复合管生产方法的选择与发展

复合管生产方法的选择与发展

0覆层材料和生产方法对复合管性能的影响复合管由两种或两种以上的材料组成，管道层通过各种变形和连接技术形成紧密的关系。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。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(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,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拉拔、胀接、轴压、压压冷成型制造工艺的基本特征是将预加工好的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。胀接分机械胀接和液压胀接两种。机械胀接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,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复合挤压co-最高的不锈钢有缝复合管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,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,使表面达到原子接触,从而使两表面焊在一起。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,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32mm的管材的加工。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。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),日本制钢所利用这种方法生产8in(203.2mm)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1200℃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,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、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,因此也有先热挤压再进行冷拉拔制造复合管的方法。3离心铸造东北部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,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API5LX52到X65钢、内部复合825和625合金的复合管的生产,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。基材通常为低碳钢、低合金钢。首先,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。离心铝热剂法又称为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。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2500～2960℃,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:(1)效率极高,可在4～20s内堆敷2～10kg的粉末;(2)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;(3)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;(4)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在其它产品上的生产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,广泛用于生产各种复合板,基体的两侧都可以进行复合。很多情况下,爆炸复合板进一步轧成较薄的板,再进行其它产品的生产。例如,不锈钢/碳钢复合管就常采用这种工艺,爆炸焊合的复合板经热轧、冷轧成复合带,然后在焊管机组进行连续辊式成型,最后通过焊接生产直缝焊管和螺旋管。利用爆炸焊也可以直接生产复合管。这时是靠炸药爆炸产生的冲击波,使内管发生塑性变形,紧贴外管。该方法的主要缺点是,对尺寸较长的复合管炸药量很难准确确定,而且具有一定的危险性。利用爆炸成型,覆层可小于0.2mm,熔合比最小可达到5%;覆层紧密,产品适用性强。另外,利用爆炸焊可实现多种金属间的连接,有些是采用其它方法不能实现的。还可实现三种以上金属的组合。5堆焊方法的选择堆焊是较早使用的制作复合金属的方法,它是用熔焊、钎焊、热喷涂、喷熔等方法在工件表面堆敷一层具有特定性能材料的工艺过程。堆焊(surfacing)包括硬质堆焊(hardfacing)和金属喷涂(metallizing),前者指利用熔化技术使金属表面熔敷上另外一层金属,后者则是将微细的金属颗粒沉积到金属表面。利用堆焊制备复合金属可以采用许多工艺方法,但各种熔焊方法在堆焊工作中占的比例最大,狭义上的堆焊即指熔化焊方法堆焊。几乎任何一种熔化焊方法都可以用作堆焊,但是堆焊的主要目的是保证堆焊层的性能,而不仅仅是为了连接,因此选择堆焊方法时要考虑到:(1)保证较低的稀释率,过多的稀释可能会破坏堆焊合金的冶金性能,从而使之失去所希望得到的性能;(2)有较高的熔敷率,以提高生产率;(3)工件尺寸、形状复杂程度和批量大小。尺寸小的可选用氧乙炔火焰堆焊,尺寸大的可选用埋弧堆焊等自动化方法,尺寸大而形状简单的可选用堆敷效率最高的电渣焊方法;(4)力求降低成本,即在获得所要求性能的前提下选择成本低的焊接方法。文献给出了几种堆焊方法的主要特点。如果现场要求在现有的碳钢管上采用堆焊方法直接制造复合管,除了考虑稀释率和熔敷率,还要考虑到设备的可达性以及堆焊层的最小厚度不能太大,以免影响管道的输送能力。稀释率在10%以下而最小厚度又不太大的堆焊法有氧乙炔火焰堆焊和等离子弧堆焊。氧乙炔火焰堆焊稀释率低、最小堆焊厚度小,设备简单、成本低、可达性好,只是生产率低、劳动强度大,生产件少时可以考虑。手工电弧焊如果加工件少,对成型没有什么要求也可采用。气体保护焊在复合管的生产中多有应用,但一般采用药芯焊丝,实芯焊丝稀释率高。等离子弧堆焊是一种难得的堆敷速度快、效率高、稀释率低的方法,但设备成本高,生产件量大时推荐采用。受机头限制,等离子堆焊设备不能进入管径太小的管道,堆敷厚度小于1mm时工艺性变差。堆焊制造复合管,其主要缺点是:大面积堆敷时成本太高;可生产的材料组合仅限于熔化焊下具有相容性的材料之间,例如,不能复合两种熔点相差太大的材料,也不能复合焊接时产生脆性金属间化合物的材料。堆焊最常用于不锈钢与碳钢的复合,但工业特别是化工业所需求的复合材料种类远不止这些。6磁力线深接收点的作用电磁成型工艺属于高能加工范畴,是很有发展前途的。它是利用瞬间的高压脉冲磁场迫使金属产生塑性变形,管件电磁成型原理见图2。当高压直流电源对高压脉冲电容器充电,电压达到隔离开关的临界击穿电压时,隔离间隙被击穿,电容器将储存的全部能量加在线圈上,由此在线圈上几微秒的瞬间通过很大的电流,从而产生强脉冲磁场。放置在线圈外的管材金属就会感应反方向电流,而产生的反向磁通阻止磁通穿过管材金属,迫使磁力线密集在线圈和管材金属的间隙内,密集的磁力线具有扩张的特性,使管材金属表面各部分受到巨大的冲击压力,在几微秒内就可与模具或另外一管材进行撞合。与常规压力加工方法相比,电磁成型制造的复合管其包覆层与基体间的界面与爆炸焊相似,呈波浪状,压接质量好。结合处不仅有塑性流动,而且局部出现熔合。与爆炸焊相比,电磁成型的噪音小、效率高、不需复杂的安全设备。与常规焊接方法相比,可无缺陷连接性质迥异的两种金属。但是,目前利用电磁成型制造复合管还存在很大的局限性。电磁成型仅适于加工铜或铝等强度低、导电性高的材料,如果加工钢铁材料,一是线圈容易烧毁,二是现有设备的装机容量满足不了生产要求。7复合法成分配比及含量低的原因目前制造复合管的方法很多,传统的有轧制、挤压、堆焊、爆炸焊,比较新的技术有电磁成型、离心铝热剂法等。轧制和挤压的共同特点是生产率高、质量好,可节省金属材料的损耗,但一次性投资大,可复合的材料组合受限,冷加工管只能用于常温环境。电磁成型是一种很有发展前途的先进工艺,效率高,安全,可连接性质迥异的两种金属,但只适用于加工强度低、导