双金属复合管分类及其特性分析
杨专钊1,2，王扬3，李安强2，魏亚秋2
(1.中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司3.中国石油技术开发总公司)
主要内容：根据两种金属结合界面特征，双金属复合管划分为机械复合管和冶金复合管两大门类。根据制造工艺原理，将机械复合管划分为液压成型复合管和机械成型复合管，冶金复合管划分为无缝冶金复合管和焊接冶金复合管，共有四种类型的复合管，再依据具体工艺特征将四种类型双金属复合管分别细化为20种双金属复合管。同时，介绍了这20种双金属复合管工艺原理及其性能特点。最后推荐了目前比较成熟的机械复合管和冶金复合管制造工艺。
国家重点研发计划项目“油气管道及储运设施损伤致灾机理与演化规律研究”(项目编号:YFC)
关键词：机械复合管；冶金复合管；液压成型；机械成型；焊接冶金复合管
0引言
油气集输用双金属复合钢管是通过冶金结合或机械结合等方法，将基体钢管和覆层金属结合在一起的新型钢管。碳钢基管主要起到承压和管道刚性支撑的作用，覆层则具有防腐蚀的作用。其保留了碳钢基管和覆层金属材料各自内在的优点，互补了各自的不足。基体钢管可以根据输送介质的流量和压力要求，选用不同管径、壁厚和钢级的碳钢或不锈钢，覆层可以根据输送介质的化学成份、现场服役环境条件，选用不同的耐腐蚀金属或合金。
目前双金属复合钢管采用的覆层材料主要有：
1)铁基合金：奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、双相不锈钢、高镍合金。
2)非铁基合金：铜基合金、镍基合金、钛合金、哈氏合金。
3)有色金属纯材：镍、钛。
双金属复合管兼有基体钢管和覆层的所有优点，相对于纯材合金管能有效降低成本，而且在对纯材合金管具有应力腐蚀开裂敏感性的氯化物和(或)酸性环境中可以提高安全性和可靠性。双金属合金管能最大限度地实现材料的优势互补，减少合金元素用量，降低工程费用及维护成本，同时，根据腐蚀介质的不同，选择相应的耐蚀合金材料作为内衬，能够完全达到耐蚀合金管材的耐腐蚀性能标准，并且具有更高的耐压指标。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。双金属复合钢管主要应用于石油天然气、化工、电力、煤炭、锅炉、热交换器、海水管道等工业领域。
复合管作为油气田开发腐蚀预防和控制的主要措施，与碳钢相比具有耐蚀优势，与耐蚀合金纯材相比，具有价格优势，因而基于其良好的经济性和技术性，复合管相关技术开发和应用研究，在过去近20多年来取得长足发展[1-4]。双金属复合管逐渐在国内外海洋油气开采中应用，并且取得良好效果。国外在双金属复合管在海上油气田开发工程中的应用已有多年的历史，并列出国外年至年双金属复合管应用情况，累计达3万吨。我国首个海洋用双金属复合管项目，即崖城13-4海管项目、南海番禺35-1/35-2气田和东海平黄HY1-1/HY1-2气田等海洋区块应用双金属复合管累计超过km[5-7]。
目前关于双金属复合管的经济性分析、研究开发、应用等现状和趋势等文献报道较多，但是关于双金属复合管分类依据及其分类结果不够清晰合理。本文以此为背景，详细介绍双金属复合管分类及其工艺特点。
1双金属复合管分类
关于油气集输用双金属复合管制造工艺分类国内外文献研究较多，而且分类依据不统一，导致双金属复合管分类较为混乱。如：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。按照双金属复合管的成型原理，复合管的成型可分为塑性成型法(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)和非塑性成型法(主要有离心铸造法、离心铝热技术法、消失模真空吸铸法和中频感应加热钎焊法等),其中机械胀接技术又包括拉拔成型法、滚压成型法等,柔性胀接技术包括液压成型法、橡胶胀接法和爆炸成型法等。按复合管的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等[8-12]。
