復(fù)合彎管成型工藝及性能特點(diǎn)研究進(jìn)展

李瑞川

四川吉石科技有限公司（四川 成都 610000）

0 引言

目前全球石油資源日漸緊缺，油氣資源開發(fā)逐步轉(zhuǎn)向高CO2、高硫油氣田，管線輸送介質(zhì)成分越來(lái)越復(fù)雜，嚴(yán)苛的腐蝕環(huán)境對(duì)石油管材提出了更高的要求。雙金屬?gòu)?fù)合管是近年來(lái)石油行業(yè)中快速發(fā)展的新型管材。其特點(diǎn)在于既有鋼管良好的強(qiáng)度和韌性，又具有較高的耐腐蝕、耐磨性能，且制造成本遠(yuǎn)低于單層耐蝕合金管，因而廣泛應(yīng)用于惡劣腐蝕性和磨損性輸送環(huán)境中。其中，復(fù)合彎管是不可缺少的管件，結(jié)構(gòu)上可通過(guò)對(duì)焊、法蘭連接兩端直管段來(lái)作為過(guò)渡進(jìn)行流向傳輸[1]。在流體和夾雜固體顆粒的流體沖刷下，彎管在使用中相比直管的受力環(huán)境更加苛刻，磨損更加嚴(yán)重，因此更容易失效，是泄漏的危險(xiǎn)區(qū)位置。

良好的制造工藝和性能是復(fù)合管線持久安全運(yùn)行的重要保障。通常情況下，金屬基復(fù)合彎管在結(jié)構(gòu)上復(fù)合與直管段相同，外層（基層）通常為碳鋼或低合金鋼管，內(nèi)層（襯層）具有一層較薄的耐腐蝕合金層，彎曲角度為0°~180°；種類上可分為非金屬/金屬?gòu)?fù)合彎管和雙金屬?gòu)?fù)合彎管；復(fù)合工藝上可分為物理復(fù)合和冶金復(fù)合[2]。我國(guó)在復(fù)合彎管方面發(fā)展較晚，2015 年才發(fā)布了具體標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31940—2015《流體輸送用雙金屬?gòu)?fù)合耐腐蝕鋼管》，其規(guī)定了復(fù)合管直管的尺寸、外形、重量及允許偏差、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法等，但仍然缺少對(duì)彎管的規(guī)定。截至2018年，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)發(fā)布了GB/T 35067—2018《石油天然氣工業(yè)用耐腐蝕合金復(fù)合彎管》與GB/T 35072—2018《石油天然氣工業(yè)用耐腐蝕合金復(fù)合管件》，對(duì)幾何尺寸、材料、制造工藝、技術(shù)要求和檢驗(yàn)方法、NDT、表面質(zhì)量與缺陷修補(bǔ)、標(biāo)志、運(yùn)輸與防護(hù)等基本要求進(jìn)行了規(guī)范。這說(shuō)明了該項(xiàng)產(chǎn)品的市場(chǎng)需求增加和產(chǎn)品生產(chǎn)能力的進(jìn)步。

1 非金屬/金屬?gòu)?fù)合彎管

1.1 自蔓延陶瓷復(fù)合彎管

自蔓延高溫合成技術(shù)（SHS）起始于1967 年，是鋁熱法制備金屬陶瓷復(fù)合材料的重要方法之一。自蔓延陶瓷復(fù)合彎管是利用原料在鋁熱反應(yīng)中自身散發(fā)的熱量維持反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，呈現(xiàn)自蔓延燃燒現(xiàn)象，利用自身重力使熔池位置形成基管、金屬間化合物過(guò)渡層和耐磨層結(jié)合在一起的一種復(fù)合材料。工藝流程一般為：Al粉+Fe2O3粉+添加劑→烘干混料→裝填基管→旋轉(zhuǎn)裝置上夾持→預(yù)熱→點(diǎn)火旋轉(zhuǎn)→反應(yīng)界面保持水平→冷卻檢驗(yàn)→成品，如圖1所示[3]。常規(guī)添加劑起稀釋和增加流動(dòng)性作用，常用的有SiO2、Si、長(zhǎng)石、玻璃陶瓷粉，而特殊添加劑如NaF，通過(guò)降低熔體結(jié)晶溫度和熔體動(dòng)力黏度而促使陶瓷致密[4]。不超過(guò)15%的Fe3O4能使燃燒溫度、蔓延速率及SHS反應(yīng)轉(zhuǎn)化率均有所升高[5]。主反應(yīng)如下：

