双金属复合管复合工艺研究进展_曹晓燕

钢 管 2014 年 4 月 第 43 卷第 2金属融合、液态金属雾化、快速 凝固、热喷射沉淀等工艺，技术较为成熟。由于具 有快速凝固作用，所获得的金属材料成分均匀、组 织细化、无宏观偏析，而且流程短、工序少、沉淀 效率较高，喷射后层间剪切强度较高，喷射的范围 较广。 缺点：挤压时需高温高压条件，喷射成型会污 染环境，对人健康损害较大。 （10） 堆焊复合。用电焊或气焊法把金属熔化， 堆在工具或机器零件上的焊接法。 优点：堆焊层成型良好，不易有夹渣等缺陷， 熔敷效率高，熔深浅、均匀且精度较高，表面质量 优良，表面不平度小于 0.5 mm，堆焊形成的焊层 结合强度高、残余应力小。 缺点：成本高，速度较慢，难以堆焊结构复杂 的工件，而且受到焊枪尺寸的限制影响了管道内或 工件内部的堆焊长度，堆焊设备较大，现场处理难 度较大。
随着世界能源需求量增长，易开采的油气资源 越来越少，以及替代能源发展缓慢，为适应全球经 济发展，油气田勘探开发朝着高含 CO2、Cl－、H2S， 以及高温、高压等环境条件更为恶劣的区域迈进， 如我国川渝 地 区 、 新 疆 沙 漠 地 区 。 在 高 含 H2S、 CO2、Cl－等共存的环境下，油气集输管线的腐蚀极 为严重，伴随着高温、高压和硫腐蚀等因素的相互
综合述评
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双金属复合管复合工艺研究进展*
2 2 2 2 曹晓燕 1， ，邓 娟 1，上官昌淮 1， ，李天雷 1， ，崔 磊 1，
（ 1. 中国石油工程设计有限公司西南分公司，四川 成都 610041； 2. 中国石油天然气集团公司石油管工程重点实验室四川研究室，四川 成都 610041） —机械复合和冶金复合；重点对这两大复合类型的各种 摘 要：综合介绍了双金属复合管的复合工艺类型—— 工艺优缺点进行了对比分析，并提出应立足于国内现有生产水平，借鉴外国的研究和应用经验，进一步开展对双 金属复合管复合工艺和焊接工艺研究，为双金属复合管在恶劣环境油气田的成功应用奠定基础。 关键词：复合管；双金属；复合工艺；机械复合；冶金复合 中图分类号：TG335.8+3 %%文献标志码：A （2014 ） %文章编号：1001-2311 02-0011-05
* 中国石油股份有限公司科学研究与技术开发资助项 目 （JCF-2013-43-05 ） 中国石油工程设计有限公司科技统筹项目 （KY2013-20 ） 曹晓燕 （1971），女，高级工程师，主要从事油气田 腐蚀与防护设计工作。 STEEL PIPE Apr． 2014，Vol． 43，No． 2
作用，极易造成集输管线腐蚀穿孔、应力腐蚀开裂 等事故，甚至发生火灾、爆炸等，威胁人民的生命 和财产安全［1-9］。 目前，高腐蚀性油气田的集输管线在设计过程 中选用的主要材质有：碳钢、耐蚀合金钢和双金属 复合管。管线材质选用碳钢时，由于腐蚀性气体 、 高 Cl －浓度的影响，碳钢的电化学腐蚀较迅速，因 此在设计时往往需要辅以缓蚀剂、增加腐蚀监测等 保护措施，工作量大；管线选用耐蚀合金钢时，由 于耐腐蚀层仅占壁厚的 1/3 左右，其余部分为支撑 元件，造成了耐蚀合金钢浪费较大，性价比较低 。 有研究和应用结果表明，使用耐蚀合金双金属复合 管是解决高腐蚀环境下管线腐蚀问题相对安全和经
（a ）
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图 2 液压复合成型工艺示意
优点：复合工艺简单，逐渐加压成型，密闭管 内各点压力相同。 缺点：结合力较小，虽然各点压力均衡但极易 受到内衬管厚度和不规则程度影响，内衬管壁厚较 厚处与基管不能完全贴合，高温下易产生应力松弛 而分层失效。 （2 ） 爆燃复合。将装配好的基管和内衬管放在 水槽内，将炸药放置在内衬管轴线上，通过炸药爆 炸引起管内水压瞬间增高，瞬间增高的水压推动内 衬管在直径方向向外扩张，使内衬管紧贴基管的内 表面，释放压力，基管弹性变形回弹，内衬管塑性 变形实现复合。爆燃复合是利用航天爆燃技术使基
少、生产成本较低等特点，应用较为广泛，但由于 两种金属间无冶金结合面，结合强度较低，在一定 程度上限制了机械复合管的应用范围。 机械复合各成型工艺的特点如下。 （1 ） 液压复合。该工艺主要是通过液压膨胀内 衬管和基管实现紧密贴合。将装配好的基管和内衬 管两端完全密封，管内注入液体后逐步加压，内衬 管随着管内压力逐步增加在直径方向向外扩张，使 得内衬管塑性变形，基管弹性变形，当达到一定限 度时，释放压力，基管回弹，内衬管保持塑性变形 而实现复合。液压复合成型工艺如图 2 所示。
曹晓燕等：双金属复合管复合工艺研究进展*
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图 3 热轧复合成型工艺示意
图 4 堆焊复合成型工艺
图 5 堆焊后形貌
缺点：内衬管为耐蚀合金，可能产生壁厚波 动，并由于变形不一致而产生裂纹，同时难以挤压 复杂形状物件。 （2 ） 热轧复合。 优点：结合强度高，工艺简单，生产效率高 、 质量好、成本低，可大量降低金属材料的损耗。 缺点：一次性投资大，材料选择范围小，温度 升高对材料性能有一定影响。 （3） 离心铸造复合。 优点：成型的钢管组织致密，晶型细小，过渡 层较厚，应力较小，夹杂物含量少；工艺较为简 单，适用管材类型较广。
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综合述评
济的途径之一［10-11］。 耐蚀合金双金属复合管由两部分组成，基管 （外管 ） 为普通碳钢管或低合金钢管，内衬管为耐蚀 合金管，复合管两部分采用特殊结构或特殊焊接工 艺连接而成。内衬管选用的耐蚀合金可根据腐蚀环 境不同而选用不锈钢、镍基合金、双相不锈钢或其 他耐蚀合金材料。基管则根据输送介质压力等级来 确定，以满足油气输送强度及压力的要求。双金属 复合管不仅综合了基管的机械性能和内衬管耐蚀合 金的防腐性能，而且与碳钢和耐蚀合金管相比，具 有较高的性价比，因而得到越来越广泛的应用［12］。