目前，关于双金属复合管分类较为认可的分类方法，即根据双金属界面结合方式来划分，分为机械结合复合管和冶金结合复合管[13-22]。依据最新版美国石油学会标准APISpec5LD-《SpecificationforCRACladorLinedSteelPipe》，对双金属复合管根据界面结合方式划分为内覆复合管(即冶金复合管)和衬里复合管(即机械复合管)。内覆复合管即为冶金复合管，是指耐蚀合金层通过热轧、堆焊、粉末冶金或爆炸复合等工艺复合到碳钢基管或者基板，并且合金层和碳钢之间界面达到冶金结合。衬里复合管(即机械复合管)是指耐蚀合金层通过机械扩张、延展或安装等方法将合金层衬入碳钢基管内，合金层和碳钢之间仅为机械接触。
综合上述相关文献，依据笔者调查和研究结果，笔者制定了油气集输用双金属复合管详细分类图，如图1所示。由图1可见，首先将复合管划分为机械复合管和冶金复合管。机械复合管根据制造工艺划分为液压成型和机械成型复合管。液压成型包括液压胀型复合管和爆燃胀型复合管。机械成型复合管包括：机械扩径复合管、机械缩径(拉拔)复合管、机械旋压复合管、无模拉伸复合管、自扩张复合焊接复合管(德国贝尔格隆工艺)、热膨胀机械复合管和抽真空复合管。冶金复合管根据工艺划分为无缝冶金复合管和焊接冶金复合管。其中无缝冶金复合管包括离心浇铸复合管、离心铝热复合管、热挤压复合管、半固态多坯料挤压复合管、堆焊复合管及电磁成型复合管等；焊接冶金复合管包括热轧复合板焊接复合管、爆炸复合板焊接复合管、爆炸及热轧复合板焊接复合管、钎焊复合板焊接复合管、粉末冶金复合板焊接复合管等。
机械结合复合管是依靠冷加工扩径或缩径获得过盈紧密配合，其优点是生产工艺比较简单，价格较便宜，适合长距离管线用管，但存在以下不足：1)在高温下，因碳钢/低合金钢与不锈钢/耐蚀合金间膨胀系数的差异、受热约束应力释放而削弱结合力，或层间存在气体而造成衬里层失稳或鼓泡。2)机械结合复合管不宜进行冷、热加工制造弯头、三通等配件。
冶金结合复合管通过高温、高压或者焊接等作用，在基材和覆材界面之间形成原子扩散，实现冶金结合，有较好的界面结合强度。但生产成本高，工艺复杂，而且对产品材质类型和规格有较强的选择性，同时适用二次加工来制作复合弯管或复合管件。冶金结合复合管更适合高温或温度波动较大环境下使用。
图1双金属复合管分类图
2双金属复合管工艺原理及其特点
针对上述分类方法及分类结果，整理汇总了油气集输用双金属复合管类型、结合方式等，并概述了各类复合管制造工艺原理及其工艺特点。各类复合管工艺原理及其特点简介如下：
1)液压胀型复合管
液压胀型复合管属于机械复合管，采用液压成型。其成型原理为：将衬管与基管经表面处理后装配，采用水压机加压至衬管塑性变形，基管发生弹性变形，卸压后，基管弹性回复大于衬管的弹性回复，内外管紧密贴合。成型工艺主要优点为：复合工艺简单，逐渐加压成型，密闭长筒内各点压力相同。成型工艺主要缺点为：结合力较小，虽然各点压力均衡但极易受到内衬层厚度和不规则程度影响，衬层较厚处基层与衬层不能完全贴合，高温下易产生应力松弛而分层失效。
2)爆燃胀型复合管
爆燃胀型复合管属于机械结合复合管，也属于液压成型。其成型原理为：用液压动力管产生的瞬间化学能以爆轰波的形式通过水传递给衬管，使衬管发生水压扩径塑性变形，基管发生弹性变形，爆轰后，基管回弹量远大于衬管，基管与衬管紧密贴合。采用液压动力管爆炸技术、测控技术，定性定量对复合管坯精准扩径，不受管径限制，生产效率高，基管与衬管结合强度较低。
