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      新聞中心/JIN HAO GUAN YE   
      淺析雙金屬復合管的種類以及應用
      時間:2022-06-08 08:41:44瀏覽量:78

      雙金屬復合管是由兩種不同的金屬材料組成,通過各種變形和連接技術使管層緊密結合,使兩種材料結合成一個整體,是一種新型的金屬復合管??偟脑O計原則是基材滿足管道設計的許用應力,包覆層耐腐蝕或耐磨損。雙金屬復合管具有基層和包覆層的所有優點,與整體合金管相比,可有效降低成本。此外,它可以提高對整體合金管的應力腐蝕開裂敏感的氯化物和/或酸性環境中的安全性和可靠性。隨著工業技術的發展、環境介質的復雜化、競爭的加劇,許多行業對金屬管材的綜合性能要求越來越高,因此雙金屬復合管及其生產技術發展迅速。

      在強腐蝕、高磨損、高工作壓力的環境中使用的流體管道,通常采用高合金含量的優質不銹鋼或無縫鋼管。由于這些管材中添加了大量的合金元素,其價格是普通無縫鋼管的幾倍甚至幾十倍。多年來,管材使用者和制造商一直在努力尋求一種既能適應惡劣環境,又價廉物美的高性能復合管材。

      雙金屬復合管可以在保證原基管全部性能的基礎上,實現材料的優勢互補,節約合金元素,降低工程成本,提高管道的耐腐蝕性和耐磨性,延長管道的使用壽命,是純不銹鋼管、銅管或其他耐腐蝕合金管的替代品。

      自20世紀60年代以來,日本、美國、德國、英國和前蘇聯都非常重視復合鋼管的開發和使用,在生產工藝、性能和檢驗方法等方面做了大量的研究。目前雙金屬復合鋼管的生產技術已日趨完善,日本、美國、英國、瑞典、德國處于較好水平。復合管在石油、石化企業、核工業、醫藥、食品加工等領域得到了廣泛的認可。具有強腐蝕性。還可以通過內層復合耐磨金屬,滿足電廠粉煤、礦山礦粉、尾礦漿輸送等高磨損工作環境的要求。但起步較晚,技術水平相對落后。

      復合管是近10年來發展迅速的一種工程管道。它品種多,功能全,性能優越。已形成相對成熟的技術,并已投產。主要工藝方法有熱軋復合法、熱擠壓復合法、鑄造復合法、爆炸焊接復合法、復合雙金屬復合管生產法、激光熔覆法等。日本在技術發展方面后來居上。據文獻報道,日本在80年代初開發研制了多種復合工藝。其中,典型的熱軋或熱軋加冷卻成型工藝可以實現涂層材料與基材之間質量優良的冶金結合。其產品廣泛應用于石油化工、化學工業、石油天然氣工業等。

