國內(nèi)外雙金屬復合管的種類、及應用

  雙金屬復合管由兩種不同金屬材料構(gòu)成，管層之間通過各種變形和連接技術(shù)形成緊密結(jié)合，從而使兩種材料結(jié)合成一體而制成的一種新型金屬復合管材。其一般設計原則是基材滿足管道設計許用應力，復層抵抗腐蝕或磨損等。雙金屬復合管兼有基層和復層的所有優(yōu)點，相對于整體合金管能有效降低成本，而且在對整體合金管具有應力腐蝕開裂敏感性的氯化物和(或) 酸性環(huán)境中復合管可以提高安全性和可靠性。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境介質(zhì)的復雜化，以及國際競爭的加劇，許多行業(yè)對金屬管材綜合性能的要求越來越高，因而雙金屬復合管及其生產(chǎn)技術(shù)得到迅速發(fā)展。
　　對于強腐蝕、高磨損、高工作壓力環(huán)境下使用的流體管道，通常采用高品質(zhì)的不銹鋼或高合金含量的無縫鋼管，這類管材由于大量添加合金元素，其價格是一般普通無縫鋼管的幾倍或幾十倍。多年來，管材用戶和生產(chǎn)商一直在努力尋求通過不同金屬的復合，從而獲得一種既能滿足苛刻的使用環(huán)境，又價廉物美的高性能復合管材。
　　雙金屬復合管能最大限度地實現(xiàn)材料的優(yōu)勢互補，節(jié)省合金元素，降低工程費用，在保證原基管各項性能的基礎上，提高了管道的耐腐蝕性、耐磨性，延長了管道的使用壽命，是純不銹鋼管、銅管或其他耐腐蝕性合金管的替代產(chǎn)品。
　　由于復合鋼管具有優(yōu)良的綜合性能，因此自20世紀60年代起，日、美、德、英和前蘇聯(lián)等國家都很重視復合鋼管的開發(fā)及使用，從生產(chǎn)工藝、使用性能、檢驗方法等方面進行了大量的研究。目前國外雙金屬復合鋼管的生產(chǎn)工藝已日趨完善，日本、美國、英國、瑞典、德國等國家處于領先水平。復合管已經(jīng)在腐蝕性較強的石油、石化企業(yè)、核工業(yè)以及醫(yī)藥、食品加工等領域獲得廣泛認同，也可通過內(nèi)層復合耐磨金屬，從而滿足電廠粉煤、礦山礦粉和尾礦漿輸送等高磨損工作環(huán)境的要求。而國內(nèi)起步較晚，技術(shù)水平相對落后。
　　在國外，復合管是近10年發(fā)展較快的一種工程管道，品種、功能繁多，性能優(yōu)越，形成了比較成熟的工藝技術(shù)，并且已經(jīng)投產(chǎn)。主要的工藝方法很多比如熱軋復合方法、熱擠壓復合法、鑄造復合方法、爆炸焊接復合方法、組合式雙金屬復合管生產(chǎn)方法、激光包覆法等。在技術(shù)開發(fā)方面日本后來居上。據(jù)文獻報道，日本在80年代初就陸續(xù)研制和開發(fā)了多種復合工藝。其中典型的熱軋或熱軋加冷成型工藝可以實現(xiàn)包覆材料與基材界面的冶金結(jié)合，質(zhì)量優(yōu)良。其產(chǎn)品廣泛用于石油化工、化工行業(yè)、石油及天然氣工業(yè)等。
　　2 雙金屬復合管制備方法的研究概況熱成型法
　　目前雙金屬復合管的生產(chǎn)方法主要包括冷成型法、熱成型法、離心鑄造法、離心鋁熱劑法、爆炸焊成型法、電磁成型法等等。
　　2.1 冷成型法
　　冷成型制造工藝的基本特征是將預加工好的薄壁不銹鋼管套入碳鋼管中，然后通過機械方法使不銹鋼管緊緊貼合在碳鋼管內(nèi)壁上。薄壁不銹鋼管有兩種獲得途徑：一種是通過選擇合適規(guī)格的無縫不銹鋼管，通過旋壓的方法使之變薄，達到要求的外徑和厚度；另一種是用薄的不銹鋼板或鋼帶在專用的制管機上用TIG焊接成直縫或螺旋縫不銹鋼管。采用拉拔、脹接、旋壓和滾壓等方法使不銹鋼管緊緊貼合在碳鋼管內(nèi)壁上，其中拉拔和脹接最為常用。拉拔是取兩根分別制成的無縫鋼管，將一根套在另一根外面，然后將兩管通過一模具同時進行拉拔，從而實現(xiàn)緊密配合的機械結(jié)合。這種管的優(yōu)點是生產(chǎn)工藝比較簡單，價格較便宜。缺點是界面非擴散結(jié)合，只是依靠對外層進行的冷加工來獲得緊密配合，因此冷加工復合管如果遭遇高溫就有分層傾向，復合管會因應力釋放而失效。