3)机械扩径复合管
机械扩径复合管属于机械结合，成型类型为机械成型。其成型原理为：将装配好的衬管和基管，在扩径模具作用下，分步沿轴向逐步扩径，使得衬管和基管都发生塑性变形，再回弹，进而实现基管和衬管紧密配合。成型工艺主要优点为：容易实现机械自动化操作，并精确控制扩径量；易采用直缝埋弧焊接钢管扩径工装实现。成型工艺主要缺点为：由于扩径头模具尺寸原因，复合管尺寸受直径限制；同时投资较大。
4)机械缩径(拉拔)复合管
机械缩径(拉拔)复合管属于机械结合，成型类型为机械成型。其成型原理为：将装配好的衬管和基管，在锥形拉挤模具和载荷作用下，使管径缩小，衬里与基管均产生塑性变形，使衬管贴合于基管内表面。成型工艺主要优点为：复合工艺简单、有效，复合管内表面圆整度好。成型工艺主要缺点为：成型时进行拉拔处理，高温下易产生应力松弛而分层失效，内衬层没有达到充分塑性变形，结合力较小，不能达到过盈结合。对外基管内壁表面平整性要求较高，由于结合力小，焊缝处反复受到介质扭曲，易出现疲劳开裂。
5)机械滚压复合管
机械滚压复合管属于机械结合，成型类型为机械成型。其成型原理为：通过芯轴的回转带动滚动体不断挤压复合管的内壁，其周向分布的滚动体能随时自动进行径向位移补偿，同时将滚压力保持稳定或基本稳定的状态，促使内管产生径向扩胀的塑性变形，从而使内外管间机械结合较紧密。成型工艺主要优点为：成型能耗低，成型驱动功率低；成型工艺主要缺点为：易造成内管壁变薄、严重时导致内管开裂，且易在内管形成加工硬化。
6)机械旋压复合管
机械旋压复合管属于机械结合，成型类型为机械成型。其成型原理为：机械旋压法是将组合好的复合坯管旋转的同时，三个呈锥形的旋轮反方向旋转并推进，由此外层基管均匀地贴于不锈钢衬管上，形成静配合的细螺纹连结。成型工艺主要优点为：成型工艺简单，成型效率高；成型工艺主要缺点为：加工大管径复合管比较困难，且管层界面间的机械结合强度较低，易发生结合界面分离或脱落。
7)无模拉伸复合管
无模拉伸复合管属于机械结合，成型类型为机械成型。其成型原理为：无模拉伸是一种不采用模具而进行金属成形的加工方法。将装配复合管一端固定，采用感应加热(或其他方式)对工件进行局部加热到高温，同时以设定的速度拉伸工件的另一端；而热源和冷却系统则以设定的速度向相反或相同的方向移动，从而获得变截面的复合管产品。成型工艺主要优点为：成型工艺简单，设备规模小，易实现自动控制[23]。成型工艺主要缺点为：生产效率低，不宜于批量生产。
8)自扩张复合焊接复合管
自扩张复合焊接复合管属于机械结合，成型类型为机械成型。其成型原理为：将合金板和基板叠合，在叠合板两端横边进行点焊，随后预成型到一定程度时对叠合板纵边封焊，再完成成型和最终内外层焊接，形成纵焊缝处为冶金结合，其余部分为机械贴合的复合管。成型工艺主要优点为：比一般机械复合管结合强度高，无需端面封焊或者堆焊处理，可以直接进行现场施工焊接。成型工艺主要缺点为：工序较为复杂，焊接工序较多，尤其纵向封焊时机不好控制。
9)抽真空法
抽真空法属于机械结合，成型类型为机械成型。其成型原理为：先对内、外管端面处连接缝进行封焊形成焊缝圈，在外管上钻通孔，随后通过气孔对夹层抽真空后再封焊气孔，则内、外管将在大气压的作用下紧密结合。成型工艺主要优点为：该工艺成型简单，设备成本低廉。成型工艺主要缺点为：复合管内外管的结合主要靠大气压的压力挤压而成，所以结合强度有限[24]。
10)热膨胀法机械复合管
