国外双层金属复合钢管的用途及生产方法

概 述 作为机械工程结构用钢管 , 从设计制作
结合成一体从而使它具有综合特性的价廉物 美的新型钢管。由于复合钢管具有优良的综 合性能 , 因此自六十年代起 , 日、美、德、 英和前苏联等国家都很重视复合钢管的开发 及使用, 从生产工艺、使用性能、检验方法 等方面进行了大量的研究 , 从而使复合钢管 产品在能源、造船、化工、石油和机械等领 域得到了广泛的应用。 [ 1] 2 复合钢管的应用范围 复合钢管的两种单层材料的组合方式完 全取决于使用要求及其环境特征, 基本原则 是: 作为基层钢管 , 它应具有较高的强度和 刚性 , 价格便宜, 工艺性能好 ; 作为复盖层 则应具有 抗环境介质的 腐蚀或者 抗磨损能 力, 该复盖层可以复合在基层管的内层 ( 内 复合 管 ) , 也 可 以复 合 在其 外 层 ( 外 复合 管) 。 复合钢管按使用性质可分为化工用液体
管, 以碳钢或低合金耐蚀钢作外层基管组成 的复 合 钢 管。例 如 日 本 川 崎 制 钢 所 选 用 API5AC- C90 的低合金钢作外层基管 , 选用 Ti 或 30Cr- 2Mo 高纯度铁素体不锈钢作内衬 管制成的复合钢 管, 用 作海水热 交换器用 管。又如日本钢管公司选择耐海水腐蚀性能 优良 , 焊 接性能 很好的铜 镍合金 ( 90Cu10Ni) 作内衬层 , 以 C - Mn 钢作 外层组成 复合板, 用 UOE 法制成外径达 16 英寸以上 的复合钢管, 广泛用作海水淡化装置的取水 管道。 3 复合钢管的生产方法 根据两种钢管接触介面的结合状态 , 复
备特殊的耐介质腐蚀外, 它还应具有较高的 强度和刚度, 因此这类复合钢管用的基层材 料通常是碳素钢、低合金钢或耐蚀钢, 而它 的覆盖层 根据耐蚀介质 的不同可选 用不锈
表 1 日本和英国复合金属管应用
工 用 途 外 净化用冷凝器 石油化学工业用冷凝器 石油精炼用高温冷凝器 高温反应气体冷却器 胺用冷却器 氨冷凝器 氨致冷机 苯冷凝器 海水冷却器 表面冷凝器 水银净化器 烃冷凝器 食油加热器 食油冷却器 制取 CO 牛奶冷却器 石油气 石油气 石油气 , 腐蚀性气体 腐蚀性反应气体 胺 氨 氨 苯蒸气 盐水 蒸气 水银 烃 蒸气 食油 CO2 吸附器 牛奶 内 海水 海水 海水 水或海水 盐水 海水或水 水或海水 海水 海水 冷却水 冷却水 海水 食油 水 冷却水 氯化钙溶液 外 层 内 层 低碳钢 耐腐蚀钢或碳素钢 耐腐蚀钢或碳素钢 耐腐蚀钢 钢或铝 低碳钢 碳素钢 低碳钢 低碳钢 耐腐蚀钢 低碳钢 低碳钢 铜 耐腐蚀钢或碳素钢 耐腐蚀钢 耐腐蚀钢 黄铜 黄铜 黄铜 黄铜 Cu- N i70- 30 合金 铜或铜合金 铜或铜镍合金 黄铜 铜镍合金 铜 , 铜合金 铜 铅或黄铜 耐腐蚀钢或碳素钢 铜 铜镍合金 铜 作 介 质 管 子 材 料
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Sandvik 钢 公 司 选 用 高 合 金 镍 铬 钢 UNSN08800 ( 合金 800) 作内管 , 以低合金钢或 普通锅炉用钢 ASTMA213T i2 ( 13CrMo44) 作 外管生产复合钢管。使用结果表明 , 它有很 好的导热性能, 优异的内外抗腐蚀性能 , 而 且保持了低合金钢良好的加工性能。这种新 型复合钢 管对气体的腐 蚀有很强的 承受能 力, 对水诱发的腐蚀也有很强的耐蚀性。又 如日本 NKK 公司选用 API- 5L- X60 钢作外 层, 选用 NIC42 钢作内层制成复合钢管 , 其 力学性能达到 API- 5L- X60 技术要求, 界 面结合剪切强度达到 400MPa 以上。