      雙金屬復合管制備方法的研究概況:熱成型方法

      目前,雙金屬復合管的生產方法主要有冷成型法、熱成型法、離心鑄造法、離心鋁熱法、爆炸焊接成型法、電磁成型法等。

      2.1冷成型方法

      冷成型制造工藝的基本特點是將經過預處理的薄壁不銹鋼管插入碳鋼管中,然后通過機械方法使不銹鋼管與碳鋼管內壁緊密貼合。獲得薄壁不銹鋼管的方法有兩種:一種是選擇合適規格的無縫不銹鋼管,通過旋壓使其變薄,達到所需的外徑和厚度;另一種是用薄不銹鋼板或鋼帶在專用制管機上用tig焊接直縫或螺旋縫不銹鋼管。采用拉拔、脹接、旋壓、滾壓等方法使不銹鋼管與碳鋼管內壁緊密貼合,其中最常用的是拉拔和脹接。拉拔是取兩根分別制作的無縫鋼管,一根套在另一根外面,然后將兩根鋼管同時通過一個模具拉拔,實現緊密的機械結合。這種管材具有生產工藝簡單、價格低廉的優點。缺點是界面非擴散結合,僅依靠外層冷加工獲得緊密配合。因此,冷加工復合管如果遇到高溫,往往會分層,復合管會因應力釋放而失效。這就限制了冷加工管的使用環境和應用領域。膨脹分為機械膨脹和液壓膨脹。機械膨脹節是目前生產不銹鋼復合管的主要方法。它通過滾壓芯軸的旋轉擠壓,使復合管的內管發生塑性變形,外管發生彈性變形,使復合管的外管與內管產生接觸壓力,復合管的內外壁緊密結合。液壓膨脹節的原理和機械膨脹節是一樣的,只不過是用管內的高壓水來壓,而不是滾動芯軸的旋轉擠壓。機械膨脹時膨脹力的大小難以確定,容易欠脹或過脹,反復滾動膨脹容易造成襯砌開裂。液壓脹形時,脹力均勻,尺寸可計算,更有優勢。兩種膨脹節方法的共同缺點是內外層只是機械結合,和拉伸成型一樣,在高溫下會因應力松弛而分層失效。

      目前,金屬復合無縫管的冷成型方法有兩種:內脹式和外縮式。①脹內式,即將兩種材料的無縫管相互插入(如外管采用普通普碳鋼無縫管,內金屬管采用薄壁不銹鋼管),對內管施加高壓,使內無縫管發生塑性變形,外無縫管僅發生彈性變形,使內管和外管緊密結合,形成雙金屬復合無縫管。②外徑縮徑型,即仍然使用兩種材料的無縫管相互磨損,通過縮徑拉拔或軋制外管,使內管和外管緊密結合,形成雙金屬復合無縫管。上述兩種工藝生產的金屬復合無縫管的缺點在于:生產成本高,內外管都必須使用現成的熱軋或冷拔無縫管,后續的內擴或縮徑工藝大大增加了制造成本;以上兩種無縫管都不是完全的金屬復合,兩層金屬之間沒有冶金熔合。在軸向力的條件下,金屬的內外層很難傳遞和平衡外力。在需要傳熱的應用領域,由于金屬內外層之間的間隙,熱阻會大大增加。

      2.2熱成型方法

      熱成型制造工藝包括熱軋和熱擠壓。前者主要適用于有縫復合管的生產,后者適用于無縫復合管的生產。

      軋制是制備復合金屬的傳統方法。熱軋本質上是壓力焊接。如果變形足夠大,軋輥施加的壓力會破壞金屬表面的氧化膜,使表面與原子接觸,使兩個表面焊接在一起。滾動的優點和缺點是:

      優點:生產率高、質量好、成本低,并能大大節約金屬材料的損耗,因此是目前廣泛應用的復合材料生產技術。軋制復合板占復合板總產量的90%,常用于加工壁厚小于32mm的管材。

      ②缺點:一次性投入大,很多材料組合無法通過碾壓復合實現。目前廣泛采用軋制工藝制造碳鋼和不銹鋼接頭復合管。

      一般對雙金屬管坯進行熱擠壓,稱為共擠。復合擠壓是目前生產不銹鋼和高鎳合金無縫復合管的好方法。日本制鋼所用這種方法生產直徑小于8英寸(203.2毫米)的雙金屬復合管。它是將兩種以上金屬組成的大直徑復合材料坯料加熱到1200℃左右,然后通過模具和芯棒形成的環形空間擠壓。當擠壓坯料的截面縮小到10: 1時,較高的擠壓壓力和溫度會在界面處產生“壓焊”的焊接效應,促進界面間的快速擴散和廣泛結合,實現界面的冶金結合。擠壓前復合管坯的制造方法有三種:鍛坯熱穿孔和擴大擠壓;直接離心旋轉鑄造;使用耐腐蝕的粉末顆粒。還有叫“nuval”的工藝,內部和外部的金屬原料都是粉末,可以開發新的合金,但是粉末的制備成本太高。復合擠出的優點和缺點是:

