雙金屬復合鋼管及襯塑復合鋼管國內(nèi)外發(fā)展述評

【內(nèi)容提要】本文論述了國內(nèi)外應用雙金屬復合管的概況，目前國內(nèi)應用雙金屬復合鋼管于石油、化工、電力、食品、醫(yī)藥、水工等行業(yè)累計長度約2500公里，得到較快發(fā)展。雙金屬復合鋼管成型技術(shù)有塑性成型法（機械成型法）和非塑性成型（冶金成型法），所謂塑性成型就是利用外基管的彈性極限變形緊縮襯管的塑性變形，來實現(xiàn)內(nèi)外層鋼管緊密結(jié)合。重點述評了機械成型法的具體工藝有水壓法、拉拔法和旋壓法，其共同的力學性能例如成型過程的受力狀況分析及理論計算推導出鋼管內(nèi)壓力的極限值和相應的接觸應力公式等。雙金屬復合鋼管的內(nèi)襯管為不銹鋼管，價格比襯塑復合鋼管貴，因此，農(nóng)村建設如農(nóng)田澆灌及地方供水設施，近年來這方面建設項目招標都大量采用襯塑復合鋼管。關(guān)于襯塑復合鋼管國內(nèi)有熱脹法和縮徑法兩種制造方法，熱脹法需要粘結(jié)劑，在爐內(nèi)加熱，空氣加壓，工藝較復雜；而縮徑法是用微張力減徑機將外基管逐步減少內(nèi)徑，使之與襯塑管外徑接觸并適當壓縮產(chǎn)生接觸應力而達到結(jié)合面有夾接力，阻止軸向松動。縮徑法工藝較簡單，造價較便宜，并有利于環(huán)保。

1.雙金屬復合鋼管國內(nèi)外應用概況

國外雙金屬復合管發(fā)展較早，技術(shù)較為成熟，在油氣田應用量約有30萬噸。例如德國的Butting公司是世界上最早開發(fā)、最先進的金屬復合管制造企業(yè)，目前已累計生產(chǎn)機械復合管約5萬噸，大部分用于海底管線。英國proclad公司的金屬復合管產(chǎn)品多是出口到中東油氣產(chǎn)區(qū)，如埃及、阿曼、沙特、卡塔爾和阿布扎比等國的石油公司。美國的cladtek公司、日本的新日鐵公司、日本鋼管公司等金屬復合管產(chǎn)品技術(shù)完善，位于世界前列。

國內(nèi)雙金屬復合管技術(shù)起步較晚，但2001年在我國油氣田應用以來，發(fā)展迅速，從石油天然氣行業(yè)向化工、電力、鍋爐、食品、制藥、水工等行業(yè)廣泛發(fā)展，使雙金屬復合管應用領(lǐng)域進一步拓寬，目前國內(nèi)累計應用雙金屬復合管長度約2500公里。國內(nèi)雙金屬復合管制造企業(yè)無論數(shù)量、技術(shù)、能力、規(guī)模，還是創(chuàng)新研發(fā)、營銷策劃，都得到較快的發(fā)展。目前國內(nèi)雙金屬復合管制造重點企業(yè)及其主要用戶，見表1.

表1. 國內(nèi)雙金屬復合管制造重點企業(yè)及其主要用戶

2. 雙金屬復合管成型技術(shù)發(fā)展概況

在油氣集輸過程中，由于油氣中含有大量的H₂S、CO₂和Cl^-等腐蝕介質(zhì)，對集輸管線造成嚴重的腐蝕破壞，普通碳鋼管不能滿足管線的安全服役的要求；而用耐蝕合金鋼管則造價太貴并且消耗大量合金元素。因而雙金屬復合管則兼顧了碳鋼管優(yōu)良的力學性能和耐蝕合金管良好的耐腐蝕性能，因而性價比高。這就決定了雙金屬復合管的結(jié)構(gòu)組成：基管主要承擔管道系統(tǒng)的壓力要求，保證整體管道的力學性能，降低成本；襯管主要承擔管道系統(tǒng)的耐腐蝕要求，提高管道的耐腐蝕性能，延長管道的使用壽命。基管和襯管如何選材？如何結(jié)合？一般來說，雙金屬復合管是以碳鋼或低合金鋼為基層管，在其內(nèi)壁覆襯一薄壁不銹鋼或鎳合金鋼管（一般壁厚為2-3毫米）。管線管領(lǐng)域應用的基管采用鋼級主要為L320N、L360、L415和L450（X65）等，襯層不銹鋼管采用的鋼級有：OCr18Ni9、00Cr19Ni10、0Cr25Ni20和022Cr17Ni12MO2（316L）等，X65和316L為美國標準牌號。表2舉例列出L450（X65）及316L力學性能。