這就限制了冷加工管的使用環(huán)境和應用領域。脹接分機械脹接和液壓脹接兩種。機械脹接是目前生產(chǎn)不銹鋼復合管的一種主要方法，它是利用滾脹芯軸回轉(zhuǎn)擠壓使復合管內(nèi)管發(fā)生塑性變形，外管發(fā)生彈性變形，從而使復合管的外管對內(nèi)管產(chǎn)生接觸壓力，以達到復合管內(nèi)外壁的緊密貼合。液壓脹接原理與機械脹接相同，只是用管內(nèi)高壓水施壓代替滾脹芯軸回轉(zhuǎn)擠壓。機械脹接時脹接力大小難以確定，易發(fā)生欠脹或過脹，且多次滾脹易造成襯里開裂。液壓脹接時脹接力均勻且大小可進行計算，因此更具優(yōu)越性。兩種脹接法的共同缺點是內(nèi)外層只是機械結(jié)合，和拉拔成型一樣，在高溫環(huán)境下會因應力松弛而分層失效。
　　目前金屬復合無縫管冷成型法大致有以下兩種：內(nèi)擴漲型和外減徑型。① 內(nèi)擴漲型，即：采用兩種材質(zhì)的無縫管相互穿套（如外管采用一般普碳鋼無縫鋼管，內(nèi)穿一薄壁不銹鋼管作為內(nèi)層金屬管），在內(nèi)管中施以高壓，使內(nèi)層無縫管發(fā)生塑性變形外層無縫管僅產(chǎn)生彈性變形，從而使內(nèi)管與外管緊密結(jié)合，形成雙金屬復合無縫管。② 外減徑型，即：仍采用兩種材質(zhì)的無縫管相互穿套，對外層管進行減徑拉拔或軋制，使內(nèi)管與外管緊密結(jié)合，形成雙金屬復合無縫管。以上兩種工藝生產(chǎn)的金屬復合無縫管的不足之處在于：生產(chǎn)成本高昂，內(nèi)外管均必須采用現(xiàn)成的熱軋或冷拔無縫管，加上其后的內(nèi)漲或減徑工序使其制造成本大幅度上升；以上兩種類型的無縫管并非完全意義上的金屬復合，兩層金屬相互間并無冶金熔合，在受軸向力的情況下內(nèi)外兩層金屬難以傳遞和均衡外力，在需要熱傳遞的應用領域，由于內(nèi)外兩層金屬間存在間隙，熱阻必將大幅度增加。
　　2.2 熱成型法
　　熱成型制造工藝包括熱軋和熱擠壓兩種方法，前者主要適用于有縫復合管的生產(chǎn)，后者適用于無縫復合管的生產(chǎn)。
　　軋制是一種傳統(tǒng)的制備復合金屬的方法。熱軋復合實質(zhì)上屬于壓力焊，如果變形量足夠大，軋輥施加的壓力就會破壞金屬表面的氧化膜，使表面達到原子接觸，從而使兩表面焊在一起。軋制的優(yōu)缺點分別為：
　　優(yōu)點：生產(chǎn)率高、質(zhì)量好、成本低，并可大量節(jié)省金屬材料的損耗，因此是目前應用極為廣泛的復合材料生產(chǎn)技術(shù)。軋制結(jié)合的復合板占復合板總產(chǎn)量的90%，而且經(jīng)常應用于壁厚小于32mm的管材的加工。
　　② 缺點：一次性投資大，而且很多材料組合不能通過軋制復合實現(xiàn)。目前應用最廣泛的還是利用軋制工藝進行碳鋼、不銹鋼有縫復合管的制造。
　　熱擠壓一般是針對雙金屬管坯進行的，稱為復合擠壓（coextrude）。復合擠壓目前是生產(chǎn)不銹鋼和高鎳合金無縫復合管的最好方法，日本制鋼所利用這種方法生產(chǎn)8in（203.2mm）以下的雙金屬復合管。它是將兩種以上的金屬組成的一大直徑復合坯料加熱到1200℃左右，然后擠過由模具和芯軸形成的環(huán)狀空間。當擠壓坯料截面縮減到10：1時，高的擠壓壓力和溫度會在界面處產(chǎn)生“壓力焊”的焊接效應，促進界面間的快速擴散和廣泛結(jié)合，實現(xiàn)界面的冶金結(jié)合。擠壓前的復合管坯制造方法有三種：由鍛造坯料通過熱穿孔和放大擠壓獲得；直接離心旋鑄；用耐蝕粉末顆粒。也有內(nèi)外兩種金屬原材料均采用粉末的，稱為“NUVAL”工藝，可以開發(fā)新型合金，但粉末制備成本太高。復合擠壓的優(yōu)缺點分別為：
　�、� 優(yōu)點：界面為冶金結(jié)合；擠壓過程中涉及的力完全是壓應力，因此特別適合于熱加工性不好、塑性低的高合金金屬的加工。
