法等，見(jiàn)表1。

國(guó)內(nèi)目前主要的雙金屬?gòu)?fù)合管制造企業(yè)有西安向陽(yáng)航天材料股份有限公司、上海海隆石油集團(tuán)有限公司、成都貝根管道有限公司、河北新興鑄管股份有限公司、江蘇眾信綠色管業(yè)科技有限公司等，這些企業(yè)采用爆燃復(fù)合技術(shù)、氣體爆炸復(fù)合技術(shù)、液壓復(fù)合技術(shù)、離心鑄造技術(shù)和旋壓技術(shù)，并將自身的核心技術(shù)申請(qǐng)了專利保護(hù)。其中，爆燃技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)雙金屬?gòu)?fù)合管的主要生產(chǎn)方式。

表1 雙金屬?gòu)?fù)合管生產(chǎn)技術(shù)[3]

結(jié)構(gòu)的特殊性及力學(xué)性能和耐腐蝕性能的雙重要求使雙金屬?gòu)?fù)合管不能像普通管道那樣進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接施工，因此焊接技術(shù)一直是雙金屬?gòu)?fù)合管大規(guī)模應(yīng)用的障礙，雙金屬?gòu)?fù)合管制造企業(yè)不得不在管端結(jié)構(gòu)的處理上下功夫。

雙金屬?gòu)?fù)合管的焊接接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接難度較大。通過(guò)對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管端面處理工藝和對(duì)接焊工藝的分析，得知端部堆焊工藝易于端部封焊工藝，但不夠經(jīng)濟(jì)，同時(shí)指出，對(duì)于薄壁小直徑雙金屬?gòu)?fù)合管道，宜采用合金焊體對(duì)接焊工藝；而對(duì)于厚壁大直徑雙金屬?gòu)?fù)合管道，宜采用過(guò)渡焊方法焊接[4]。

復(fù)合管焊接的關(guān)鍵技術(shù)包括焊接方法的選擇、焊接材料的選擇、坡口形式和尺寸的設(shè)計(jì)、打底焊接工藝以及過(guò)渡焊接工藝。雙金屬?gòu)?fù)合管的檢測(cè)技術(shù)包括無(wú)損探傷技術(shù)、通用檢驗(yàn)技術(shù)和適應(yīng)性測(cè)試技術(shù)等。

目前，只有少數(shù)國(guó)家掌握了復(fù)合管工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)內(nèi)有公司具備生產(chǎn)爆炸機(jī)械復(fù)合管的能力，主要產(chǎn)品是石油輸送管和石油注水管。國(guó)內(nèi)還有公司具備生產(chǎn)離心澆鑄—擠壓冶金復(fù)合管的能力。德國(guó)BUTTING公司、英國(guó)ProCLAD公司已開(kāi)發(fā)出液壓復(fù)合、冶金復(fù)合的專用生產(chǎn)線，主要產(chǎn)品為石油輸送雙金屬?gòu)?fù)合管和海底管線。

如前所述，國(guó)內(nèi)外制造雙金屬?gòu)?fù)合管的機(jī)械復(fù)合工藝主要有：液壓復(fù)合、爆燃復(fù)合和強(qiáng)壓復(fù)合，其中又以液壓復(fù)合和爆燃復(fù)合為主。液壓復(fù)合工藝主要通過(guò)液壓膨脹使內(nèi)襯管和基管緊密貼合。爆燃復(fù)合工藝?yán)煤教毂技夹g(shù)使基管與內(nèi)襯管緊密貼合。復(fù)合管內(nèi)襯管根據(jù)壁厚不同，采用不同的焊接方法進(jìn)行加工制造，主要有鎢極氬弧焊、等離子焊和熔化極氣體保護(hù)焊等。對(duì)于壁厚小于2.0 mm的內(nèi)襯管，通常采用氬弧焊打底，并進(jìn)行等離子焊。對(duì)于壁厚為2～3 mm的內(nèi)襯管，通常采用等離子焊和熔化極氣體保護(hù)焊。焊接后的薄壁內(nèi)襯管經(jīng)過(guò)在線整形、校直、渦流探傷（或射線探傷）和定尺切斷，成為復(fù)合管內(nèi)襯管[5]。

