国内外双金属复合管研究概况_刘建彬

世界金属导报/2011年/10月/18日/第019版
钢管型材
国内外双金属复合管研究概况
刘建彬
1双金属复合管的发展现状
双金属复合管由两种不同金属材料构成，管层之间通过各种变形和连接技术形成紧密结合，从而使两种材料结合成一体而制成的一种新型金属复合管材。

其一般设计原则是基材满足管道设计许用应力，复层抵抗腐蚀或磨损等。

双金属复合管兼有基层和复层的所有优点，相对于整体合金管能有效降低成本，而且在对整体合金管具有应力腐蚀开裂敏感性的氯化物和(或) 酸性环境中复合管可以提高安全性和可靠性。

随着工业技术的发展，环境介质的复杂化，以及国际竞争的加剧，许多行业对金属管材综合性能的要求越来越高，因而双金属复合管及其生产技术得到迅速发展。

对于强腐蚀、高磨损、高工作压力环境下使用的流体管道，通常采用高品质的不锈钢或高合金含量的无缝钢管，这类管材由于大量添加合金元素，其价格是一般普通无缝钢管的几倍或几十倍。

多年来，管材用户和生产商一直在努力寻求通过不同金属的复合，从而获得一种既能满足苛刻的使用环境，又价廉物美的高性能复合管材。

双金属复合管能最大限度地实现材料的优势互补，节省合金元素，降低工程费用，在保证原基管各项性能的基础上，提高了管道的耐腐蚀性、耐磨性，延长了管道的使用寿命，是纯不锈钢管、铜管或其他耐腐蚀性合金管的替代产品。

由于复合钢管具有优良的综合性能，因此自20世纪60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。

目前国外双金属复合钢管的生产工艺已日趋完善，日本、美国、英国、瑞典、德国等国家处于领先水平。

复合管已经在腐蚀性较强的石油、石化企业、核工业以及医药、食品加工等领域获得广泛认同，也可通过内层复合耐磨金属，从而满足电厂粉煤、矿山矿粉和尾矿浆输送等高磨损工作环境的要求。

而国内起步较晚，技术水平相对落后。

在国外，复合管是近10年发展较快的一种工程管道，品种、功能繁多，性能优越，形成了比较成熟的工艺技术，并且已经投产。

主要的工艺方法很多比如热轧复合方法、热挤压复合法、铸造复合方法、爆炸焊接复合方法、组合式双金属复合管生产方法、激光包覆法等。

在技术开发方面日本后来居上。

据文献报道，日本在80年代初就陆续研制和开发了多种复合工艺。

其中典型的热轧或热轧加冷成型工艺可以实现包覆材料与基材界面的冶金结合，质量优良。

其产品广泛用于石油化工、化工行业、石油及天然气工业等。

2双金属复合管制备方法的研究概况
目前双金属复合管的生产方法主要包括冷成型法、热成型法、离心铸造法、离心铝热剂法、爆炸焊成型法、电磁成型法等等。

2.1 冷成型法
冷成型制造工艺的基本特征是将预加工好的薄壁不锈钢管套入碳钢管中，然后通过机械方法使不锈钢管紧紧贴合在碳钢管内壁上。

薄壁不锈钢管有两种获得途径：一种是通过选择合适规格的无缝不锈钢管，通过旋压的方法使之变薄，达到要求的外径和厚度；另一种是用薄的不锈钢板或钢带在专用的制管机上用TIG焊接成直缝或螺旋缝不锈钢管。

