金属复合管生产技术综述_赵卫民

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1、金属复合管生产技术综述赵 卫 民(石油大学机电工程学院 )摘 要 对金属复合管的生产技术进行了比较全面的介绍 ,指出不论是传统的轧制、挤压、堆焊等方法 ,还是新型的离心铸造、热剂焊或电磁压接方法 ,都各有优缺点 ,应根据覆层材料和服役环境等具体情况选择合适的制造方法。关键词 金属复合材料 复合管 生产 技术 方法0 前 言复合管由两种或两种以上不同材料构成 ,管层之间通过各种变形和连接技术形成紧密结合。一般设计原则是基材满足管道设计允许应力 ,合金抵抗腐蚀或磨损等1。 复合管利用了基材和覆层金属的最佳性能 ,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

2、(或 )酸性环境中复合管可以提高安全性和可靠性 ,因此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。 制约复合管应用和发展的主要因素是复合层质量和生产成本 ,而生产成本与材料成本和施工效率有关 ,一般应根据使用要求选择合适的覆层材料和生产方法。 在生产实践中 ,最早应用的制作方法是轧制、堆焊 ,之后出现了爆炸焊2,现在可选择的方法则更多 ,主要有轧制、铸造、挤压、钎焊、焊接和电磁压接等。 以下对复合管各种生产方法的特点和应用范围进行了全面介绍 ,提出了各种方法存在的问题和发展潜力。1 冷成型法冷成型制造工艺的基本特征是将预加工好的不多; X100钢级已被一些钢厂

3、生产出来 ,但是在设计、焊接等方面还需进一步研究、完善; X120钢级只是限于个别厂家 ,还处于摸索阶段。参考文献1 Phil Hopkins.The challenges for frontier pipeline pro- jects. Pipe Dreamer s Conference, Yokohama, 2002. 3 32 2 新日本制铁株式会社. 近年管线用钢的特性及其生产 技术的发展 , 1993 3 Alan Glover.Application of grade550and grade690in arctic climates. Pipe Dreamer s Confere

4、nce, Yokohama, 2002. 33 52 4 中国石油物资装备 (集团 )总公司 .欧洲油气输送管道 用螺旋焊埋弧焊管制造技术考察报告 . 2001 5 Hillenbrand I H G.Production and service behavior of high- strength large- diameter pipe. Pipe Dreamer s Conference,Yokohama, 2002. 203 216 6 Hammond J et al. Challenges of girth welding X100linepipe for gas pipelines

5、.Pipe Dreamer s Conference, Yokohama, 2002. 931 955 7 Schwinn V et al.Production and progress of plates for pipes with strengthlevel of X80 and above. Pipe Dreamer s Conference,Yokohama, 2002. 339 345 8 Basanti L et al. From X80 to X100 : know - how reached by EN I group on high strength steel.Pipe

6、Dreamer s Conference, Yokohama, 2002. 231 244 9 Fairchild D P.High strength steels-beyond X80.Pipe Dreamer s Conference, Yokohama, 2002. 307 321 10 Takeuchi Izumi.The prospect of high-grade steel pipe for gas pipelines. Pipe Dreamer s Conference, Yokohama, 2002. 185 202作者 黄开文 ,男 , 1971年生 ,毕业于北京科技大学材

7、料科学与工程学院材料加工专业 ,硕士、工程师。 从事管线工程以及钢材进口业务。 通讯地址: 北京市西城区鼓楼外大街 5号 中国石油物资装备 (集团 )总公司 邮政编码: 100029 电话: 010-62096745(收稿日期: 2003-01-13)10焊管 第 26卷第 3期 2003年 5月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;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

8、压等方法使不锈钢管紧紧贴合在碳钢内壁上 ,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。这就限制了该冷加工管只能在较低温度的环境中使用3。胀接分机械胀接和液压胀接两种。 机械胀接4是目前生产不锈钢复合管的一种主要方法 ,它是利用滚胀心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

9、产生残余应力 ,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心轴回转挤压。 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5,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 ,在高温环境下会因产生应力松弛而分层失效。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2,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

10、 ,使表面达到原子接触 ,从而使两表面焊在一起6。轧制的优点是生产率高、质量好、成本低 ,并可大量节省金属材料的损耗7,因此是目前应用极为广泛的复合材料生产技术。 轧制结合的复合材料占复合板总产量的 90 % ,而且经常应用于壁厚小于32 mm的管材的加工1。 轧制的缺点是一次性投资大 ,而且很多材料组合不能通过轧制复合实现2。 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 (co-extrude)。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 (见图1) 3,日本制钢所利用这种方法生产 8 in( 203.