对复合 钢管还进行过点蚀试验、晶间腐蚀试验及应 力腐蚀裂纹试验 , 均得到了满意的结果。用 TIG 法焊接的接头 , X 射线检验结果也是良 好的 , 在焊接部位的弯曲试验中没有出现裂 纹。 2 6 耐磨损用复合钢管 日本山阳特殊钢公司用 SUS316L 耐蚀钢 作外层 , 用司 太立 12 耐 磨 合金 作内 层, 制成取名 为 PST316L / 12 的复合钢 管, 用于 制造工程塑料用颗粒的气力输送管道 ( 如果 仅用 SUS304 不锈钢作气力输送用管, 其寿 命仅为 1 周左右 ) , 使用 4 年后测量其内侧 的磨损量 还在测量 误差范围 内 ( 约 0 1mm 左右) 。另外, 由于内层采用了既耐磨损又 耐腐蚀的司太立 No12 合金 , 完全避免了铁 锈粘污塑料颗粒的现象, 这种复合钢管在其 他微粉颗粒的气力输送管道上也得到了很好 的应用。据称该公司还开发了耐磨性更好的 不锈钢和高速钢组成的复合钢管, 其需求量 正在逐渐增加。 2 7 海水管道用复合钢管 海水淡化装置的取水管道或者海水热交 换器用管 , 以往必须选用价格昂贵的耐海水 腐蚀性较好的特 种材料 , 为了节省 材料费 用, 降低工程造价, 可选用由耐海水腐蚀材 料 ( 如 Ni、钛、不锈 钢或铜合 金 ) 作内衬
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气体用管、石油天然气输送管及油井用复合 管、锅炉用复合管、废物焚烧炉用复合管、 热交换器用复合管、耐磨损用复合管、耐腐 蚀结构用复合管以及建筑装潢用复合管等。 2 1 化工液体气体管道用复合管 作为化工用耐腐蚀输送管道, 除了应具
钢、铜及其合金, 以及铌、钽和钛等。例如 石油化工用冷凝管器、净化用冷凝器、石油 精炼用高温冷凝器和高温反应气体冷却器、 苯冷凝器等通常用低碳钢 ( 或耐蚀钢) 与黄 铜组成的复合钢管; 氨冷凝器、氨致冷机、 海水冷却器、表面冷凝器以及制取 CO 用管 道可用低碳钢与铜合金组成的复合钢管。日 本和英国在该领域使用复合钢管的情况列于 表 1。
好的耐蚀性, 但是用它作过热器, 有人担心 锅炉水会引起应力腐蚀裂纹的危险。看来 , 选用复合钢管作焚烧炉过热器较理想, 其外 层基管可选用具有耐焚烧高温以及耐腐蚀气 氛的材料 , 如瑞典 AB 山德维克钢厂为此而 研制 的 Sanicro65 合金 ( 21% Cr 、 8 5% Mo 、 Ni 基) , 而内层材料可选用具有耐应力腐蚀 裂纹的碳钢或 CrMo 钢。由这两种材料进行 匹配并用冶金结合方法制成的复合钢管完全 具备焚化炉过热器的使用要求 , 而且它还具 有较低的热膨胀 系数, 工作时的 热应力较 低, 具有较高的导热系数 , 使焚化炉过热器 的热效率较高 , 这是以往开发的防护措施所 不及的。另外 , 两支管子的连接完全可依赖 碳钢或 CrMo 合金钢部分的焊缝连接, 这种 连接 方 式 安 全 可 靠。因 此 , 欧 美 等 国 自 1971 年安装第 一台复合管焚烧炉过热器和 水冷壁用管以来 , 已使用了二百万 m 复合 钢管 ( 1985~ 1987 年报导数据 ) , 并已有超 过 10 年的实际使用成绩。 这类复合钢管也可用于以造纸厂洗浆液 ( 黑液 ) 经浓缩后作为燃料用的碱回收炉水 冷壁用管 , 因为这种废料中含有大量的钠化 物, 对设备的腐蚀性极大 , 我国甘肃火电公 司于 1997 年在承担印尼帕干布拉旺永吉纸 浆厂碱回收炉安装任务时 , 就选用美国生产 的外层为 STB410, 内层为 SUS304LTB 的复 合钢管 ( 注: 当时 的 进 口 价为 100 美 元 / m) 。 2 5 热交换器用复合钢管 作为热交换器用复合钢管 , 除了它应具