表2. X65/316L力學性能參數(shù)舉例

2.1 雙金屬復合管成型技術(shù)概況

2.1.1 雙金屬復合管成型技術(shù)的基本原理

按照雙金屬復合管的成型原理，其成型方式分為塑性成型法和非塑性成型法兩大類。所謂塑性成型法是利用金屬管材的彈塑性原理即基管的彈性和襯管的塑性變形來實現(xiàn)內(nèi)外層之間緊密結(jié)合的一種復合工藝。所謂非塑性成型法是通過壓力或溫度達到金屬的熔點促進基管內(nèi)層和襯管外層表面的原子擴散，而實現(xiàn)界面冶金結(jié)合一種復合工藝。塑性成型法是通過機械方式來實現(xiàn)，故又名機械成型；非塑性成型法是通過冶金方式來實現(xiàn)，故又名冶金成型法。

2.1.2 冶金成型法。冶金成型法主要有三種方法：一種是熱軋制，對復合金屬板壓力軋制，實質(zhì)是“壓力焊”，將兩表面焊接在一起，適用于碳鋼和不銹鋼焊接復合管的制造。另一種是熱擠壓，實質(zhì)也是“壓力焊”，適用于碳鋼、不銹鋼和高鎳合金無縫復合管的制造。第三種是離心鑄造，適用于內(nèi)襯金屬熔點低于外層金屬熔點的復合管。

冶金成型法適用于高溫環(huán)境下服役的雙金屬復合管。當工況條件對溫度不高時可用機械成型法制造雙金屬復合管。機械成型法相對于冶金成型法，一次性投資較少，工藝設備不復雜，工序較少，而且適應于多品種、少批量的市場需求，因此，應用較廣泛。

2.1.3 機械成型法。機械成型法有機械擴徑及爆炸擴徑法、定徑法等。由于機械擴徑方式的不同，又分為機械拉拔法、錐形漲縮頭擴徑法、滾珠旋壓式擴徑法和水壓擴徑法等，以達到襯管擴徑與基管實現(xiàn)緊密結(jié)合；爆炸法是用炸藥爆炸引起襯管內(nèi)水壓增高達到擴徑實現(xiàn)與基管機密結(jié)合。定徑法是基管縮徑從而實現(xiàn)與襯管緊密結(jié)合。機械成型法舉例如圖1、圖2、圖3所示。其中圖2滾珠旋壓法為江蘇眾信綠色管業(yè)科技公司所獨創(chuàng)。

2.1.4 機械式復合管的力學性能問題剖析

雙金屬復合管機械成型是非常復雜的彈塑性變形過程，存在物理非線性和幾何非線性，力學的邊界條件往往也很復雜。在理論分析時作了簡化，例如：假定金屬材料為理想彈塑材料，采用有限元模擬的方法等。但由于出發(fā)點的不同，國內(nèi)外的學術(shù)界在文獻上往往存在不同的分析公式，在這里僅作簡約的述評。^[1][2][3]雙金屬復合管初始狀態(tài)示意圖及成型過程受力狀態(tài)如圖4、圖5。

雙金屬復合管的初始狀態(tài)如圖4所示，內(nèi)襯管的內(nèi)、外半徑分別為a、b；外管的內(nèi)外半徑分別為c和d；內(nèi)襯管壁厚（a-b）為t；復合前c＞b，存在間隙。雙金屬復合管成型過程受力狀態(tài)如圖5所示。成型過程按4個步驟：