11、 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 1 200 左右 ,然后挤过由模具和心轴形成的环状空间。 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“压力锻”的焊接效应 ,促进界面间的快速扩散和广泛结合 ,成品为冶金结合的复合挤压管。 挤压前的复合层制造方法有三种: 由锻造坯料通过热刺孔和放大挤压获得;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“ NUVAL”工艺8,可以开发新型合金 ,但粉末制备成本太高。 复合挤压的优点是: 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

12、、塑性低的高合金金属的加工。 缺点是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7,因此也有先热挤压再进行冷拉拔制造复合管的方法9。图 1 复合挤压管的生产3 离心铸造和离心铝热剂法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 ,11第 26卷第 3期 赵卫民: 金属复合管生产技术综述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

13、而提高熔敷质量和再现性。离心铸造是为适应海洋油气的生产而开发的 ,适用于制造内衬金属熔点低于外层金属熔点的复合管。 Yoshitake和 Torigoe介绍了外层金属为 API 5L X52到 X65钢、内部复合 825和 625合金的复合管的生产10,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。 外管凝固并达到一定温度时 ,浇入 825或 625等耐蚀合金制内层。 通过控制铸造条件并选择适当焊剂 ,可以生产出牢固的冶金结合的双金属管。 如果想在成品管的内壁上离心铸造内衬 ,则可采用另外一种工艺11。 基材通常为低碳钢、低合金钢。首先 ,

14、内衬合金以粉末、颗粒或短棒形式加入管内 ,并沿长度均匀分布。 使用粉末或颗粒时 ,还需采用一种合适的焊剂以避免原料氧化 ,如铸造 Fe- B和 Ni- B合金通常用硼砂、氟硼酸钾、硼酸以正确比例混合而成的物质作焊剂。 加入合金成分后 ,管端要封盖以防止内衬合金在加热、熔化和旋铸过程中甩出。采用粉末材料时 ,还要进行部分抽真空和氩气驱气。将管体在炉内加热到内衬合金熔点以上 50 100 。采用电加热时 ,可采用两种加热方式: 一种是感应线圈沿管长移动 ,一种是线圈不动、管移动。 不管哪种方式 ,管体都要缓慢旋转以实现均匀加热。 管体达到合适的铸造温度后 ,放到水冷旋转辊上高速旋转。 在加热和过热

15、阶段 ,有少量的基材熔在熔化的合金内 ,从而形成极佳的冶金结合。离心铸造后 ,缓冷以避免由于热应力或相变引起的应力导致内衬开裂。 离心铸造的优点是铸件结晶细密、铸造缺陷少 ,机械性能好 ,结合面牢固。 缺点是铸出的内孔不准确 ,内表面质量较差 ,不过一般能满足普通管道的使用要求12。离心铝热剂法13 14又称为 SHS- 离心法 ,实质是在离心力场中引起铝热反应。 可以利用它制备耐蚀耐磨涂层 ,也可以对安全性要求苛刻的工程组件进行快速焊接。管道复合时 ,先将金属铝粉和其它金属氧化物粉末混合均匀 ,浇入管内 ,然后将管子旋转 ,在离心力作用下 ,粉末如液体一样流动 ,在整个内表面形成一均匀涂层。

16、 点燃后 ,放热反应在几秒钟内就可达到焊接或堆敷的温度。 反应产生的过热熔化金属温度很高 ,钢可达到 2 5002 960 ,与基底接触的涂层熔化 ,这些涂层与管基体接合形成冶金结合的堆敷层。 此工艺具有极为显著的特点: 效率极高 ,可在 4 20 s内堆敷 2 10 kg的粉末;建立和运转比较便宜。 仅需一台车床就可将试验管旋转到合适速度 ,放热点燃只需一个焊炬 ;不需要附加能源。 铝和氧之间的强烈放热反应是自身存在的 ,不需附加能源 ,这减小了操作成本 ,而且可以在厂区外使用 ,也可在太空和水下应用 ;可获得各种成分的包覆层。正因为如此 ,耐腐蚀钢铁陶瓷复合管的生产曾被列入国家“ 863 ”项目 ,但此法在国内的研究也仅限于此。4 爆炸焊成型法爆炸焊是依靠炸药爆炸产生连接金属所需的压力 ,使两搭接表面实现固相焊接的方法9, 15,广泛用于生产各种复合板 ,基体的两侧都可以进行复合。 很多情况