采用拉拔、胀接、旋压和滚压等方法使不锈钢管紧紧贴合在碳钢管内壁上，其中拉拔和胀接最为常用。

拉拔是取两根分别制成的无缝钢管，将一根套在另一根外面，然后将两管通过一模具同时进行拉拔，从而实现紧密配合的
机械结合。

这种管的优点是生产工艺比较简单，价格较便宜。

缺点是界面非扩散结合，只是依靠对外层进行的冷加工来获得紧密配合，因此冷加工复合管如果遭遇高温就有分层倾向，复合管会因应力释放而失效。

这就限制了冷加工管的使用环境和应用领域。

胀接分机械胀接和液压胀接两种。

机械胀接是目前生产不锈钢复合管的一种主要方法，它是利用滚胀芯轴回转挤压使复合管内管发生塑性变形，外管发生弹性变形，从而使复合管的外管对内管产生接触压力，以达到复合管内外壁的紧密贴合。

液压胀接原理与机械胀接相同，只是用管内高压水施压代替滚胀芯轴回转挤压。

机械胀接时胀接力大小难以确定，易发生欠胀或过胀，且多次滚胀易造成衬里开裂。

液压胀接时胀接力均匀且大小可进行计算，因此更具优越性。

两种胀接法的共同缺点是内外层只是机械结合，和拉拔成型一样，在高温环境下会因应力松弛而分层失效。

目前金属复合无缝管冷成型法大致有以下两种：内扩涨型和外减径型。

①内扩涨型，即：采用两种材质的无缝管相互穿套（如外管采用一般普碳钢无缝钢管，内穿一薄壁不锈钢管作为内层金属管），在内管中施以高压，使内层无缝管发生塑性变形外层无缝管仅产生弹性变形，从而使内管与外管紧密结合，形成双金属复合无缝管。

②外减径型，即：仍采用两种材质的无缝管相互穿套，对外层管进行减径拉拔或轧制，使内管与外管紧密结合，形成双金属复合无缝管。

以上两种工艺生产的金属复合无缝管的不足之处在于：生产成本高昂，内外管均必须采用现成的热轧或冷拔无缝管，加上其后的内涨或减径工序使其制造成本大幅度上升；以上两种类型的无缝管并非完全意义上的金属复合，两层金属相互间并无冶金熔合，在受轴向力的情况下内外两层金属难以传递和均衡外力，在需要热传递的应用领域，由于内外两层金属间存在间隙，热阻必将大幅度增加。