　�、� 缺點：由于結(jié)合決定于擠壓過程中極短時間內(nèi)的元素界面擴散，通常會因氧化物膜的存在而受到影響，因此目前復合擠壓僅限于碳鋼、不銹鋼和高鎳合金間的復合。需要指出的是，熱擠壓的變形抗力小，允許每次變形程度大，導致表面粗糙度較高，因此也有先熱擠壓再進行冷軋（或冷拔）制造復合管的方法。
　　2.3 離心鑄造和離心鋁熱劑法
　　離心鑄造是為適應海洋油氣生產(chǎn)而開發(fā)的，適用于制造內(nèi)襯金屬熔點低于外層金屬熔點的復合管。襯層和基體均采用液態(tài)金屬。首先，將制外管的鋼液引入一旋轉(zhuǎn)金屬模，在外管凝固過程中監(jiān)測管內(nèi)溫度。當外管凝固并達到一定溫度時，澆入耐蝕合金等內(nèi)層金屬。通過控制鑄造條件，可以生產(chǎn)出牢固的冶金結(jié)合的雙金屬復合管。
　　當應用液態(tài)金屬進行表面堆敷時，采用離心技術(shù)可消除復合層容易出現(xiàn)的氣孔和夾雜。這時，熔化金屬中密度低的渣、雜質(zhì)和氣體上升到表面，而較重的金屬成分下沉，在管壁上形成一致密層，從而提高熔敷質(zhì)量和再現(xiàn)性。因此其優(yōu)缺點分別為：
　�、� 優(yōu)點：界面實現(xiàn)冶金結(jié)合，致密度高，排渣、排氣性好。
　�、� 缺點：若沒有其后的熱變形，僅限于鑄態(tài)使用，其粗大的鑄態(tài)組織導致各層金屬的力學性能不能充分發(fā)揮。另外，該方法不能生產(chǎn)外層為輕合金的復合鋼管。
　　離心鋁熱法也稱為SHS—離心法，SHS是Self Propagating High Temperature Synthesis的縮寫。離心鋁熱法的實質(zhì)是在離心力場中引起鋁熱反應，所謂鋁熱反應就是金屬鋁粉和其他金屬氧化物粉末均勻的混合在一起， 通過點燃而發(fā)生的非常迅速的放熱反應（MO+Al→M+Al2O3+Q）。反應絕熱溫度可接近3000K，因此產(chǎn)物都處于液態(tài)，在離心力作用下，比重大的產(chǎn)物如Fe、Cr、Ni等集中在靠近碳鋼鋼管內(nèi)壁處，形成內(nèi)襯金屬層；Al2O3形成最內(nèi)層殘渣，通過機械方法除去，則制備出雙金屬復合鋼管。
　　2.4 離心鑄造+熱擠壓（熱擠壓+冷軋）法
　　“離心鑄造+熱擠壓”是一種新的復合管短流程制備方法，通過離心鑄造生產(chǎn)空心復合管坯，然后加熱、熱擠壓或熱擠壓冷軋，以及后續(xù)熱處理等工序，獲得最終成品復合管。它有效整合了離心鑄造和熱擠壓兩種方法的優(yōu)點，縮短了生產(chǎn)工序，并實現(xiàn)了復合界面的完全冶金結(jié)合。其獨特之處在于：他把初級工業(yè)材料和高技術(shù)的冶金處理過程結(jié)合起來，采用離心澆鑄工藝、熱擠壓等塑性熱復合技術(shù)、冷軋（或冷拔）生產(chǎn)方式，獲得高品質(zhì)的復合管材。
　　2.5 爆炸焊成型法
　　爆炸焊成型工藝是靠炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波，使內(nèi)管發(fā)生塑性變形，緊貼外管，從而形成復合管。利用爆炸成型，覆層可小于0.2mm，熔合比最小可達到5%；覆層緊密，產(chǎn)品適用性廣。另外，利用爆炸焊可實現(xiàn)多種金屬間的連接，有些是采用其他方法不能實現(xiàn)的。該方法的主要缺點是，界面非擴散冶金結(jié)合，對尺寸較長的復合管炸藥量很難準確確定，而且具有一定的危險性。
　　2.6 粉末冶金法
　　在碳鋼或類似材料制成的母管與金屬薄壁管之間加入粉末充填層，管子兩端分別用底板密封。在預定的溫度下加熱，再熱擠壓成復合鋼管。最后用酸洗方法去掉底板和金屬薄壁管。根據(jù)不同的用途，復合層可為外層或內(nèi)層。
　　2.7 激光包覆法
　　用高功率激光設備對鋼管進行外包覆。合金粉末經(jīng)自動進料器送到母管的激光束照射區(qū)，激光束熔化粉末和工件表面薄層后，用螺旋包覆法便可完全包覆整根鋼管，制成雙金屬復合管。
3 雙金屬復合管的應用狀況

