（1.西安向阳航天材料股份有限公司 陕西西安 710065）
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摘要：本文论述了国内外双金属复合管主要厂家复合成型工艺及其特点，论述了双金属复合管无损检测与普通管材的异同点，给出了未来双金属复合管发展的建议。
关键词：双金属复合管；成型工艺；无损检测
前言
双金属复合管是一种具有内外双层金属的特殊管道，内层管道由耐蚀性较好但价格较高的不锈钢或镍基合金组成，外层管道由耐压能力强且价格低廉的碳钢管道组成。该金属管道具有优秀的耐腐蚀、耐压力能力。
国外自1991年开始大规模应用于油气输送领域，国内自2003年开始在油气田领域应用以来，经过二十余年的发展，凭借其低廉的价格、较高的承压能力和优异的耐腐蚀性能，获得了国内外管道行业的广泛认可。据报道，国外双金属复合管目前在油气田应用已近20万吨[1]。
1.国内外复合管成型技术发展现状
目前双金属复合管的结合方式主要分为机械结合和冶金结合，机械结合的成型技术主要有液压复合法、水下爆燃复合法、内旋压复合法、拉拔复合法[2]。受制于成型技术的工艺性和效率性，液压复合法、水下爆燃复合法、内旋压复合法得到多数复合管制造厂家的使用，而拉拔复合法应用较少。
冶金式结合成型技术有热挤压成型法、冶金式复合板卷焊法、粉末冶金法、离心铸造或离心铝热法、喷射成型法、堆焊法等[2]。其中冶金式复合板卷焊法、堆焊法是最常见的成型工艺。
1.1国外复合成型技术发展现状
国外双金属复合管企业主要有德国步廷恩公司（butting）、英国cladtek公司、澳大利亚的proclad公司、德国贝尔格龙公司、美国DMC公司。
德国步廷恩公司机械式复合管采用水压成型方法，冶金式复合管采用扎制复合板卷焊法。机械式水压成型工序为预制碳钢基管+预制耐蚀合金衬管+基管、衬管穿插装配+基衬边缘焊接密封+装入水压机内专用模具+衬管内注水膨胀+泻压+复合后管材切边处理+管端焊接处理。水压胀形过程如图1所示，碳钢内管和内衬管的应力、应变曲线如图2所示。德国步廷恩公司在该技术的领先之处是采用了全保持的外模具，使得水压对复合管的复合更为均匀及紧密，避免了不采用外模具可能造成的外管扩径过大超过标准要求或内管扩径不充分。但德国步廷恩公司在水压制造过程中未考虑扩径所带来的衬管轴向应力变形，由于两端焊后进行水压扩径，将使得扩径后的衬管轴向存在较大的残余应力。
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图1 水压胀形过程 图2 水压膨胀过程应力应变曲线
德国步廷恩公司冶金式复合管采用扎制冶金式复合板JCOE制造成型，该方法制造流程如图3所示，采用冶金式复合板作为原材料，采用大型折弯机折弯成C型，合缝后进行内外部焊接形成冶金式复合管。该方法对冶金式复合板结合程度和结合强度要求高，也保证在卷制成管过程中基衬不出现剥离甚至开裂的情况[7]。
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图3 冶金式复合管制造流程
英国cladtek公司双金属复合管的制造工艺与德国步廷恩公司方法类似，但其机械式复合管水压复合成型未采用外模具制约，冶金式复合管除采用冶金式复合板卷焊复合管外，该公司还采用全尺寸管内堆焊制造冶金式双金属复合管和管件，其堆焊方式采用双钨极自动氩弧焊接，堆焊质量较好。但采用堆焊方式制造双金属复合管对外层碳钢管要求较好，为了保证焊接变形，外碳钢管壁厚通常较厚，碳钢不易被焊接热输入改变力学性能，并且该方法效率较低，造价较高，管体过长也无法进行全管内表面精加工，只能使其内表面保持堆焊状态。
澳大利亚的proclad公司采用水压复合技术进行双金属复合管制造，该企业复合过程中未采用全抱持模具，但采用了内插式管端密封装置（如图4）。该水压复合工艺考虑了内衬在膨胀过程的轴向收缩问题，复合成型后的轴向残余应力较小，复合管管体较稳定。但是内插式水压复合将会导致管端较长范围内复合效果较差，该部分通常只能切除，原材料浪费较大。