2.2 热成型法
热成型制造工艺包括热轧和热挤压两种方法，前者主要适用于有缝复合管的生产，后者适用于无缝复合管的生产。

轧制是一种传统的制备复合金属的方法。

热轧复合实质上属于压力焊，如果变形量足够大，轧辊施加的压力就会破坏金属表面的氧化膜，使表面达到原子接触，从而使两表面焊在一起。

轧制的优缺点分别为：
①优点：生产率高、质量好、成本低，并可大量节省金属材料的损耗，因此是目前应用极为广泛的复合材料生产技术。

轧制结合的复合板占复合板总产量的90%，而且经常应用于壁厚小于32mm的管材的加工。

②缺点：一次性投资大，而且很多材料组合不能通过轧制复合实现。

目前应用最广泛的还是利用轧制工艺进行碳钢、不锈钢有缝复合管的制造。

热挤压一般是针对双金属管坯进行的，称为复合挤压（coextrude）。

复合挤压目前是生产不锈钢和高镍合金无缝复合管的最好方法，日本制钢所利用这种方法生产8in（203.2mm）以下的双金属复合管。

它是将两种以上的金属组成的一大直径复合坯料加热到1200℃左右，然后挤过由模具和芯轴形成的环状空间。

当挤压坯料截面缩减到10：1时，高的挤压压力和温度会在界面处产生“压力焊”的焊接效应，促进界面间的快速扩散和广泛结合，实现界面的冶金结合。

挤压前的复合管坯制造方法有三种：由锻造坯料通过热穿孔和放大挤压获得；直接离心旋铸；用耐蚀粉末颗粒。

也有内外两种金属原材料均采用粉末的，称为“NUV AL”工艺，可以开发新型合金，但粉末制备成本太高。

复合挤压的优缺点分别为：
①优点：界面为冶金结合；挤压过程中涉及的力完全是压应力，因此特别适合于热加工性不好、塑性低的高合金金属的加工。

②缺点：由于结合决定于挤压过程中极短时间内的元素界面扩散，通常会因氧化物膜的存在而受到影响，因此目前复合挤压仅限于碳钢、不锈钢和高镍合金间的复合。

需要指出的是，热挤压的变形抗力小，允许每次变形程度大，导致表面粗糙度较高，因此也有先热挤压再进行冷轧（或冷拔）制造复合管的方法。

2.3 离心铸造和离心铝热剂法
离心铸造是为适应海洋油气生产而开发的，适用于制造内衬金属熔点低于外层金属熔点的复合管。

衬层和基体均采用液态金属。

首先，将制外管的钢液引入一旋转金属模，在外管凝固过程中监测管内温度。

当外管凝固并达到一定温度时，浇入耐蚀合金等内层金属。

通过控制铸造条件，可以生产出牢固的冶金结合的双金属复合管。

当应用液态金属进行表面堆敷时，采用离心技术可消除复合层容易出现的气孔和夹杂。

这时，熔化金属中密度低的渣、杂质和气体上升到表面，而较重的金属成分下沉，在管壁上形成一致密层，从而提高熔敷质量和再现性。

因此其优缺点分别为：
①优点：界面实现冶金结合，致密度高，排渣、排气性好。

②缺点：若没有其后的热变形，仅限于铸态使用，其粗大的铸态组织导致各层金属的力学性能不能充分发挥。

另外，该方法不能生产外层为轻合金的复合钢管。

离心铝热法也称为SHS—离心法，SHS是Self Propagating High Temperature Synthesis的缩写。

离心铝热法的实质是在离心力场中引起铝热反应，所谓铝热反应就是金属铝粉和其他金属氧化物粉末均匀的混合在一起，通过点燃而发生的非常迅速的放热反应（MO+Al→M+Al2O3+Q）。

反应绝热温度可接近3000K，因此产物都处于液态，在离心力作用下，比重大的产物如Fe、Cr、Ni 等集中在靠近碳钢钢管内壁处，形成内衬金属层；Al2O3形成最内层残渣，通过机械方法除去，则制备出双金属复合钢管。

2.4 离心铸造+热挤压（热挤压+冷轧）法
“离心铸造+热挤压”是一种新的复合管短流程制备方法，通过离心铸造生产空心复合管坯，然后加热、热挤压或热挤压冷轧，以及后续热处理等工序，获得最终成品复合管。

它有效整合了离心铸造和热挤压两种方法的优点，缩短了生产工序，并实现了复合界面的完全冶金结合。

其独特之处在于：他把初级工业材料和高技术的冶金处理过程结合起来，采用离心浇铸工艺、热挤压等塑性热复合技术、冷轧（或冷拔）生产方式，获得高品质的复合管材。

2.5 爆炸焊成型法
爆炸焊成型工艺是靠炸药爆炸产生的冲击波，使内管发生塑性变形，紧贴外管，从而形成复合管。

利用爆炸成型，覆层可小于0.2mm，熔合比最小可达到5%；覆层紧密，产品适用性广。

另外，利用爆炸焊可实现多种金属间的连接，有些是采用其他方法不能实现的。

该方法的主要缺点是，界面非扩散冶金结合，对尺寸较长的复合管炸药量很难准确确定，而且具有一定的危险性。

2.6 粉末冶金法
在碳钢或类似材料制成的母管与金属薄壁管之间加入粉末充填层，管子两端分别用底板密封。

在预定的温度下加热，再热挤压成复合钢管。

最后用酸洗方法去掉底板和金属薄壁管。

根据不同的用途，复合层可为外层或内层。

2.7 激光包覆法
用高功率激光设备对钢管进行外包覆。

合金粉末经自动进料器送到母管的激光束照射区，激光束熔化粉末和工件表面薄层后，用螺旋包覆法便可完全包覆整根钢管，制成双金属复合管。

3双金属复合管的应用状况
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；作为覆层则应具有抗环境介质的腐蚀或者抗磨损能力，该覆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)。