　復合鋼管的兩種單層材料的組合方式完全取決于使用要求及其環(huán)境特征， 基本原則是：作為基層鋼管，它應具有較高的強度和剛性，價格便宜，工藝性能好； 作為覆層則應具有抗環(huán)境介質(zhì)的腐蝕或者抗磨損能力，該覆層可以復合在基層管的內(nèi)層(內(nèi)復合管)，也可以復合在其外層(外復合管)。復合鋼管產(chǎn)品按使用性質(zhì)可分為化工用液體氣體用管、石油天然氣輸送管及油井用復合管、鍋爐用復合管、廢物焚燒爐用復合管、熱交換器用復合管、耐磨損用復合管、耐腐蝕結(jié)構(gòu)用復合管以及建筑裝潢用復合管等。其主要應用領域如下：
　3.1 石油天然氣輸送管及油井復合鋼管

　　由于石油天然氣中含有大量H2S、CO2、Cl- 等腐蝕介質(zhì)，因此所用管材的特點是除了應具有較高的強度和剛度外，還應具有耐上述介質(zhì)腐蝕的能力。能耐這些介質(zhì)腐蝕的材料是不銹鋼，Inconel625、Inconel825等鎳基合金。因此作為石油天然氣輸送管道及油井用復合鋼管，通常選用上述材料作為內(nèi)層管， 以保證該管道的耐腐蝕性能，而外層材料通常為API 5L-X42、-X50、-X60、-X70、ASTM-A106GB、A335-P22等材料，以保證該管道的強度。由這兩類材料組合成的復合鋼管亦適用于開發(fā)地熱用的取水管道。日、美等國對有關(guān)復合鋼管用作石油天然氣輸送管道進行過大量研究，美國石油協(xié)會（API）已制訂出管線用復合鋼管的標準，編號為5LD。復合鋼管于1991年投入使用，用量逐年擴大。
 
