王永飛，趙升噸，張晨陽

（西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安710049）

0 引言

近年來，隨著世界能源需求的日益增長，國內外都在加大開采石油、天然氣的力度，同時油氣田開采逐漸向深井、高腐蝕環(huán)境方向發(fā)展，而傳統(tǒng)的管材逐漸不適應高腐蝕油氣的輸送，且采用耐腐蝕合金成本昂貴，于是雙金屬復合管材應運而生。與傳統(tǒng)單一金屬材料比，雙金屬管材具有良好的強度和耐腐蝕性，且成本低，故對于輸送混合氣液有廣泛的應用前景。

雙金屬復合管由兩種不同的金屬管材構成：一種管材在內，另一種管材在外，內管為耐腐蝕性合金，外管為高強度碳鋼管材，而管層間通過各種變形和連接技術形成緊密結合，按管層間的結合方式，可將其分為機械復合式和冶金復合式兩種。

1 雙金屬復合管成形機理及過程

1.1 機械復合成形機理及過程

雙金屬復合管的機械復合成形是依據(jù)材料的彈塑特性進行的[1，2]，圖1 所示為以316L 不銹鋼內管和X52 無縫鋼外管進行內外管復合時的應力-應變示意圖，內外管裝配間隙的存在使外管的應力-應力曲線起點右移至A 點，內管在壓力的作用下率先變形，當變形量達到ε0時，內管的外壁與外管的內壁開始接觸，并繼而導致外管內壁變形，在其后的變形過程中，內管與外管同時變形，當內管、外管的變形量達到εx時變形結束；此時，外管仍保持在彈性形變的范圍之內，而內管發(fā)生完全塑性變形；當壓力卸載以后，由于外管的內應力δC遠大于內管的內應力δE，且內管的彈性回復量幾乎為零，兩管之間形成脹緊力及殘余接觸壓力，最終內、外管處于過盈配合狀態(tài)下，形成緊密的機械結合。

圖1 內外管復合時的應力-應變示意圖

1.2 冶金復合成形機理及過程

雙金屬復合管進行冶金復合的機理可分為熔融結合與擴散結合兩類[3]，熔融結合即內、外管材料的熔融金屬在液相混合凝固而形成冶金結合；擴散結合即在較高的溫度下，使內、外材料產生較大的塑性變形，金屬越過結合界面進行擴散而形成冶金結合。

2 機械復合成形工藝

2.1 機械拉拔法

機械拉拔法可分為兩種：一種是擴徑擠壓拉拔法[4]，如圖2 所示，進行擴徑拉拔時，內管和外管在拉擠模的作用下發(fā)生脹形擴徑，進而實現(xiàn)管層的緊配合；另一種是縮徑拉拔法[5]，如圖3 所示，進行縮徑拉拔時，管坯在夾頭的作用下，通過成形模具，內外管同時發(fā)生縮徑變形，進而實現(xiàn)管層的緊配合。其優(yōu)點是工藝簡單，成形效率高；缺點是結合強度低，在高溫狀態(tài)下復合管會分層。

2.2 機械滾壓法

機械滾壓法[6]的原理如圖4 所示，通過心軸的回轉帶動滾動體不斷擠壓復合管的內壁，其周向分布的滾動體能隨時自動進行徑向位移補償，同時將滾壓力保持穩(wěn)定或基本穩(wěn)定的狀態(tài)，促使內管產生徑向擴脹的塑性變形，從而實現(xiàn)內外管間產生殘余接觸應力的緊密機械結合[7]。其優(yōu)點：摩擦阻力小、能耗低，驅動功率低；缺點：易造成內管壁變薄、嚴重時導致內管開裂，且易在內管形成加工硬化。

2.3 機械旋壓法

機械旋壓法的原理如圖5 所示，主軸帶動組合在芯棒上的復合管坯旋轉的同時，三個呈錐形狀的旋轉輪反方向地旋轉并前進，使外層的碳鋼管均勻地貼在不銹鋼管之上，形成靜配合細螺紋狀的連結。其優(yōu)點：工藝簡單，成形效率高[8]；缺點：加工大管徑復合管比較困難，且管層界面間的機械結合強度較低，易發(fā)生結合界面分離或脫落等現(xiàn)象。