德国贝尔格龙公司公司采用JCOE成型技术进行机械式复合管的制造，它将耐蚀合金板材与碳钢板铺在一起，在将铺一起的两块板边缘焊接固定，放入折弯机中进行折弯，折弯后采用全自动焊接设备焊接成管（如图5所示）。该技术工艺控制难度较大，在折弯成型过程中需精确控制内衬受力变形，且复合紧密程度不如其它复合方式。
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图5 JCOE成型机械式复合管示意图
美国DMC公司是采用爆炸冶金复合板卷制方法制造冶金式复合管，该公司冶金式复合板制造复合管工艺路线与德国步廷恩公司相似，但其冶金式复合板是采用爆炸炸药的冲击波，将两块搭接的金属板固相连接在一起，生产效率较高。但由于炸药的危险性和工艺控制的不确定性，该方式制造的复合板正在逐渐被扎制复合板取代。
综上可知，国外主流复合管企业机械式复合管以水压成型方式为主，辅以其它方式，冶金式复合管也冶金式复合板卷焊制管为主，辅以堆焊方式。
1.2国内复合成型技术
国内目前几家主要的钢管制造企业有西安向阳航天材料股份有限公司、上海海隆、浙江久立、河北新兴铸管、江苏众信等，分别采用爆燃复合技术、气体爆炸复合技术、液压复合技术、离心铸造技术和旋压技术。其中西安向阳航天材料股份有限公司除拥有原有的水下爆燃复合技术外，今年来又开发了水压复合技术，该复合技术吸取了国外复合管制造企业的先进经验，既采用了久立全抱持模具先进理念，又吸取了内插式密封模具的优点，改进设计了随动式内密封装置，可保证复合质量由解决轴向残余应力难题。
上海海隆、浙江久立两家公司采用水压复合技术进行制造，主要工艺参照德国步廷恩公司复合管的制造技术，河北新兴铸管先是依托其原有的离心铸造技术特长，开发双金属复合管离心铸造技术，该技术在2009年进行新产品鉴定并推广，但终因制造成本高、成品率低而退出市场，之后新兴铸管开发无缝复合管热扎制成型技术，主要用于小口径冶金式复合管件的制造。江苏众信采用机械内旋压技术进行双金属复合管制造，该方法是将组合好的复合坯管进行旋转，同时三个呈锥形的旋轮反方向旋转并推进由此外层碳钢管均匀地贴于不锈钢管上，形成静配合的细螺纹连结。这种方法适用范围比较有限，加工大管径比较困难，而且管层间界面机械结合强度低，加工的过程中会对内衬钝化层产生破坏，对于特殊腐蚀环境下应用的双金属复合管需进行内壁酸洗钝化处理。
近年来，随着国内热轧复合板逐渐成熟，国内部分原不锈钢焊管企业也开始采用热轧复合板JCOE成型的方式制造冶金式复合管。
2.双金属复合管管体NDT技术现状及发展趋势
由于双金属复合管具有两层金属管复合结构，因此该管道采用的无损检测技术除了常规管道管道的射线、超声等检测外，也具有其特殊性。
由于内、外金属材质不同，壁厚差异，晶粒度级别相差较大，内外两管间存在机械分层，采用传统的超声波探伤设备和方法无法检测复合管内衬管体和焊缝的缺陷，因此复合管的探伤一直是一个技术难题。根据API 5LD要求，复合后复合管内衬需进行全管体以及焊缝的无损检测，国内外通用的办法是采用内窥镜进行目视检测。但采用内窥镜检测只能对衬管内壁的完整性进行检查（如图6），且靠肉眼判断，误判、漏判的倾向大，不是一种很好的检验方式。近年来，国外有采用全长PT检测，该检测方法较内窥镜更为准确，但工艺难度较大，仅能检测表面，且效率很低。国内有企业考虑到内衬一般厚度仅为2-3mm，采用内穿式涡流进行探伤（图7），但由于涡流探伤对于探头跟探测面的距离、探测面质量有很大关系，因此探伤精度很低，甚至不如内窥镜检测精度高。西安向阳航天材料股份有限公司与加拿大NDT公司联合开发一种内穿式全自动超声检测（如图8），检测精度高，检测效率满足生产要求。
双金属复合管基衬间结合强度检测也是近年来国内外行业研究的热点，API 5LD给出了明确的基衬结合强度试验方法，但是没有给出验收指标。由于该验收指标与复合管的应用的相关性并不直接，因此各方对该指标的值大小要求不一致，通常国内设计院对该指标定值为20MPa，而国外有机构认为，管管间相互作用力不致于使得基衬管脱落即可。