圖1 SHS陶瓷內(nèi)襯復(fù)合彎管合成過(guò)程示意圖

該技術(shù)能在金屬與陶瓷內(nèi)覆層之間形成連續(xù)緊密且平穩(wěn)的梯度層連接，以發(fā)揮陶瓷層耐熱、抗氧化、耐腐蝕和金屬層抗擠壓和抗沖擊的作用。反應(yīng)特點(diǎn)為蔓延迅速，能耗少，設(shè)備簡(jiǎn)單，適用于較大工件。質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)建議參考YB/T 176—2017《陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管》，包括產(chǎn)品標(biāo)識(shí)、外形尺寸、質(zhì)量、力學(xué)及物理性能、耐蝕性能、耐壓性能、表面質(zhì)量和穿透性裂紋尺寸等。目前，自蔓延陶瓷內(nèi)襯復(fù)合法已在直管段部分進(jìn)入了工業(yè)化應(yīng)用。但彎管的自蔓延法自動(dòng)化精確控制難度較大，陶瓷內(nèi)襯層最大厚度有限，因此工業(yè)化廠家數(shù)量有限且有待制造水平提高[6]。其中精確控制溫度在鋼管熔點(diǎn)以下，防止彎管燒穿是工藝控制中的關(guān)鍵步驟[7]。

1.2 陶瓷復(fù)合彎管

對(duì)已成型的鋼制彎管內(nèi)部鑲嵌燒結(jié)成型的小陶瓷方片，輔以螺絲穿透和耐高溫膠黏劑黏接相結(jié)合的方式固定防止陶瓷片從鋼管內(nèi)壁脫落。陶瓷片（主要成分有氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅）的硬度和致密性較高，維氏硬度一般大于1 100 HV，因此彎管具有高于鐵基母管10 倍的耐磨性。陶瓷層造價(jià)低，適用溫度范圍廣，可在-50~400 ℃范圍長(zhǎng)期運(yùn)行，厚度可由使用環(huán)境和使用壽命來(lái)設(shè)計(jì)。質(zhì)量控制方面，耐磨彎管所有焊縫均需經(jīng)過(guò)在線連續(xù)超聲波自動(dòng)探傷儀檢查，保證100%的螺旋焊縫的無(wú)損檢測(cè)覆蓋率。經(jīng)過(guò)手動(dòng)超聲波和X 射線復(fù)查，如確有缺陷，經(jīng)過(guò)修補(bǔ)后，需再次經(jīng)過(guò)無(wú)損檢驗(yàn)，直到確認(rèn)缺陷消除方可繼續(xù)使用。

此外，單獨(dú)使用熱壓鑄成型燒結(jié)的短陶瓷環(huán)裝配也是一種成型復(fù)合彎管的工藝。此法將短陶瓷環(huán)經(jīng)過(guò)高溫膠黏劑黏接打磨后插入鋼制彎管進(jìn)行裝配后再填縫焊接。這種復(fù)合彎管成型的方法也是一種適用于改進(jìn)彎管耐沖刷耐磨的辦法[8]。

1.3 高分子材料襯里復(fù)合彎管

高分子材料襯里復(fù)合彎管利用纖維纏繞作增強(qiáng)相，橡膠層（丁苯橡膠、天然橡膠和氯丁橡膠等）或塑料層（高密度聚乙烯或聚丙烯），擠壓注射模具成型作為襯里，得到DN100~1 000 mm 的橡襯復(fù)合管，參照DL/T 680—2015《電力行業(yè)耐磨管道技術(shù)條件》的技術(shù)要求進(jìn)行質(zhì)量控制。該管不僅可以應(yīng)用到各種油田環(huán)境（包括酸性鹽水）中，作長(zhǎng)期的化學(xué)防腐層使用，也可作為提高耐蝕性改造的方法之一。實(shí)際應(yīng)用證明，對(duì)最可能出現(xiàn)故障的地方應(yīng)用該法進(jìn)行改造，耐55 ℃以下的酸性鹽水是可靠的[9]。