3 應(yīng)用

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)雙金屬?gòu)?fù)合管無(wú)論是在品種結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、產(chǎn)量，還是在生產(chǎn)技術(shù)方面均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。2011年9月8日，歷時(shí)39天、長(zhǎng)約22.5 km的崖城13-4海管項(xiàng)目提前鋪設(shè)完工，這是我國(guó)海洋油氣輸送領(lǐng)域首條雙金屬機(jī)械復(fù)合管線，也是第一條國(guó)內(nèi)自主生產(chǎn)并施工的雙金屬?gòu)?fù)合管海洋油氣輸送管線。該項(xiàng)目的竣工標(biāo)志著雙金屬?gòu)?fù)合管在我國(guó)海洋油氣輸送管線上的應(yīng)用邁出了實(shí)質(zhì)性步伐。

國(guó)外雙金屬?gòu)?fù)合管的生產(chǎn)工藝已日趨完善，有些國(guó)家還達(dá)到了專業(yè)化生產(chǎn)水平，產(chǎn)品除滿足本國(guó)需求外還大量出口。前蘇聯(lián)在20世紀(jì)60年代已能批量生產(chǎn)各種耐熱耐蝕、有色金屬、鎳等復(fù)合管，以及用于動(dòng)力、機(jī)械制造、造船等領(lǐng)域的特薄壁管和大直徑管。日本住友金屬公司利用現(xiàn)有常規(guī)制管設(shè)備生產(chǎn)了直徑25.4～406.4 mm的多種不銹鋼復(fù)合管。日本神戶制鋼公司近年建成的數(shù)條原子能用管生產(chǎn)線，專門生產(chǎn)核反應(yīng)堆用鋯復(fù)合管及高級(jí)不銹鋼復(fù)合管，其特點(diǎn)是品種規(guī)格齊全、質(zhì)量好、產(chǎn)量高，僅鋯復(fù)合管的生產(chǎn)能力就達(dá)65萬(wàn)t。此外，美、英、德等國(guó)都有一定的雙金屬?gòu)?fù)合管的生產(chǎn)能力。國(guó)外除進(jìn)一步完善常規(guī)制管工藝外，還研究開(kāi)發(fā)了一些特殊工藝及相應(yīng)設(shè)備，如離心鑄造、爆炸焊接、熱膨脹焊接等，使雙金屬?gòu)?fù)合管的生產(chǎn)技術(shù)達(dá)到了更高的水平，品種規(guī)格更加齊全。

雙金屬?gòu)?fù)合管在國(guó)外陸上和海上油氣田項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用。表2概括了世界上雙金屬?gòu)?fù)合管的主要生產(chǎn)方、成型方法和產(chǎn)品特點(diǎn)[6]。

耐蝕合金雙金屬?gòu)?fù)合管由兩部分組成，外管為普通碳鋼無(wú)縫鋼管，內(nèi)襯管為不銹鋼、耐蝕合金等材料，兩端采用特殊結(jié)構(gòu)或特殊焊接連接。為了保證管體達(dá)到油氣輸送強(qiáng)度及壓力要求，根據(jù)輸送介質(zhì)的壓力來(lái)確定基體管。為了達(dá)到耐腐蝕性能的要求，依據(jù)管線使用壽命及氣田介質(zhì)環(huán)境來(lái)設(shè)計(jì)管線耐蝕層。因此雙金屬?gòu)?fù)合管綜合了基體管的機(jī)械性能和耐蝕合金層的性能，不僅發(fā)揮了兩種材料性能的特點(diǎn)，而且具有較高的性價(jià)比。耐蝕合金雖然在抗H2S、CO2、Cl-腐蝕性能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但價(jià)格昂貴，在高腐蝕油氣田中應(yīng)用將會(huì)使企業(yè)生產(chǎn)成本大幅增加，同時(shí)我國(guó)在耐蝕合金生產(chǎn)方面還存在一定的技術(shù)難題，目前以進(jìn)口為主，因此大面積推廣應(yīng)用較為困難。國(guó)外在20世紀(jì)70年代末就已開(kāi)始進(jìn)行了耐腐蝕合金雙金屬?gòu)?fù)合管產(chǎn)品的研究，積累了許多成功的經(jīng)驗(yàn)，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