　　主要品種有：常規(guī)管線鋼與耐腐蝕不銹鋼或合金的復合管；如油井管：CrMo鋼與超級13Cr、G3、825和C028等復合油井管；集輸管線：16MnV或X70與各類不銹鋼，825、028等鎳基合金的復合管道。
 
　　3.2 鍋爐用復合鋼管
 
　　在火力發(fā)電方面，日本、美國、歐洲等正在開發(fā)超高溫超高壓鍋爐(即USC鍋爐)。由于超超鍋爐產(chǎn)生的是高溫高壓蒸汽，因此用于這種鍋爐過熱器的鋼管應具有耐650℃、35MPa蒸汽條件下的高溫強度，優(yōu)良的外表面耐高溫腐蝕能力和內(nèi)表面耐水蒸汽氧化性能等特性。為此，日本住友金屬公司用SUS310S、35Cr-55Ni、40Cr-55Ni材料作外層基管，用17-14CuMo和Alloy800H等材料作內(nèi)層管，以冶金結(jié)合方法開發(fā)出超超臨界鍋爐過熱器用新型復合鋼管。該復合鋼管通過了按JIS3463(1984)標準進行的壓扁、擴口和彎曲試驗，以及高溫強度、蠕變斷裂、時效、沖擊等高溫特性試驗、耐硫酸腐蝕試驗、焊接性能等一系列試驗。因此認為這種鋼管在超超臨界鍋爐過熱器上應用是適宜的，能提高使用壽命和降低造價。
 
　　瑞典Sandvik鋼鐵公司開發(fā)成功由碳鋼作內(nèi)層，耐蝕性好的Sanicro28鋼（27%Cr、31%Ni、3.5%Mo的奧氏體超低碳不銹鋼）作外層基管，通過冶金結(jié)合制成復合鋼管，在鍋爐結(jié)構(gòu)設計上無需任何變更，就可直接使用。
 
　　3.3 化工液化氣體管道用復合鋼管
 
　　除了應具備特殊的耐介質(zhì)腐蝕外，它還應具有較高的強度和剛度，因此這類覆合鋼管用的基層材料通常是碳素鋼、低合金鋼或耐蝕鋼， 而它的覆層根據(jù)耐蝕介質(zhì)的不同可選用不銹鋼、銅及其合金，以及鈮、鉭和鈦等。例如石油化工用冷凝器管、凈化用冷凝器，石油精煉用高溫冷凝器和高溫反應氣體冷卻器、苯冷凝器等通常用低碳鋼(或耐蝕鋼)與黃銅組成的復合鋼管，氨冷凝器、氨致冷機、海水冷卻器、表面冷凝器以及制取CO用管道可用低碳鋼與銅合金組成的復合鋼管。日本和英國在該領域使用復合鋼管比例較大。