和使用考虑, 要求其材料的机械物理化学等 综合性能优良; 从经济效益考虑, 又希望材 料的使用寿命长 , 价格便宜。 虽然通过添加合金元素和热处理等冶金 手段可以提高或改善材料的某种特性, 但是 添加昂贵而稀有的合金元素并不总是能够得 到所需要的综合性能。例如, 作为高温高压 锅炉过热器用钢 管, 它应 具有高温 强度特 性、优良的耐外表面高温腐蚀和耐内表面水 蒸汽氧化的特性 , 同时为了提高锅炉的热效 率, 该钢管还应具有很好的导热性。作为单 一材料, 要求同时满足上述诸要求是有一定 困难的, 而复合钢管则是合理解决问题的有 效途径。 复合钢管是由两种 ( 或多种) 具有各自 特性的单体钢管通过特定的工艺手段把它们
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石油天然气输送管及油井复合钢管 由于石油天然气中含有大量 H 2 S、 CO2 、
油井用复合钢管, 通常选用上述材料作为内 层管 , 以保证该管道的耐腐蚀性能 , 而外层 材料 通 常为 API5L - X42、 - X50、 - X60 、 - X70、 ASTM - A106GB、 A335 - P22 等 材 料, 以保证该管道的强度。由这两类材料组 合成的复合钢管亦适用于开发地热用的取水 管道。
Cl 等腐蚀介质 , 因此所用管材的特点是除 了应具有较高的强度和刚度外 , 还应具有耐 上述介质腐蚀的能力。能具备耐这些腐蚀介 质的材料是不锈钢, 625 合金、 Incoloy825 和 镍基合金。因此作为石油天然气输送管道及
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上
海
金
属
第 22 卷
日美等国对有关复合钢管用作石油天然 气输送管道进行过大量研究, 美国石油协会 ( API) 已制订出管线用复合钢管的标准 , 编 号为 5LD, 据称复合钢管于 1991 年投入使 用, 用量正在逐渐扩大。 2 3 锅炉用复合钢管 在火力发电方面 , 日美欧等发达国家正 在开发超高 温超高压锅炉 ( 即 USC 锅炉 ) 。 由于超超锅炉产生的是高温高压蒸汽, 因此 用于 这 种 锅 炉 过 热 器 的 钢 管 应 具 有 耐 650 , 3500MPa 蒸 汽 条 件 下的 高 温 强 度, 优良的外表面耐高温腐蚀能力和内表面耐水 蒸汽氧化性能等特性。为此, 日本住友金属 公司用 SUS310S、 35Cr - 55Ni、 40Cr - 55Ni 材 料 作 外 层 基 管, 用 17 - 14CuMo 和 Alloy800H 等材料 作内层管, 以 冶金结合方 法开发出用于超超锅炉过热器用新型复合钢 管, 该 复 合 钢管 通 过 了 按 JIS3463 ( 1984) 标准进行的压扁、扩口和弯曲试验 , 以及高 温强度、蠕变断裂、时效、冲击等高温特性 试验、耐硫腐蚀试验、焊接性能等一系列试 验。因此认为这种钢管在超超锅炉过热器上 应用是适宜的 , 能提高使 用寿命和 降低造 价。 瑞典 Sandvik 钢铁公司开发成功由碳钢 作内层 , 耐蚀性好的 Sanicro28 钢 ( 27% Cr, 31% Ni, 3 5% Mo 的奥 氏体超低 碳不锈钢 ) 作外层基管, 通过冶金结合制成复合钢管, 在锅炉结构设计上无需任何变更, 就可直接 使用。 2 4 废物焚烧炉用复合钢管 自本世纪六十年代中期废物焚化技术发 展以来, 废物焚化炉一直受到管子寿命的困 扰, 如果仅用 CrMo 低合金钢作管子, 不采 取任何保护措施 , 管子的使用寿命不到六个 月。为此 , 开发了多种防护技术, 如水冷壁 法, 在碳素钢管外包复耐火材料, 或堆焊高 铬材料等。奥氏体不锈钢和镍基合金具有良