第一步。內(nèi)襯管受力擴徑產(chǎn)生塑性變形，并與外管內(nèi)壁剛剛接觸，僅僅消除了間隙，但未產(chǎn)生接觸壓力時，內(nèi)襯管受到的內(nèi)壓力為P₁₀：

P₁₀ =                                                      ………………（1）    式中：σ_S1---內(nèi)襯管的屈服強度。

第二步。內(nèi)襯管繼續(xù)受力再擴徑后，與外管內(nèi)壁產(chǎn)生接觸壓力P₂，此時內(nèi)襯管受到的壓力為P：

P= P₁₀+ P₂………………（2）

第三步。當P₂繼續(xù)升高，達到使外管內(nèi)表面由彈性變形向塑性變形轉(zhuǎn)折的拐點A，見圖6。此時，P₂達到極限值P_2C。

σS2

2tσS1

P_2C  =       （1 -     ）………………（3）  式中：σ_S2---外管屈服強度，此時，P也達到極限值Pc。

b+a

P_C  =          +      （1 -       ）………………（4）

第4步。在卸載階段，內(nèi)襯管不再受到內(nèi)壓力，發(fā)生塑性卸載收縮量為γ，外管內(nèi)壁彈塑性收縮量為δ，由于δ＞γ，即外管與內(nèi)襯管在同時卸載過中產(chǎn)生的過盈量，導致接觸面形成殘余壓應力，從而使復合管的結(jié)合強度有夾持力來抵抗軸向剪切分離趨勢。

番禺珠江鋼管公司生產(chǎn)雙金屬復合管的外管為X65QO碳鋼無縫鋼管，屈服強度為510Mpa，規(guī)格為φ168.3毫米*12.7毫米，內(nèi)襯管為316L不銹鋼焊管，其屈服強度320 Mpa，規(guī)格為φ141.3毫米*3.0毫米，經(jīng)試驗表明，當水壓壓力達85Mpa時，外管達到屈服點，殘余接觸應力為1.90 Mpa。^[4]將上述雙金屬復合管的技術(shù)參數(shù)代入公式（4），可得到P_C=85 Mpa，與水壓試驗結(jié)果相同。公式（1）-（4）是由機械成型方式水壓成型法的試驗過程推導出來的。

當采用機械拉拔成型法制造雙金屬復合管的過程，如圖（1）所示，過程中所受的內(nèi)壓力、接觸壓力等與上述公式的描述相同，只是牽引力F的計算推導，即為擠壓錐頭作用于內(nèi)襯管上的正壓力與錐頭移動的滑動摩擦系數(shù)的乘積，按庫倫摩擦定律，可得F=2πClμp………………（5）式中：l---錐頭最大直徑處的長度，μ---錐頭最大直徑處的摩擦系數(shù)。

關(guān)于殘余接觸應力的分析。復合管在液壓成型過程中，采用兩端密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)外管的軸向力很小，按平面應力分析，軸向應變近乎于零，周向應變產(chǎn)生殘余接觸應力σy與殘余接觸壓力P’c的關(guān)系式為：

σy = －                P’c………………（6）

式中：“-”表示為壓應力，Vi---內(nèi)襯管的泊松比；K=d₀/di，di，d₀為內(nèi)襯管內(nèi)外直徑，毫米，可以近乎地認為殘余接觸壓力P’c即為液壓成型最大壓力Pc。

2.1.5 機械式復合管的力學性能分析中幾個討論問題

（1）外基管的材質(zhì)選擇。其材質(zhì)級別不能低于L245/B，壁厚不能太薄；^[4]否則，不足以產(chǎn)生相適應的彈性應變達到足夠的殘余接觸壓力。同樣，內(nèi)襯管也要選擇強度匹配的材料，但其厚度如何合理確定，尚無定論。

（2）高溫對機械式復合管的影響。對管線管的工況，由于三層PE防腐涂層加熱到195-230℃，復合管的殘余接觸壓力降低了約78%，^[3]內(nèi)外層可能松脫。因此，對外層管的3PE防腐，要考慮熱加載對復合管的殘余接觸壓力的影響。