　　3.4 廢物焚燒爐用復合鋼管

　　自20世紀60年代中期廢物焚化技術(shù)發(fā)展以來，廢物焚化爐一直受到管子壽命的困擾，如果僅用CrMo低合金鋼作管子，不采取任何保護措施，管子的使用壽命不到6個月。奧氏體不銹鋼和鎳基合金具有良好的耐蝕性，但是用它作過熱器，鍋爐水可能會引起應力腐蝕裂紋的危險。因此選用復合鋼管作焚燒爐過熱器較理想，其外層基管可選用具有耐焚燒高溫以及耐腐蝕氣氛的材料，如Sanicro65合金（21%Cr、8.5%Mo、Ni基），而內(nèi)層材料可選用具有耐應力腐蝕裂紋的碳鋼或鉻鉬鋼。由這兩種材料進行匹配并用冶金結(jié)合方法制成的復合鋼管具備焚化爐過熱器的使用要求，而且它還具有較低的熱膨脹系數(shù)，工作時的熱應力較低，具有較高的導熱系數(shù)，使焚化爐過熱器的熱效率較高，這是以往開發(fā)的防護措施所不及的。因此，歐洲、美國等自1971年安裝第一臺復合管焚燒爐過熱器和水冷壁用管以來，已使用了200萬m復合鋼管（1985-1987年報導數(shù)據(jù)），并已有超過10年的實際使用業(yè)績。
 
　　3.5 熱交換器用復合鋼管
 
　　作為熱交換器用復合鋼管，除了它應具有一定的強度和耐蝕性外，其兩層鋼管的接觸界面應達到完全冶金結(jié)合，以獲得較好的導熱性。瑞典Sandvik鋼公司選用高合金鎳鉻鋼UNS N08800（合金800）作內(nèi)管，以低合金鋼或普通鍋爐用鋼ASTM A213Ti2（13CrMo44）作外管生產(chǎn)復合鋼管。使用結(jié)果表明，它有很好的導熱性能，優(yōu)異的內(nèi)外抗腐蝕性能，而且保持了低合金鋼良好的加工性能。日本NKK公司選用API 5L-16MnV鋼作外層，選用NIC42鋼作內(nèi)層制成復合鋼管，其力學性能達到API 5L-16MnV技術(shù)要求，界面結(jié)合剪切強度達到400MPa以上。對復合鋼管還進行過點蝕實驗、晶間腐蝕實驗及應力腐蝕裂紋實驗，均得到了滿意的結(jié)果。
 
　　3.6 耐磨損用復合鋼管
 
　　耐磨損用復合鋼管用于電廠粉煤、礦山礦粉和尾礦漿輸送等高磨損工作環(huán)境。
　　日本山陽特殊鋼公司用SUS316L耐蝕鋼作外層，用司太立No.12耐磨合金作內(nèi)層，制成復合鋼管，用于制造工程塑料用顆粒的氣力輸送管道（如果僅用SUS304L不銹鋼作氣力輸送用管，其壽命僅為1周左右），使用4年后測量其內(nèi)側(cè)的磨損量還在測量誤差范圍內(nèi)（約0.1mm左右）。這種復合鋼管在其他微粉顆粒的氣力輸送管道上也得到了很好的應用，其需求量正在逐漸增加。

　　3.7 海水管道用復合鋼管

　　海水淡化裝置的取水管道或者海水熱交換器用管可選用由耐海水腐蝕材料（如鎳、鈦、不銹鋼或銅合金）作內(nèi)襯管，以碳鋼或低合金耐蝕鋼作外層基管組成的復合鋼管。日本川崎制鋼和日本鋼管公司生產(chǎn)的海水管道用復合鋼管廣泛用作海水熱交換器用管和海水淡化裝置的取水管道。

4 雙金屬復合管發(fā)展、應用趨勢

　　國外雙金屬復合管的應用日趨廣泛，尤其是油氣田、海洋平臺等強腐蝕環(huán)境對雙金屬復合管的需求急劇上升。說明國外的雙金屬管消費水平較高，其應用領域正向著多元化方向發(fā)展。
 
　　塑性熱復合技術(shù)制備而成的復合管界面可實現(xiàn)完全冶金結(jié)合，該類復合管界面結(jié)合強度高，適合于高溫使用環(huán)境，因此熱復合塑性成形技術(shù)具有很好的開發(fā)前景。而且，在未來的金屬復合管制造中，將傾向于采用在高溫條件下能產(chǎn)生大塑性變形量的塑性成形冶金結(jié)合技術(shù)。