      ①優點:界面為冶金結合;擠壓過程中所涉及的力完全是壓應力,因此它特別適合于加工熱加工性差和塑性低的高合金金屬。

      ②缺點:由于擠壓時結合是由元素界面在極短時間內的擴散決定的,所以通常會受到氧化膜存在的影響。因此,目前復合擠壓僅限于碳鋼、不銹鋼和高鎳合金的復合。需要指出的是,熱擠壓的變形阻力小,使得每次變形程度大,導致表面粗糙度高。因此,還有一種通過熱擠壓接著冷軋(或冷拔)來制造復合管的方法。

      2.3離心鑄造和離心鋁熱劑法

      離心鑄造是為適應海上油氣生產而發展起來的,適用于制造內層金屬熔點低于外層金屬熔點的復合管。襯里和基底由液態金屬制成。用于制造外管的熔融鋼被引入到旋轉的金屬模具中,并且在外管凝固期間監控管中的溫度。當外管凝固達到一定溫度后,澆注耐腐蝕合金等內層金屬。通過控制澆注條件,可以生產出冶金結合牢固的雙金屬復合管。

      用液態金屬進行表面熔覆時,離心技術可以消除復合層中的氣孔和夾雜物。此時,熔融金屬中密度低的熔渣、雜質和氣體上升到表面,而較重的金屬成分下沉,在管壁上形成致密層,從而提高沉積的質量和再現性。因此,其優點和缺點是:

      (1)優點:界面冶金結合,密度高,排渣排氣好。

      ②缺點:如果沒有后續的熱變形,只能鑄態使用,其粗大的鑄態組織會導致各層金屬的力學性能不能充分發揮。另外,這種方法不能生產外層為輕合金的復合鋼管。

      離心鋁熱劑法也叫shs離心法,SHS是自蔓延高溫合成的縮寫。離心鋁熱法的本質是在離心力場中引起鋁熱反應。所謂鋁熱反應,就是鋁粉和其他金屬氧化物粉末均勻混合在一起點燃時發生的一種非常迅速的放熱反應(mo+al→m+al2o3+q)。絕熱反應溫度可以接近3000k,所以產物都是液態。在離心力的作用下,比重較大的產品,如鐵、鉻、鎳等。集中在碳鋼管的內壁附近,形成金屬襯里層。Al2o3形成最里面的殘渣,用機械方法除去,制備雙金屬復合鋼管。

      2.4離心鑄造+熱擠壓(熱擠壓+冷軋)法

      “離心鑄造+熱擠壓”是一種新的短流程復合管制備方法。通過離心鑄造生產中空復合管坯,然后通過加熱、熱擠壓或熱擠壓冷軋以及后續熱處理獲得成品復合管。有效集成了離心鑄造和熱擠壓的優點,縮短了生產流程,實現了復合界面的完全冶金結合。它的獨特之處在于將初級工業材料與高科技冶金處理工藝相結合,采用離心鑄造工藝、熱擠壓等塑熱復合技術和冷軋(或冷拔)生產方法,獲得高質量的復合管。

      2.5爆炸焊接成型方法

      爆炸成型過程是依靠炸藥爆炸產生的沖擊波,使內管發生塑性變形,緊貼外管,從而形成復合管。通過爆炸成型,涂層可以小于0.2毫米,熔化率可以達到5%。涂層致密,產品適用性廣。另外,爆炸焊接可以用來連接各種金屬,有些是其他方法無法實現的。這種方法的主要缺點是界面非擴散冶金結合,使得長尺寸復合管的爆炸量難以準確確定,且具有危險性。

      2.6粉末冶金法

      碳鋼或類似材料制成的母管與金屬薄壁管之間加有粉末填充層,兩端分別用底板密封。在預定溫度下加熱,然后熱擠壓形成復合鋼管。酸洗去除底板和金屬薄壁管。根據不同的應用,復合層可以是外層或內層。

      2.7激光熔覆法

      大功率激光設備用于鋼管涂層。合金粉末由自動送料器送到主管的激光束照射區。當激光束熔化工件表面的粉末和薄層后,就可以用螺旋涂敷法將整個鋼管完全涂敷,制成雙金屬復合管。


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