2.4 液壓脹形法

液壓脹形法的原理如圖6 所示，先將內、外管套在一起放入模具，然后對內管壁加內壓，隨著內壓升高，內管由彈性變形逐漸進入塑性變形，并貼緊外管，當內壓力升高到一定值時，外管將產生彈性變形并貼緊模具，當內壓力卸除后，外管回彈，內管保持塑性變形，則內外管緊密結合在一起[9]。其優(yōu)點：工藝簡單，逐漸加壓成形，管壁界面的接觸壓力分布均勻，管內表面無擦傷或破壞現(xiàn)象。缺點：內外管結合力較小，高溫下易產生應力松弛，此外，裝置結構復雜，對密封技術要求非常高。

圖2 擴徑擠壓拉拔法原理示意圖

圖3 縮徑擠壓拉拔法原理示意圖

圖4 機械滾壓法原理示意圖

圖5 機械旋壓法原理示意圖

圖6 液壓脹形法原理示意圖

2.5 抽真空法

抽真空法[10]的原理如圖7 所示，先對內、外管端面處連接縫進行封焊形成焊縫圈，且在復合管上有氣孔與封閉的兩管夾層空間連通，隨后，通過氣孔對夾層抽真空后再封焊氣孔，則內、外管將在大氣壓的作用下緊密結合。優(yōu)點：工藝簡單，成本低廉，復合管質量好，壽命長。缺點：界面的結合主要靠大氣壓的壓力擠壓而成，所以結合強度有限。

圖7 抽真空法原理示意圖

3 冶金復合成形工藝

3.1 熱加工法

熱加工法包括熱擠壓與熱軋，其基本原理是金屬管層在大的擠壓比下或軋制量下，露出大量新鮮表面，在熱的條件下擴散，實現(xiàn)管層間的冶金結合。

3.1.1 熱擠壓復合法

熱擠壓復合法也稱為復合擠壓法[11]，如圖8 所示，其原理是將兩種或兩種以上金屬[12]組成的復合管坯料加熱到一定溫度，然后通過模具及心軸并在壓頭的作用下對其進行擠壓，則當擠壓坯料截面縮減到一定尺寸時，將在結合處產生“壓力鍛”的焊接效應，進而形成冶金結合的熱擠壓管[13]。其優(yōu)點：界面為完全的冶金結合，特別適用于熱加工性能不好、塑性低的高合金金屬的加工；缺點：由于結合質量決定于擠壓過程中極短時間內界面間元素的擴散，故會因氧化物膜的存在而受影響。

圖8 熱擠壓法原理示意圖

3.1.2 熱軋復合法

熱軋復合法一般是先通過軋制工序施加足夠的力使復合板產生足夠的變形，破壞金屬表面的氧化膜，實現(xiàn)兩表面的焊接[14]，制備出具有冶金結合的復合板，之后利用焊管機得到雙金屬復合管。如圖9 所示為一種用軋制法制備覆銅鋼雙金屬管的方法[15]，將表面處理干凈的銅帶，壓制成“U”型并包覆在處理干凈的鋼材上，經熱軋、剪切成帶材并卷成盤帶、酸洗后冷軋、光亮退火后剪成所需要直徑與寬度的管坯帶，并將坯帶的兩側軋制坡形搭接口，卷曲成形，定尺剪切，再在釬焊爐內進行釬焊、冷卻、出爐、矯直。其優(yōu)點：結合強度高，工藝簡單，生產效率高、成本低；缺點：一次性投資大，材料選擇范圍小，溫度升高對材料性能有一定影響。

圖9 軋制法制備覆銅鋼雙金屬管示意圖

3.2 熱擴散法

熱擴散法成形的原理：如圖10 所示，向已產生物理接觸的雙層管的內管中放入膨脹介質并將其兩端焊接密封后，放在箱式電阻爐中進行擴散退火，則在內壓力和熱激活的促進作用下，金屬原子或將通過化學鍵而結合在一起，或將穿過結合面進一步深入基體中進行相互擴散，從而形成冶金結合[16]。其優(yōu)點：工藝簡單、加熱溫度低，且制備的復合管尺寸精度高；缺點：保溫時間長，成形效率較低。

圖10 熱擴散法原理示意圖

3.3 鑄造復合法

3.3.1 離心鑄造法

離心鑄造法[17]的原理如圖11 所示，利用離心鑄造技術，分層澆鑄不同成分的金屬液，將內外金屬的熔合層控制在一定厚度范圍內，形成完全的冶金熔合[18]。其優(yōu)點：工藝過程簡單，成形的復合管組織細密，夾雜物含量少，且具有較好的機械性能；缺點：鑄件易產生偏析、鑄件表面較為粗糙。