Progress Made in Research on Cladding Process for Bimetal Clad Pipe
2 2 2 2 ，DENG Juan1，SHANGGUAN Changhuai 1， ，LI Tianlei1， ，CUI Lei1， CAO Xiaoyan1，
（ 1. Southwest Company，China Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 610041，China； 2. Sichuan Branch，CNPC Key Lab of Petroleum Tubular Goods Engineering，Chengdu 610041，China） Abstract： Comprehensively elaborated here in the paper are the cladding process types for bimetal clad pipes ， i.e.， the mechanical cladding process and the metallurgical cladding process. Focused on are the comparative analyses of separate technological advantages and disadvantages of these two major cladding processes. Based on the analysis result， it is proposed that based on the current production level， domestic bimetal clad pipe - making circles should borrow relevant research achievements and application experiences as made abroad to continue R & D of cladding process and welding process for bimetal clad pipes in a bid to lay a solid foundation for successful application of such pipes in harsh - conditioned oil and gas field. Key words：clad pipe；bimetal；cladding process；mechanical cladding；metallurgical cladding
（a ） 机械复合
（b ） 冶金复合
1 — 基管 2 — 内衬管
图 1 双金属复合管结构示意
1 双金属复合成型工艺
目前，双金属复合管的复合工艺主要有：机械 复合工艺和冶金复合工艺 ［13-18］。两种复合工艺成型 的双金属复合管如图 1 所示。 1.1 机械复合工艺 机械复合工艺分为液压复合、冷拔复合、爆燃 复合和旋压复合等，目前以液压复合、爆燃复合和 旋压复合为主，其中国内又以液压复合和爆燃复合 居多。机械复合工艺因具有生产工艺简单、工序较
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管与内衬管紧密贴合［18］，与其他复合工艺技术相比 较，爆燃复合在现场应用案例较多。 优点：一次性瞬间成型，工艺简单，炸药爆炸 形成各点压力基本相同。 缺点：由于基管内表面和内衬管外表面不规 则，以及壁厚不均匀，形成的复合管结合力较小； 炸药量的控制对内衬管充分塑性变形有一定影响。 （3 ） 旋压复合。旋压复合是通过旋压毛坯并施 加外力使其产生连续的局部塑性变形，最终获得薄 壁空心回旋体零件的少 （无 ） 切削加工的方法［19］。 优点：旋压复合工艺简单，内衬管与基管之间 紧密结合，结合强度较高，并且内衬管各点受力均
综合述评
匀，能够保证各点结合。 缺点：旋压使内衬管摩擦生热或急冷，可能影 响其耐腐蚀性能，旋压摩擦影响壁厚，尤其在基管 内壁不平时影响较大。 （4） 冷拔复合。将装配好的基管和内衬管用一 个带有锥度、最大轮廓外圆尺寸固定的模具沿内衬 管轴线拉拔，通过拉拔模具挤压和扩张，将内衬管 在直径方向复合到基管的内表面上，并通过继续扩 张使基管也处于弹性变形的范围内，基管弹性变形 回弹嵌合在内衬管的外表面上实现复合。 优点：复合工艺简单、有效，复合管内表面圆 整度好。 缺点：在高温下拉拔易产生应力松弛而分层失 效，内衬管没有达到充分塑性变形，结合力较小， 不能达到过盈结合。对基管内壁表面平整性要求较 高，由于结合力小，焊缝处反复受到介质扭曲，易 出现疲劳开裂。 （5） 冷滚压复合。 优点：结合强度较高，热膨胀系数小，耐热性 较高。 缺点：两次或多次扩径影响材料强度，工艺较 为复杂。 （6） 热膨胀复合。 优点：工艺较简单，结合力较大，内衬管气体 加压，基管感应加热。 缺点：耐蚀合金受到热膨胀系数的影响较大， 内衬管不适用低价的耐蚀合金。由于温度的改变影 响部分耐蚀合金管耐腐蚀性能。 1.2 冶金复合工艺 冶金复合工艺包括热挤压复合 、热轧复合 （图 ）、 离心铸造复合 、 爆炸焊接复合 、 粉末冶金复 3 合、堆焊复合 （图 4～5 ） 等工艺，其中以爆炸焊接复 合、堆焊复合为主 。冶金复合工艺结合强度较高， 但生产成本高 、制作受设备限制，产品规格有限 、 难度较大，在一定程度上也限制冶金复合管的应用 范围。 冶金复合各成型工艺呈现出不同的技术特点， 具体如下［19-29］。 （1 ） 热挤压复合。将两种金属表面清理后组装 成挤压坯，然后在一定的温度下以一定挤压比进行 挤压，在压力作用下使两种金属紧密接触并达到复 合。 优点：复合成型工艺简单，结合力较强。