热膨胀法机械复合管属于机械结合，成型类型为机械成型。其成型原理为：将装配好的基管和合金管，放置在惰性气田保护环境内，通过感应加热方法，利用基管和合金管不同的热膨胀系数，使得衬管塑性变形，基管发生弹性变形，冷却后，基管弹性回复大于衬管的弹性回复，内外管紧密贴合。成型工艺主要优点为：成型工艺较简单，设备成本小。成型工艺主要缺点为：耐蚀合金会受到热膨胀系数的影响较大，内管不适用低价的耐蚀合金。由于温度的改变影响部分耐蚀合金的耐蚀性。
11)离心浇铸复合管
离心浇铸复合管属于冶金结合，成型类型为无缝冶金复合管，其成型原理为：利用离心作用，分层浇铸不同成分的金属液体，将内外金属的熔合层控制在一定厚度范围内，形成完全的冶金复合管。成型工艺主要优点为：成型的钢管具有组织致密、晶型细小、过渡层较宽、应力较小、夹杂物含量少的优点。成型工艺较为简单，适用材料范围较广。成型工艺主要缺点为：铸件易产生偏析，铸件表面较为粗糙，内表面尺寸不容易控制等。复合管材成型过程中对涂料、管模转速、浇注温度要求较高。
12)离心铝热复合管
离心铝热复合管属于冶金结合，成型类型为无缝冶金复合管。其成型原理为：将一定比例的铝粉和其他金属粉末均匀混合后填充在碳钢管中，然后将管子放在离心机上进行高速旋转，在离心力的作用下，粉末在管的内表面形成均匀的涂层，随后点燃铝粉使其发生化学反应，反应产生的高温使与内表面接触的涂层被熔化，这些涂层与外管形成紧密结合的涂敷层。成型工艺主要优点为：在离心力场中引起铝热反应形成复合管，该成型工艺简单，成本较低，结合力较高。成型工艺主要缺点为：由于采用铝热反应，界面中含有一层氧化铝影响复合管端口焊接。目前多用于内衬陶瓷等非金属。
13)热挤压复合管
热挤压复合管属于冶金结合，成型类型为无缝冶金复合管。其成型原理为：将异种金属表面清理后组装成挤压坯，然后加热到一定的温度，按照一定挤压比进行挤压，在压力作用下使金属紧密接触并达到冶金复合。成型工艺主要优点为：复合成型工艺简单，结合力较强。成型工艺主要缺点为：复合管内层为耐蚀合金，可能产生壁厚波动，并由于变形抗力不一致而产生裂纹。
14)粉末冶金(半固态多坯料)挤压复合管
粉末冶金(半固态多坯料)挤压复合管属于冶金结合。粉末冶金复合法是将两种合金粉先后充填在钢制容器内形成两层粉末管坯，加盖焊封，用热等静压提高容器内粉末的充填密度，再将管坯加热进行热挤压，用酸洗等方式除去外侧作为容器部分的钢，便制成了金属复合管。成型工艺主要优点为：合金层组织均匀，机械性能好，可实现近净成形，能大量节约金属，成材效率高；成型工艺主要缺点为：制备的复合管生产的复合管强度较低，内部存在孔隙，进行小批量生产时，成本较高，复合材料中有不能发生塑性变形的脆性材料或用熔铸法难以形成合金的材料。
15)堆焊复合管
堆焊复合管属于冶金结合。其成型原理为：堆焊是采用熔焊、热喷涂、喷熔等方法，将满足性能要求的金属熔化(耐蚀合金层)，并使其在工件表面堆敷的工艺过程。成型工艺主要优点为：堆焊层结合强度高、残余应力小、表面质量优良，成材率高，工艺流程短；成型工艺主要缺点为：材料和设备成本高，堆焊效率低，焊缝易稀释，难以堆焊小口径复合管。
16)电磁成型法
电磁成形法属于冶金结合，其成型原理为：利用瞬间高压脉冲磁场迫使金属产生塑性变形，当给线圈通高频脉冲电流时，由于电磁感应现象，放置在线圈外的管材表面各部分将受到洛仑磁力巨大的冲击作用，在几微秒内就和另一管材进行撞合，且在撞击角度和撞击速度匹配合适的条件下，接触面将在幅值巨大的磁压力作用下紧密结合，形成冶金连接。成型工艺主要优点为：工件成型加速度大，加工周期短，简化了模具制造，可高精度加工复杂零件，残余应力小、电磁成型复合能量控制、自动化生产程度高，同一感应线圈可以多种加工；成型工艺主要缺点为：仅适于加工铜或铝等强度低、导电性能好的金属，且现有的设备装机容量较小[25]。
17)热轧复合板焊接复合管