圖11 離心鑄造法原理示意圖

3.3.2 離心鋁熱法

離心鋁熱法[19]的實質是在離心力作用下發(fā)生的鋁熱反應，如圖12 所示，其原理是：將一定比例的鋁粉和其他金屬粉末均勻混合后填充在碳鋼管中，然后將管子放在離心機上進行高速旋轉，在離心力的作用下，粉末在管的內表面形成均勻的涂層，隨后點燃使其發(fā)生化學反應，反應產生的高溫使與內表面接觸的涂層被熔化，這些涂層與外管形成緊密結合的涂敷層。其優(yōu)點：在離心力場中引起鋁熱反應形成復合管，工藝簡單，成本較低，結合力高；缺點：鋁熱反應產生的氧化鋁會影響復合管端口的焊接性能。

圖12 離心鋁熱法制備雙金屬復合管示意圖

3.3.3 消失模真空吸鑄法

消失模真空吸鑄法[20]成形的原理如圖13 所示，將用聚苯乙烯泡沫塑料制成內管的模型管放入外管，在模型管內壁上刷一層耐火涂料并烘干，安裝澆注系統(tǒng)，將它們埋入砂型后澆注耐磨材料，即可制成內管為耐磨材料的雙金屬復合管。優(yōu)點：可制造不同管徑、壁厚及形狀的各類雙金屬復合管。缺點：鑄造的內管表面較為粗糙，且污染環(huán)境。

圖13 消失模真空吸鑄法原理示意圖

3.4 焊接復合法

3.4.1 爆炸焊接法

爆炸焊接法是依靠炸藥爆炸產生足夠的沖擊力使兩復合表面形成固相焊接的[21]，可分為兩種：一種是間接法，即先通過爆炸焊接法得到兩種金屬的復合板，再經過熱軋、冷軋等工藝形成復合帶，最后利用焊管機得到雙金屬復合管[22～24]；另一種是直接法，如圖14 所示，先把外管和內管組裝成復合管坯，通過管內炸藥爆炸所產生的沖擊波在十分短暫的過程中使被焊金屬表面形成一層薄的具有可塑性變形、熔化、擴散以及波形特征的焊接過渡區(qū)，從而實現(xiàn)外管和內管的復合[25]。其優(yōu)點：一次性瞬間成形，工藝簡單，爆炸成形各點壓力基本相同，結合強度高，適用材料范圍較廣；缺點：存在化學污染、噪聲污染且比較危險，對精確計算炸藥用量需要相當?shù)慕涷灐?/p>

圖14 爆炸焊接法示意圖

3.4.2 堆焊復合

堆焊[13]是采用特殊的工藝例如熔焊、熱噴涂、噴熔等方法[26，27]，將滿足性能要求的金屬熔化，并使其在工件表面堆敷的工藝過程，可分為硬質堆焊法和金屬噴射沉積法兩種。

硬質堆焊法是通過熔化技術將一種金屬熔敷在另一種金屬表面上。其優(yōu)點：堆焊層結合強度高、殘余應力小、表面質量優(yōu)良；缺點：成本高，速度較慢，難以堆焊結構復雜的工件。

金屬噴射沉積法如圖15 所示，是將金屬熔體霧化后噴射到金屬表面，利用霧化金屬液高速凝固、快速冷卻及液滴的撞擊作用，獲得細小、無宏觀偏析的沉積顯微組織。其優(yōu)點：工藝簡單、效率高、周期短；缺點：不易控制，如何控制霧化顆粒到達基體表面的狀態(tài)及半凝固液層的厚度是關鍵[28]。

3.4.3 中頻感應加熱釬焊法

中頻感應加熱釬焊法[29]成形原理如圖16 所示，復合過程中管內通以氬氣作為保護氣體，鋼管沿感應線圈軸向連續(xù)進給，進入感應線圈段時，釬料被加熱熔化，釬料與管間隙兩側的材料發(fā)生反應，釬料熔化段移出線圈加熱段后，在冷卻水的作用下迅速凝固，從而形成管層的冶金結合[30]。其優(yōu)點：在外管與內管間形成一層釬焊，填滿層間間隙，使外管和內管之間形成了100%的冶金結合；缺點：中頻感應加熱過程中的能耗較大。