2 雙金屬?gòu)?fù)合彎管

2.1 鋼制彎管堆焊耐蝕合金管

由于彎管直接膨脹時(shí)各方向受力不均，因此常用的直接成型法，例如水壓和爆炸焊接難以成型，而是采用在基管上堆焊耐蝕合金層。基管通常使用各種普通碳素鋼和專用鋼，常用材料例如Q235B、16MnR 和 20R 等。覆層材料常用 304、316L、1Cr13等各種牌號(hào)的不銹鋼、鎳基合金和鈦基合金等。焊絲內(nèi)壁堆焊成型的優(yōu)點(diǎn)在于可以兼顧內(nèi)壁的耐蝕性和現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)易焊性的需要。目前對(duì)中頻加熱煨制的彎管堆焊所采用的堆焊技術(shù)有TIG 焊（惰性氣體鎢極保護(hù)焊）和MAG 焊（熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊），一般采取機(jī)器人全自動(dòng)堆焊機(jī)精確控制焊接工藝參數(shù)。采用不銹鋼復(fù)合板代替純不銹鋼板具有明顯成本優(yōu)勢(shì)，成型質(zhì)量雖可控，但速度較慢堆焊成本較高，堆焊層較?。ㄍǔ２淮笥? mm）。

對(duì)于堆焊不銹鋼的復(fù)合管，通過(guò)質(zhì)量控制為力學(xué)和化學(xué)檢驗(yàn)。其中維氏硬度取決于彎管回火過(guò)程中包括升溫速度、保溫溫度和時(shí)間、冷卻速度和出爐溫度。工藝控制上，適度提高熱處理溫度、延長(zhǎng)保溫時(shí)間可降低維氏硬度值。嚴(yán)格控制冷卻速度可減少微裂紋。剪切強(qiáng)度暫由技術(shù)協(xié)議規(guī)定，主要受堆焊缺陷數(shù)量影響。材質(zhì)中的化學(xué)成分依據(jù)原材料成分范圍進(jìn)行檢測(cè)。管體和焊縫的無(wú)損檢驗(yàn)在回火熱處理后進(jìn)行100%的可記錄超聲波檢查和磁粉檢查，覆層表面進(jìn)行滲透檢測(cè)。分層問(wèn)題通常利用堆焊前提高中頻加熱溫度均勻性來(lái)解決[10]。

2.2 復(fù)合板直縫焊熱煨彎管

由于冷彎彎管容易出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力大、界面分層、波浪高度和波峰間距超標(biāo)等問(wèn)題，對(duì)成型速度和成型成本有更高要求的工藝可選用對(duì)復(fù)合板JCO 成型，且進(jìn)行GMAW(熔化極氣體保護(hù)焊)預(yù)焊接、內(nèi)外側(cè)基層采用SAW（埋弧自動(dòng)焊）方式進(jìn)行焊接制備直管，焊接制成復(fù)合管后熱煨彎曲制備復(fù)合彎管。例如渤海石油裝備公司采用焊接后熱煨成型的辦法得到的N08825 復(fù)合彎管，襯層與基層間結(jié)合緊密。蘇州威爾漢姆對(duì)Inconel625/X65冶金復(fù)合管進(jìn)行了試制和檢測(cè)，通過(guò)了點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、力學(xué)性能試驗(yàn)等評(píng)價(jià)[11]。

中油管道[12]對(duì)熱軋復(fù)合（機(jī)械復(fù)合）和堆焊鎳基合金復(fù)合（冶金復(fù)合）管熱煨彎管成型進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，兩者耐蝕性測(cè)試合格，但主要問(wèn)題在于機(jī)械復(fù)合彎管由于剪切力小容易出現(xiàn)基層和襯層分離問(wèn)題，而冶金復(fù)合結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，但成型時(shí)間長(zhǎng)，受對(duì)焊設(shè)備影響不適合過(guò)小尺寸的彎管。