（3）制造的現(xiàn)實比科學的假設要復雜很多。鋼管材料不可能像假設那樣很均勻地性能一致，由于內(nèi)襯管的熱膨脹系數(shù)可能是外基管的1.5倍，加熱時內(nèi)襯管容易出現(xiàn)“鼓包現(xiàn)象”；又由于外基管的彈性回復大于內(nèi)襯管的彈性回復，內(nèi)襯管容易出現(xiàn)“起皺現(xiàn)象”，^[5]這是機械式復合管常見的失效現(xiàn)象。針對前一種失效現(xiàn)象，要控制服役的環(huán)境或工況的溫度；針對后一種失效現(xiàn)象，控制外基管的彈性回復的力度，即復合管是否都要達到彈性變形極限位置，值得研究。例如，前面介紹水壓法外基管彈性勢能對復合效果的影響，當水壓76 Mpa時，接觸應力0.60Mpa；水壓85 Mpa時，接觸應力1.90Mpa。^[4]而我國城鎮(zhèn)建設行業(yè)標準CJ/T192-2004和石油天然氣行業(yè)標準SY/T6623規(guī)定，機械復合加工后的雙金屬管，其層間接觸應力不低于0.2Mpa。那么，水壓76 Mpa時，外基管雖沒有進入彈性變形極限位置，但接觸應力0.60Mpa＞0.2Mpa，已是3倍高于達標接觸應力，安全系數(shù)為3.當接觸應力達1.90Mpa，安全系數(shù)為9.5。安全系數(shù)如何恰到好處？

（4）雙金屬復合管在機械式制造方法方面，目前使用的都是擴徑這條思路；另一條思路是縮徑法，通過減徑機來縮小外基管的內(nèi)徑C，（圖4），從而消除與內(nèi)襯管的間隙實現(xiàn)過盈配合產(chǎn)生接觸應力。

（5）目前雙金屬復合管的材質(zhì)構(gòu)造是外基管為碳鋼或低合金鋼，內(nèi)襯管為不銹鋼，因為造價較貴，想要在一般民用住宅自來水管應用上推廣，從而取代鍍鋅焊管，目前在市場競爭中還不具備價格優(yōu)勢。制造企業(yè)在技術(shù)上探討出降低成本的措施，也很重要。

（6）國內(nèi)雙金屬復合管應用和研究起步較晚，雖然在國內(nèi)石油、煉化、醫(yī)藥、食品加工、高檔建筑等行業(yè)逐步推廣應用，但應用技術(shù)尚不完善。在復合工藝、高效生產(chǎn)、管端焊接、無損檢測、在線監(jiān)控等技術(shù)方面與國外先進國家相比仍存在較大差距，也缺乏適合于雙金屬復合管特點的耐蝕性能評估體系。目前國內(nèi)外有關(guān)雙金屬復合管的標準尚不完善，可操作性不強。一些技術(shù)要求沒有明確化，各種性能的檢測方法尚須完善具體規(guī)定。國內(nèi)標準在參照國際標準基礎(chǔ)上，如何結(jié)合國內(nèi)具體現(xiàn)狀，使之中國化，還有許多方面需要深化。^[6]

3.開發(fā)金屬管與塑料管的機械復合管成型技術(shù)

國內(nèi)雙金屬復合管由于內(nèi)襯管采用不銹鋼材質(zhì)，價格較貴，推廣應用范圍受到制約，如民用住宅自來水管沒有大規(guī)模采用；此外，如農(nóng)業(yè)用水的鋼管和塑料管市場很大。