表2 雙金屬?gòu)?fù)合管的成型特點(diǎn)和主要生產(chǎn)廠家

爆燃襯里雙金屬?gòu)?fù)合管屬機(jī)械式雙金屬?gòu)?fù)合管，制造時(shí)采用由爆燃技術(shù)生產(chǎn)的液壓動(dòng)力管，利用爆燃時(shí)產(chǎn)生的沖擊波將耐蝕合金層在瞬間脹形并緊密與基體管材貼合。

采用爆燃工藝所制造的襯里，生產(chǎn)過(guò)程除嚴(yán)格按API Spec 5LD、DNV-OS-F101、《SY/T 6623—2005內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合鋼管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)制造外，為確保產(chǎn)品質(zhì)量，還進(jìn)行了其它性能檢測(cè)，如襯層內(nèi)應(yīng)力、貼合強(qiáng)度及應(yīng)力等。

雙金屬?gòu)?fù)合管產(chǎn)品的生產(chǎn)與制造技術(shù)已基本成熟，以爆燃襯里復(fù)合技術(shù)為例，國(guó)內(nèi)制造水平目前不遜于國(guó)外，但復(fù)合管的連接卻制約該產(chǎn)品的應(yīng)用與發(fā)展。此外，內(nèi)蒙古科技大學(xué)利用白云鄂博尾礦、鋼渣、鐵渣及粉煤灰等固體廢棄物研制出了500 t同時(shí)具備玻璃陶瓷與金屬性能的納米級(jí)微晶玻璃復(fù)合管材[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

雙金屬?gòu)?fù)合管由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和良好的性價(jià)比，在國(guó)內(nèi)外油氣田等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛使用。相比國(guó)外復(fù)合管的發(fā)展和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)整體還有一定差距。在當(dāng)前資源日益匱乏的情況下，雙金屬?gòu)?fù)合管作為一種新興的節(jié)能環(huán)保材料，必將成為今后各國(guó)發(fā)展與應(yīng)用的主流。

[1]王永芳，袁江龍，張燕飛，等.雙金屬?gòu)?fù)合管的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].焊管，2013，36（2）：5-9.

[2]張文毓，侯世忠.金屬?gòu)?fù)合管的應(yīng)用[C].中國(guó)國(guó)際船艇暨高性能船學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)，上海，2012.

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[9]郭明海，劉俊友，龐于思,等.雙金屬管復(fù)合技術(shù)的研究進(jìn)展(上)[J].鋼管,2013，42（1）：11-16.

[10]郭崇曉，張燕飛，吳澤.雙金屬?gòu)?fù)合管在強(qiáng)腐蝕油氣田環(huán)境下的應(yīng)用分析及其在國(guó)內(nèi)的發(fā)展[J].全面腐蝕控制，2010，24（2）：13-17，12.

Bimetallic composite pipe is a newtype of pipe made of corrosion-resistant alloy as the inner layer and the carbon steel as the outer layer and this pipe can provide high strength of carbon steel at outer layer and corrosion resistant properties of the alloy material at inner layer.Presented an overviewof the bimetallic composite pipe and a description on its research and application status.

金屬?gòu)?fù)合管；研究；應(yīng)用

Metallic Composite Pipe；Research;Application

TH122；TP273

A

1672-0555（2016）03-070-04

2016年4月

張文毓（1968—），女，本科，高級(jí)工程師，主要從事情報(bào)研究工作