2.3 鑄造雙金屬?gòu)?fù)合彎管

如圖2 所示，雙金屬?gòu)?fù)合彎管可以通過(guò)鑄造成型[13]。早期一些學(xué)者[2]研究了消失模真空吸鑄法制備高鉻鑄鐵/16Mn鋼雙金屬?gòu)?fù)合彎管來(lái)取代折線型彎管，優(yōu)化了輸送流體流態(tài)。雙金屬界面大部分可形成冶金結(jié)合，主要工藝步驟為：內(nèi)壁除銹→加入EPS→模型烘干→控速澆注→型砂緩冷。結(jié)構(gòu)上內(nèi)覆層高鉻鑄鐵硬度高，其棒狀M7C3 碳化物具有較高韌性，而奧氏體又具有明顯的加工硬化性能。水煤礦渣輸送的試驗(yàn)效果顯示耐磨性高于陶瓷-鋼復(fù)合管，延長(zhǎng)了使用壽命。

圖2 消失模真空吸鑄法澆注雙金屬?gòu)?fù)合彎管示意圖

近年來(lái)，不少學(xué)者應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，不僅能對(duì)鑄造二次結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，還能通過(guò)優(yōu)化預(yù)熱溫度和澆口高度的方法來(lái)解決一些缺陷問(wèn)題，從而指導(dǎo)工業(yè)試驗(yàn)[14]。例如孫琨[15]等將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用在高鉻鑄鐵/16Mn鋼雙金屬?gòu)?fù)合彎管中發(fā)現(xiàn)原始設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的界面間隙缺陷，在二次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)修改原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的連續(xù)曲面界面冷卻方式，使界面結(jié)合為鋸齒形界面冷卻，為降低界面收縮變形量提供理論依據(jù)，并且解決彎管的耐磨性和可焊性間的矛盾問(wèn)題。其彎管制造簡(jiǎn)捷性和彎管耐磨性都遠(yuǎn)優(yōu)于鑄石彎管和稀土合金耐磨鋼彎管。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法也可以引入到數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)模擬雙金屬?gòu)?fù)合彎管鑄造過(guò)程，通過(guò)研究界面溫度變化和澆注后彎管的收縮變形對(duì)界面結(jié)合的影響進(jìn)行了模擬來(lái)優(yōu)化工藝。該法充型凝固過(guò)程的溫度分布的仿真結(jié)果滿足了實(shí)際改造需要，證明了利用有限元法對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管設(shè)計(jì)和工藝制訂是可行的[16-17]。

工藝上，消失模鑄造技術(shù)也可結(jié)合雙金屬液固復(fù)合鑄造工藝制備了高鉻鑄鐵/雙金屬?gòu)?fù)合彎管，試驗(yàn)結(jié)果表明不同真空度條件和振動(dòng)條件對(duì)鑄造質(zhì)量影響很大。真空度的增加會(huì)造成外壁降溫加快，金屬界面收縮縫隙增大，而適度的振動(dòng)使?jié)沧⒁焊映浞痔顫M腔體。外壁火焰加熱保溫能使20#鋼有充足熱量與高溫高鉻鑄鐵金屬液形成冶金結(jié)合狀態(tài)。鑄造件的力學(xué)性能達(dá)到普通高鉻鑄鐵的硬度和韌性[18]。

實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，消失模鑄造技術(shù)的問(wèn)題在于若不加旋轉(zhuǎn)，重力因素會(huì)造成內(nèi)襯層壁厚外壁明顯大于內(nèi)壁的情況，而增加真空度有利于提高壁厚均一性，但會(huì)增加界面間的間隙。因此需要適度地調(diào)整消失模的位置和燃燒過(guò)程來(lái)提高壁厚均一性。