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图6 内窥镜检测
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图7 内穿式涡流探伤 图8 内穿式全自动超声检测
除以上两方面外，由于机械复合管在高温热载荷、弯曲应力、管体垂直情况下可能出现失稳情况，机械式复合管有发展了高温热载荷性能测试、全尺寸复合管弯曲性能测试。高温热载荷性能测试又称热塌陷性能测试，是指将全尺寸机械式复合管置于加热设备中加热至200~300℃，并保温一定时间，观察管体是否会出现基衬脱层、鼓包等缺陷，通常用以评价机械式复合管在高温条件下的基衬结合强度，确切地说是衡量其在后面外防腐过程中是否会发生基衬脱层、鼓包等问题。TWI已经着手开展基于ECA评估的复合管适应性研究[3]。澳大利亚Cladtek公司已经开发了集拉伸、弯曲、加热、加压与位移控制于一体的全尺寸弯曲试验机，可以评价机械式复合管在轴向拉伸载荷、弯曲载荷、高温、内部加压情况下的可靠性。西安向阳航天材料股份有限公司在国内率先研制了复合管全尺寸弯曲试验机，并通过四点弯曲试验研究了机械式复合管在弯曲应力作用下的极限弯曲半径，为机械式复合管成功铺设于海底提供了试验支持。
2.1发展建议
近10年来，双金属复合管成型以及性能分析技术发展迅速，但是由于该管材应用的高温、高压、高腐蚀环境对材料要求非常苛刻，双金属复合管各类技术依然需要不断发展。建议如下。
（1）加紧成型技术研发和自动化程度。国内尽管有众多双金属复合管制造企业，不同单位的制造技术也不同，但各单位的技术水平却层次不齐，真正能够满足用户大规模使用的制造企业不超过两个。普遍因技术不成熟、规模小、生产效率低而不能满足社会需要。因此，行业内各单位应加紧复合管制造技术的研发，提高制造的自动化程度，促进复合管生产效率的提高、质量的完善和行业的快速健康发展。
（2）进一步开发复合管无损检测和无损探伤技术，如管体基层和衬层的超声波探伤技术、复合管结合强度的无损检测技术、复合管的在线质量监控技术等。
（3）各研究机构和设计部门应着手开展复合管的全寿命设计和评估。逐步开展从实验室评价到实际环境评价，从静态评价到动态评价的全方位评价体系建设，辅助计算机数值模拟技术，为复合管的全面推广应用积累数据和奠定基础。
（4）双金属复合管主要应用于地面油气或其它含腐蚀介质流体输送，并无适合的井下管道新产品，加紧研制井下复合油管有助于解决油井管腐蚀难题，提高边际油田的开采效率，降低开采成本。
3.结语
双金属复合管由于独特的结构和良好的性价比在国内外的油气田等领域已经广泛使用。近10年来，相对国外复合管的发展和应用，国内双金属复合管的发展也呈现蓬勃之势，截止2019年3月，全球共有35家企业通过了API 5LD认证，国内有13家企业通过认证，占全球取得该认证企业的37%，但数量不等于质量，国内大多复合管制造企业的制造水平较低，产品质量不稳定。国内双金属复合管制造企业应不仅简单地制造复合管，更应加大技术投入，提高复合管质量控制水平，提高中国制造在国际上的声誉。
参考文献：
[1]孙育禄，白真权，张国超等. 油气田防腐用双金属复合管研究现状[J]. 全面腐蚀控制. 2011, 25(5):10~13
[2]曹晓燕，上官昌怀，施岱艳等. 天然气管线用双金属复合管的发展现状[J] 全面腐蚀控制 2014 28（04）：22~25
[3]王永芳，袁江龙，张燕飞，郭崇晓. 双金属复合管的技术现状和发展方向[J] 焊管 2013 36（2）：5~9
论文作者:吴泽1,卜明哲2,马超1,张燕杰3,于阳1
论文发表刊物:《科技研究》2019年2期
论文发表时间:2019/5/13
标签：复合管论文; 技术论文; 双金属论文; 水压论文; 恩公论文; 德国论文; 复合板论文; 《科技研究》2019年2期论文;