复合管综述.doc

双金属复合管研究现状社会对能源的需求量越来越大,而易于开采的油气资源越来越少,油气田的勘探开发不得不向更深的地层钻进、向环境条件更为苛刻的地区发展,我国的川东北、新疆油气田就是如此1。近年来,超深高温、高压、高含CO2、H2S、CL-及元素硫等油气田的相续出现,使传统单一的耐蚀材料和防腐技术已不能满足油气田发展的需要2。1双金属复合管的种类双金属复合管又称双层管或包覆管是，它由两种以上不同化学物质或不同组织的物质以宏观的形式制造而成的新型金属管,它所组合的原材料应该是相容和互补的3。相补效应是复合管的最大优点,即各自的原材料经过相互补充而弥补各自的弱点,从而产生优异的性能。复合管根据使用性能的要求来选择组成的物质和增强方法,以便设计出更加适用的复合管。根据复合结构的特点,复合管一般可分为金属骨架复合管和非金属玻璃纤维丝增强骨架树脂复合管等两种类型。金属骨架塑料复合管道是由金属骨架层、粘结剂层和塑料制品层组成的；而非金属玻璃纤维丝增强骨架树脂复合管道是由玻璃纤维丝骨架层、热固性树脂(如聚酷树脂、环氧树脂和酚醛树脂)层组成的。2双金属复合管的生产类型根据复合管生产方式的不同,其工艺分为包覆成型(即连续辊式成型)、拉拔成型(即间断压力加工成型)和爆炸成型(即连续辊式成型)三种4。.按照双金属复合管的成形原理,复合管的成形可分为塑性成形法(包括机械胀接技术又称为非均匀胀接技术和柔性胀接技术又称为均匀胀接技术)和非塑性成形法(主要有离心铸造法、离心铝热技术法、消失模真空吸铸法5和中频感应加热钎焊法6等。复合管按制造方法又可分为:无缝复合钢管(管坯组合法、金属充填法、粉末冶金法) 、铸造复合钢管、焊接复合钢管、组合式双层复合钢管、外包复复合钢管等7。2.1无缝复合钢管的制造方法(1)管坯组合法以普通钢管与合金钢管作坯料,按一定间隙装配成双层管,然后采用一定的方法,如爆炸焊接、热膨胀焊接、热扩散焊接或热变形法等,生产出成品复合钢管。(2)金属充填法(插入物法)用合金管或圆管坯作为铸型内模,在其周围浇铸普碳钢水,做成复合管坯。然后用曼式法或挤压法轧制成复合钢管。(3)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。2.2铸造复合钢管的制造方法一般采用离心铸造工艺,将两层金属液依次浇入旋转的型筒中,在离心力的作用下形成空心双金属管坯或半成品,经轧制加工成双金属管。日本电气制钢开发了一种二孔式水口浇铸装置,用于离心浇铸双金属复合管坯。2.3焊接复合钢管的制造方法将双金属复合钢带弯曲成型、内外焊接成钢管。制管方法可采用UOE法,也可将热轧双金属带卷通过焊管机组连续辊弯成型,再用电阻焊或MIG及T IG方法焊接。2.4组合式双层复合钢管的制造方法用机械方法将一般钢管和合金管组合为双层钢管,该工艺之一是热组装扩管法。2.5激光包复复合钢管的制造方法用高功率激光设备对钢管进行外包复。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,用螺旋包复法便可完全包复整根钢管。2.6外包复复合钢管的制造方法以外包复不锈钢带为例,把经过处理的电焊钢管与不锈钢带一同送入复合钢管成型机组(电焊钢管用人工不间断地喂入机组),经过六机架立辊和水平辊弯曲成型,用钨极氢弧焊焊接8。3双金属复合管耐蚀性能复合管的内衬已有很好的耐蚀性.