3.1 農(nóng)村建設及地方供水飲水項目。^[7][8]進入2019年3月以來，工程建設進入旺季，農(nóng)村建設及地方供水飲水項目都明顯增多，所需鋼管及塑料管招標數(shù)量上漲，集中在南方省份有江蘇、浙江和湖北，北方省份主要是山東、河北和陜西。例如：綏化市北林區(qū)2019年農(nóng)村飲水工程采購PE管材的金額2098萬元；龍泉市2019年農(nóng)村飲水工程采購PE管材的金額1018萬元；寧海縣水務集團有限公司采購鋼塑管金額660萬元；孝感市自來水公司給水襯塑復合鋼管入圍供應商項目；通城縣2019年農(nóng)村飲水工程采購PE、PPR管材。農(nóng)田建設類項目目前主要集中于上海、四川和寧夏。上海市崇明區(qū)啟動市級節(jié)水型社會建設試點，2018年崇明區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉覆蓋率達93.19%，目前將重點推進高效節(jié)水面積達61.2萬畝，并推進糧田、菜田灌溉自動化控制系統(tǒng)和規(guī)模化果園滴灌設施建設。因此，鋼塑復合管在農(nóng)業(yè)建設中應用量很大。四川雅江縣日衣村高效節(jié)水灌溉工程PE管材采購16.8公里，南漳縣七里山森林公園供水工程采購塑料管材招標金額176萬元；寧夏農(nóng)墾暖泉農(nóng)場2019年滴灌帶采購PE管25公里，滴灌帶3300公里，阜蒙縣建設鎮(zhèn)迷宮滴灌帶采購管材3600公里。

3.2 縮徑法制造襯塑復合鋼管

按《鋼塑復合管》國家標準對襯塑復合鋼管的概念為采用熱脹法或縮徑法在鋼管內(nèi)壁內(nèi)襯塑料管復合而制成。

熱脹法。有文獻介紹日本用PVC管襯塑鋼管的原始工藝過程：由一根鋼管和一根PVC管粘合在一起構(gòu)成的，即將PVC管外面涂上粘結(jié)劑，再將它插入鋼管，然后將它們放入加熱爐加熱到PVC管軟化，再以空氣加壓使PVC管膨脹，同鋼管緊密結(jié)合，這樣就制成了襯塑鋼管。圖7為熱脹法制成的襯塑復合鋼管示意圖。

國內(nèi)現(xiàn)在有用PE管代替PVC管的做法，PE管的熱膨脹系數(shù)是PVC的2-3倍，表面像“蠟”一樣，難以粘合，所以，用粘合劑來粘合兩種管子，粘結(jié)度大為減弱。服役期間，這樣“熱膨脹”制成的襯塑復合鋼管，往往因為環(huán)境溫度的變化，出現(xiàn)塑料管收縮與鋼管分離而脫落，這樣失效情況通常出現(xiàn)在管端。^[9]提高粘結(jié)力來加強襯塑鋼管的結(jié)合緊密度其效果有限。因此，參照雙金屬復合管的機械成型方式使鋼管與襯塑鋼管之間由于過盈配合在結(jié)合面產(chǎn)生接觸應力而提高結(jié)合緊密度。于是，產(chǎn)生了縮徑法。

縮徑法。在ERW/HFW鋼管實際生產(chǎn)中就是張力減徑工藝，也是定徑工藝。一般張力減徑機的單機架減徑量約為2%-3%，可以實現(xiàn)等壁厚變徑，實現(xiàn)鋼管逐架減徑，最后達到預定的鋼管內(nèi)徑，所以也叫定徑工藝。縮徑法的襯塑工藝：將一根塑料管（PVC或PE管）插入鋼管內(nèi)，然后將它們進入張力減徑機組（一般由3架單機組成），由每個單機依次對鋼管內(nèi)徑進行減徑，使鋼管內(nèi)徑接觸到塑料管外徑，并有一定的壓縮量產(chǎn)生接觸應力，提高襯塑鋼管結(jié)合面的緊密度。縮徑法的優(yōu)點：工藝比熱脹法簡單，省去了粘結(jié)劑，不須要加熱爐加熱，不須要空氣加壓。由此，降低了成本，也更有利于環(huán)保。廣東有的高頻焊管企業(yè)應用減徑機制造出機械式襯塑復合鋼管，生產(chǎn)率高，造價便宜，用于農(nóng)田滴灌設施，受到好評。在此建議推廣此法。

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