热轧复合板焊接复合管属于冶金结合，成型类型为焊接冶金复合管。其成型原理为：利用三明治式工艺，将装配好的合金层、基板，经过高温热轧、冷却、打开等工序，得到热轧冶金复合板，再经过JCOE或UOE或排辊成型等制管工艺制造复合管。成型工艺主要优点为：复合管结合强度高，成型工艺简单，生产效率高、产品质量好，可大量降低金属材料的损耗。成型工艺主要缺点为：一次性投资大，材料选择范围小，温度升高对材料性能有一定影响。
18)爆炸复合板焊接复合管
爆炸复合板焊接复合管属于冶金结合，成型类型为焊接冶金复合管。其成型原理为：利用炸药为能源，在炸药的高速引爆和冲击作用下，在十分短暂的过程中使被焊金属表面形成一层薄的具有变形、溶化、扩散以及波形特征的焊接过渡区，从而实现复合，再经过JCOE或UOE或排辊成型等制管工艺制造复合管。成型工艺主要优点为：一次性瞬间成型，内外管结合强度较高，材料选择范围较广，易与冲压、挤压、拉拔等工艺结合，不需要复杂设备，对场地要求不高。成型工艺主要缺点为：内外管结合界面区易形成锯齿波形，复合管尺寸长度受限，对炸药的药量控制较高。机械化程度低，劳动条件较差，环境污染较大，不适用连续化生产及生产薄板。
19)爆炸及热轧复合板焊接复合
爆炸及热轧复合板焊接复合属于冶金结合，成型类型为焊接冶金复合管。其成型原理为：将合金层和基层经过爆炸焊接后，再进行热轧整形，得到爆炸复合和冶金复合综合性能良好的复合板，再经过JCOE或UOE或排辊成型等制管工艺制造复合管。成型工艺主要优点为：综合爆炸焊和热轧工艺综合优点，具有界面结合良好等优点；缺点：生产工序较长，设备成本较高，生产效率较低，适用单张生产。
20)感应加热钎焊法
感应加热钎焊法属于冶金结合，成型类型为焊接冶金复合管。其成型原理为：将合金管和基管之间放置钎料，并在惰性气体保护下，经连续感应加热，钎料被加热熔化，钎料在基层和合金管间发生反应，在冷却水的作用下迅速凝固，从而形成冶金结合。成型工艺主要优点为：在外管与内管间形成一层钎焊，填满层间间隙，使外管和内管之间形成了%的冶金结合；缺点：钎料工艺较为复杂，材耗大，能耗高。
3对比分析
通过对比和调研上述各种双金属复合管制造工艺原理、优缺点及其应用现状，可见目前国内外比较成熟的双金属复合管工艺为：机械复合管主要制造工艺包括液压胀型机械复合管、爆燃胀型机械复合管和和机械旋压复合管，冶金复合管主要制造工艺包括离心浇铸冶金复合管、热挤压冶金复合管、堆焊冶金复合管、复合板焊接冶金复合管，这些复合管在国内外均有投资生产线，并且复合管产品已投入实际使用，其余机械复合管和冶金复合管制造工艺尚为理论研究或试验开发阶段，尚无投入工业生产和应用。
4结论
1)根据复合管结合界面特征，油气集输用双金属复合管划分为机械复合管和冶金复合管，机械复合管两种金属仅仅是物理接触，冶金复合管是两种金属为原子间结合。
2)机械复合管根据制造工艺划分为液压成型和机械成型复合管。液压成型包括液压胀型复合管和爆燃胀型复合管。机械成型复合管包括机械扩径复合管、机械缩径(拉拔)复合管、机械旋压复合管、无模拉伸复合管、自扩张复合焊接复合管、热膨胀机械复合管和抽真空复合管。
3)冶金复合管根据制造工艺划分为无缝冶金复合管和焊接冶金复合管。其中无缝冶金复合管包括离心浇铸复合管、离心铝热复合管、热挤压复合管、半固态多坯料挤压复合管、堆焊复合管及电磁成型复合管等；焊接冶金复合管包括热轧复合板焊接复合管、爆炸复合板焊接复合管、爆炸及热轧复合板焊接复合管、钎焊复合板焊接复合管、粉末冶金复合板焊接复合管等。
4)比较成熟的机械复合管主要制造工艺包括液压胀型机械复合管、爆燃胀型机械复合管和和机械旋压复合管，冶金复合管主要制造工艺包括离心浇铸冶金复合管、热挤压冶金复合管、堆焊冶金复合管、复合板焊接冶金复合管。
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