但焊缝由于其不平衡和不完全的冶金反应和快速结晶过程,使焊缝存在着成分和组织的不均匀性,焊缝组织是非平衡的,元素在枝晶、柱晶之间,尤其是在最后结晶的焊缝中间靠上部分,最容易出现偏析,从而降低焊缝的耐蚀性和力学性能9。同时由于焊接残余应力的作用,焊缝金属常常优先于母材发生SCC。这使得焊接部位的耐蚀性成为评价整条复合管耐腐蚀性能好坏的关键。3.1电化学腐蚀吕世雄10等利用电化学方法研究了20钢与OCr18Ni9复合管焊接接头的耐蚀性。在电解质为3.5%NaCl溶液中,内层焊缝和不锈钢母材OCr18Ni9都有钝化现象；内层焊缝在活化阶段的电流密度小于不锈钢母材的电流密度,表明即使在活化阶段其耐腐蚀性要好于不锈钢母材；内层焊缝产生钝化的时间要略早于不锈钢母材发生钝化的时间,即内层焊缝在腐蚀介质中要先于不锈钢母材“停止”腐蚀;内层焊缝在钝化阶段的维钝电流大小与不锈钢母材的基本相等。由此可见，内层焊缝具有与内衬管不锈钢OCr18Ni9同等的耐蚀性,甚至优于内衬管不锈钢0Gr18Ni9。陈海燕等11利用阳极极化研究了固溶处理对304不锈钢焊缝耐蚀性的影响,与焊态相比,经1200 固溶处理的不锈钢焊缝在蒸馏水、5%H2SO4 、5%NaHO H、5%NaCl和5%HCl介质中的耐蚀性能均有不同程度的提高。3.2均匀腐蚀由304不锈钢氨弧焊接接头在不同介质中的腐蚀速率可知,经1200固熔处理后的焊缝在5种介质都有明显的提高,其原因在于有效的固溶处理可使焊接过程中产生的碳化物充分分解固溶到奥氏体中,从而提高焊接接头的耐蚀性能哪。而经1080固熔处理后焊缝的耐蚀性明显下降,其根本原因在于焊缝在此温度下固溶处理后形成的晶粒较小、晶界增多,而且碳化物(Cr23C6)没有溶解到奥氏体中。使得晶界表面层形成贫铬层,使其在腐蚀介质发生晶间腐蚀12,从而导致其耐蚀性能反而下降。3.3应力腐蚀董俊明等13按照标准(YB/T 5362一2006)用插销法评定了"Cr18iNi9Ti焊接接头的应力腐蚀开裂(SCC)敏感性.试验结果表明:0Cr18Ni9Ti钢焊接接头在143、24%MgCl2溶液中SCC断口属于穿晶型,其抗SCC能力依次为:过热区<高温区<高温敏化区<低温敏化区<母材(L-S)<焊缝。分析原因知材料的SC C抗力取决于奥氏体的晶粒度,晶粒愈细,SCC抗力愈大,焊缝因其具有A+占双相组织而表现出最高的抗SCC能力。方智等14用慢应变速率实验(SSRT)方法应变速率为（1x 10-6)研究了340不锈钢焊接接头在NaCI溶液中的应力腐蚀行为。结果发现:发生的SCC是在焊缝区,应力腐蚀裂纹是沿着奥氏体枝晶间的占铁素体扩展的,且SCC的敏感性随温度的提高而增强;该体系发生应力腐蚀时存在一个界限温度(4045),目前已经报道的这个临界温度的最低值是4550之间；当NaCl浓度低于1.0 mol/L，时,界限温度随NaCl浓度的增加而下降;NaCl浓度高于1.0mol/L时,SCC的界限温度在很宽NaCl浓度范围内变化不大。4双金属复合管焊接技术4.1连接方式及坡口形式作为输送管线,通常采用焊接的方式进行连接。在既保证内衬焊缝的耐蚀性能同时又能保证基体管材焊缝的力学强度的前提下,其焊接坡口通常加工为U型15或V型16,也有X型的17。通过打底焊、过渡焊、填充焊、盖面焊等顺序进行焊接但是打底焊或和封焊必须是手工钨极氢弧焊。为实现两层管在焊接处的密封和焊接的简便性，研究人员对坡口进行了改进,先在复合管端部加工成不同的台阶18,在台阶表面采用氢弧焊堆焊并修磨堆焊层,然后再加工坡口。