圖15 金屬噴射沉積法原理示意圖

圖16 中頻感應加熱釬焊法原理示意圖

3.5 電磁成形法

電磁成形法[31]是利用瞬間高壓脈沖磁場迫使金屬產生塑性變形，其原理如圖17 所示，當給線圈通高頻脈沖電流時，由電磁感應現(xiàn)象，放置在線圈外的管材表面各部分將受到洛侖磁力巨大的沖擊作用，在幾微秒內就和另一管材進行撞合，且在撞擊角度和撞擊速度匹配合適的條件下，接觸面將在幅值巨大的磁壓力作用下緊密結合，形成冶金連接。其優(yōu)點：能量控制準確，重復率好，工裝簡便，效率高；缺點：僅適于加工銅或鋁等強度低、導電性能好的金屬，且現(xiàn)有的設備裝機容量太小。

圖17 電磁成形法示意圖

3.6 粉末冶金復合法

粉末冶金復合法是將兩種合金粉先后充填在鋼制容器內形成兩層粉末管坯，加蓋焊封，用熱等靜壓提高容器內粉末的充填密度，再將管坯加熱進行熱擠壓，用酸洗等方式除去外側作為容器部分的鋼，便制成了金屬復合管，其工藝流程[32]如圖18 所示。其優(yōu)點：成形件組織均勻，機械性能好，可實現(xiàn)近凈成形，能大大節(jié)約金屬；缺點：制備的復合管內部存在孔隙，進行小批量生產時，成本較高。

3.7 冷加工擴散退火法

冷加工擴散退火法的工藝流程[33]如圖19 所示，先將不同材質的管坯分別制成冷軋或冷拔無縫管，再在內層管坯的外側纏繞一層低熔點中間層薄帶，經冷拔后，進行高溫擴散退火。其優(yōu)點：結合邊界明顯且均勻，結合強度高；缺點：生產周期長，消耗能量大，成本較高。

3.8 冶金熔合離心坯擠壓法

圖18 粉末冶金復合法工藝流程

圖19 冷加工擴散退火法工藝流程

冶金熔合離心坯擠壓法的工藝原理[34]：先通過離心鑄造法制備具有冶金熔合層的空心雙金屬復合坯，然后將其加熱并在擠壓筒內鐓粗，再由擠壓桿推動復合坯通過外膜和芯棒擠壓成復合管，其具體工藝如圖20 所示。其優(yōu)點：縮短了工藝流程，降低了成本，實現(xiàn)了界面完全冶金結合[35]；缺點：在制備過程中存在管坯壁厚不均、澆注時間控制不當時易出現(xiàn)金屬的混熔或分層、后續(xù)加工過程中復合管坯金屬使用率低。

圖20 冶金熔合離心坯擠壓法工藝流程

4 結論

（1）機械復合成形的雙金屬復合管，其成形機理通常都是內管產生塑性變形、外管產生彈性變形來實現(xiàn)復合的，結合面存在局部間隙，因而結合強度較低，在使用過程中可能會出現(xiàn)界面分離等現(xiàn)象。但是機械復合成形工藝簡單，容易實現(xiàn)，所以在對復合管的界面結合強度要求較低的情況下，機械復合成形工藝具有很好的應用價值。

（2）冶金復合成形的雙金屬復合管，其成形機理包括熔融結合和擴散結合兩類，熔融結合即內、外管材料的熔融金屬在液相混合凝固而形成的冶金結合；擴散結合即在較高的溫度下，使內、外材料產生較大的塑性變形，金屬越過結合界面進行擴散而形成的冶金結合。復合管的界面形成冶金結合后，具有良好的工藝性能，能夠進行各種冷、熱壓力加工成形，因此，隨著社會需求越來越大，冶金結合式復合管以優(yōu)良的綜合性能將被廣泛使用，將成為未來金屬復合管研究和制造的主流。

（3）機械復合成形工藝簡單，容易實現(xiàn)；冶金復合成形的復合管綜合性能優(yōu)良，具有良好的工藝性能，能夠進行各種冷、熱壓力加工及焊接成形。所以，隨著制造方法的不斷創(chuàng)新和完善，高性能雙金屬復合管的制造及使用前景必將更加寬廣。

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