复合钢管产品按使用性质可分为化工用液体气体用管、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。

其主要应用领域如下：
3.1 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H2S、CO2、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。

能耐这些介质腐蚀的材料是不锈钢，Inconel625、Inconel825等镍基合金。

因此作为石油天然气输送管道及油井用复合钢管，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API 5L-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。

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。

复合钢管于1991年投入使用，用量逐年扩大。

主要品种有：常规管线钢与耐腐蚀不锈钢或合金的复合管；如油井管：CrMo钢与超级13Cr、G3、825和C028等复合油井管；集输管线：16MnV或X70与各类不锈钢，825、028等镍基合金的复合管道。

3.2 锅炉用复合钢管
在火力发电方面，日本、美国、欧洲等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℃、35MPa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超超临界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、耐硫酸腐蚀试验、焊接性能等一系列试验。

因此认为这种钢管在超超临界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。

3.3 化工液化气体管道用复合钢管
除了应具备特殊的耐介质腐蚀外，它还应具有较高的强度和刚度，因此这类覆合钢管用的基层材料通常是碳素钢、低合金钢或耐蚀钢，而它的覆层根据耐蚀介质的不同可选用不锈钢、铜及其合金，以及铌、钽和钛等。

例如石油化工用冷凝器管、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比例较大。

3.4 废物焚烧炉用复合钢管
自20世纪60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6个月。

奥氏体不锈钢和镍基合金具有良好的耐蚀性，但是用它作过热器，锅炉水可能会引起应力腐蚀裂纹的危险。

因此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铬钼钢。

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。

因此，欧洲、美国等自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200万m复合钢管（1985-1987年报导数据），并已有超过10年的实际使用业绩。

3.5 热交换器用复合钢管
作为热交换器用复合钢管，除了它应具有一定的强度和耐蚀性外，其两层钢管的接触界面应达到完全冶金结合，以获得较好的导热性。

瑞典Sandvik钢公司选用高合金镍铬钢UNS N08800
（合金800）作内管，以低合金钢或普通锅炉用钢ASTM A213Ti2（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。

日本NKK公司选用API 5L-16MnV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-16MnV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实验、晶间腐蚀实验及应力腐蚀裂纹实验，均得到了满意的结果。

3.6 耐磨损用复合钢管
耐磨损用复合钢管用于电厂粉煤、矿山矿粉和尾矿浆输送等高磨损工作环境。

日本山阳特殊钢公司用SUS316L耐蚀钢作外层，用司太立No.12耐磨合金作内层，制成复合钢管，用于制造工程塑料用颗粒的气力输送管道（如果仅用SUS304L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）。

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，其需求量正在逐渐增加。

3.7 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可选用由耐海水腐蚀材料（如镍、钛、不锈钢或铜合金）作内衬管，以碳钢或低合金耐蚀钢作外层基管组成的复合钢管。

日本川崎制钢和日本钢管公司生产的海水管道用复合钢管广泛用作海水热交换器用管和海水淡化装置的取水管道。

4双金属复合管发展、应用趋势
国外双金属复合管的应用日趋广泛，尤其是油气田、海洋平台等强腐蚀环境对双金属复合管的需求急剧上升。

国外应用实例如表1所示，说明国外的双金属管消费水平较高，其应用领域正向着多元化方向发展。

塑性热复合技术制备而成的复合管界面可实现完全冶金结合，该类复合管界面结合强度高，适合于高温使用环境，因此热复合塑性成形技术具有很好的开发前景。

而且，在未来的金属复合管制造中，将倾向于采用在高温条件下能产生大塑性变形量的塑性成形冶金结合技术。