这种方式得到的焊缝具有对错边不敏感,耐蚀性好,强度高和塑韧性好的优点.此外还有法兰盘和配件形式的管道连接方式。对于法兰盘连接的管道通常采用翻边环焊的密封形式;而以配件连接的配件需要特殊铸造和复合工艺加工而成19。4.2焊接难题 由于双金属复合管以碳素钢管或合金钢管为基管,在其内表面覆衬一定厚度(一般为23 mm)的不锈钢、钛合金、铜、铝等耐蚀合金属制造的复合管,这种特殊的结构形式,使其兼顾碳钢的耐压性和不锈钢的耐蚀性以及相对不锈钢价格低廉的特点,其突出的性价比和耐蚀性能。但是该材料焊接有许多技术特点,工艺参数和现场措施对接头的组织和性能有很大影响,由于生产工艺的限制,目前国内主要采用“金属管道爆燃加衬技术”或者液压复合技术,其基层和衬层间的结合完全是机械结合,未达到冶金结合,基层和衬层间会有一定的缝隙,其特殊的结构形式导致焊接时层间未熔合或夹渣、主要合金元素易烧损、熔池金属塌陷形成焊瘤、焊缝背面氧化成型不良、焊缝周围碳原子迁移影响防腐效果等焊接缺陷,并且目前国内无法生产复合管的弯头，必然存在两种钢或多种钢的焊接,因此解决复合管的焊接难题是其大规模推广应用的关键20。4.3常见缺陷 （1）根部内凹 a.焊工操作不当,焊丝未送到位,焊丝熔化量不够；b.管道组对间隙过大,熔化金属由于重力的作用产生下坠,造成内凹;c.电磁场引起的磁偏吹,导致结晶条件改变。（2）根部未焊透a.焊接电流过小或电弧过长,电弧挺度和穿透力变小,根部未熔化;b.组对间隙过小,电弧不易穿透;c.电磁场引起的磁偏吹（3）气孔 当为钨极氩弧焊焊接时:a.保护气体流量不均、过小;b.环境风速过大,致使空气进入到熔池里。当为焊条电弧焊时:a.焊条受潮,或烘烤未达标;b.焊接电弧过长,电弧保护熔池的效果变差;c.焊渣结晶速度慢,保护熔池效果差;d.引弧或停弧不当。（4）层间未熔合和夹渣a.电流较小或是电弧过长,以及操作不当,造成焊道或母材未熔化电弧即离开;b.层间或道间清理不净或不均,留有渣或死角,焊接电弧未能把渣排出和熔化焊道,从而造成未熔合和夹渣21。结语金属复合材料在保持母材金属特性的同时,还具有“相补效应”可以弥补各自的不足,经过恰当的组合可以获得优异的综合性能。油气田开发需要大量的高性能管材,双金属复合管是耐蚀性和经济性兼备的管材,具有良好的应用前景。然而,虽然现在其生产技术已比较的成熟,但是如果真正在工程中得以广泛的应用还存在许多的技术难题需要解决,例如焊接缺陷问题、现场焊接技术问题、焊接工艺规范、焊缝的耐蚀性以及作为油管用的连接问题等。现在更需要不断深入的研究双金属复合管在连接领域的相关技术,这将使双金属复合管应用技术的开发取得长足性的进展,进而促进新型双金属复合管在油气田工程中的广泛应用。参考文献1郑光明,孙晓光,张锡九等.国外复合管的制造和施工技术（一）J.国外油田工程,2001,(1):24. 2郭崇晓,张燕飞,吴泽.双金属复合管在强腐蚀油气田环境下的应用分析及其在国内的发展J.全面腐蚀控制,2010,24(2):13.3赵卫民.金属复合管生产技术综述J.焊管,2003,26(3):10.4肖桂华.不锈钢一碳钢复合管的生产技术J.四川冶金,2000，(1):58.5许云华.双金属管的制造工艺P.中国专利,B22D190/08，95106239.5,1996.6吴宏,赵达生,宋五一，一种双金属复合管的制造方法P.中国专利,B21C 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