3 其他問(wèn)題

1）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范問(wèn)題。由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)逐步針對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合彎管的生產(chǎn)、檢驗(yàn)提出規(guī)范，因此，在實(shí)際生產(chǎn)和檢驗(yàn)過(guò)程中，制造廠按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彎管的基層和襯層組分材料的理化性能和無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行控制和檢測(cè)[19]。內(nèi)襯層的質(zhì)量是非常重要的，生產(chǎn)中容易出現(xiàn)襯里材料裂紋，缺陷會(huì)造成應(yīng)力集中，促使該位置容易斷裂和腐蝕過(guò)早失效，進(jìn)一步導(dǎo)致基管穿孔和流體泄漏。因此需要在質(zhì)量控制過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行無(wú)損檢測(cè)的方法和標(biāo)準(zhǔn)。此外還要求彎管表面不得有裂紋、過(guò)熱、過(guò)燒，不得有結(jié)疤、劃痕、重皮等缺欠并且表面不允許有明顯褶皺[10]。雖然目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了較為詳細(xì)的尺寸、元素成分等質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)，但基于整管復(fù)合后成品管對(duì)于管輸含硫介質(zhì)下抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的檢測(cè)也需要重視和細(xì)化。

2）熱處理工藝問(wèn)題。彎管煨制或冷成型后，均需要進(jìn)行回火熱處理來(lái)消除熱應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力。由于基管和內(nèi)襯層的導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)不同以及界面結(jié)合強(qiáng)度不均一等問(wèn)題，很難獲得同時(shí)保證基管和內(nèi)襯層質(zhì)量都達(dá)到滿意的熱處理效果[20]。有的廠家采用針對(duì)不用材質(zhì)的復(fù)合管試制加熱溫度和保溫時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化來(lái)達(dá)到滿意的理化性能和界面強(qiáng)度，可以適度減少表面裂紋[12]。

3）尺寸檢驗(yàn)。通常采用超聲波測(cè)厚法檢測(cè)制造成品是否處于允許有最大達(dá)9%的外弧壁厚減薄率。熱煨法或冷彎法容易使彎管局部位置產(chǎn)生褶皺，而使超聲波測(cè)厚法得到的壁厚減薄率可能超限。原因在于褶皺彎曲過(guò)大會(huì)對(duì)超聲波回路造成影響而產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。因此設(shè)計(jì)和改造合適的諸如超聲波探頭之類的檢測(cè)工具也是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。部分廠家選擇了增加原始內(nèi)襯層厚度來(lái)減少壁厚減薄率超限，也有部分廠家采用了打磨掉少量表面微裂紋的辦法來(lái)達(dá)到壁厚質(zhì)量要求。

4）復(fù)合層間裝配間隙問(wèn)題。復(fù)合層間間隙較大會(huì)導(dǎo)致耐蝕層無(wú)法有效將流體的沖擊力傳給外層鋼管，進(jìn)而致使內(nèi)襯管處于往復(fù)變形狀態(tài)，影響使用壽命[21]。因此需要根據(jù)實(shí)際需要嚴(yán)格檢查來(lái)減少?gòu)?fù)合層間間隙及保證結(jié)合力。

5）外層防腐問(wèn)題。復(fù)合彎管外層防腐保護(hù)方法與單層彎管相似，通常也采用環(huán)氧粉末層、膠黏劑層和纏繞帶層三層的3PE 或3PP 形式做防腐處理，但防腐效果評(píng)價(jià)采用單層管評(píng)價(jià)方法是否適合是值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

4 結(jié)論

1）利用金屬、陶瓷、高分子不同種類的材料進(jìn)行制備管道復(fù)合材料，滿足苛刻條件下流體輸送效果是今后新型管材發(fā)展的大趨勢(shì)。

2）復(fù)合彎管的質(zhì)量規(guī)范亟待國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)化，目前可參照直管復(fù)合管和單層彎管指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，包括內(nèi)襯管完整性、耐蝕/磨性、剪切力檢查等。

3）解決復(fù)合彎管常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題如硬度超標(biāo)分層現(xiàn)象細(xì)小裂紋等，需要綜合考慮制造方法并調(diào)整其中的各項(xiàng)制造參數(shù)來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量。雖然復(fù)合彎管在流體輸送過(guò)程中具有防護(hù)效果好、適用性強(qiáng)、使用率高等特點(diǎn)，但工藝上仍需要針對(duì)不同工況對(duì)彎管耐蝕耐磨性能的要求選擇不同成型方法。