馬海寬，李培力，隋 健，寇永樂(lè)，劉慧超，高尚暉

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司 金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032)

關(guān)于液脹成形技術(shù)是雙金屬?gòu)?fù)合管發(fā)展趨勢(shì)的探討

馬海寬，李培力，隋 健，寇永樂(lè)，劉慧超，高尚暉

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司 金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032)

雙金屬?gòu)?fù)合管在高腐蝕性油氣田得到了廣泛應(yīng)用。通過(guò)對(duì)各種成形方式的介紹和各自優(yōu)缺點(diǎn)的分析，證明液脹成形方式相比其他方式具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，且實(shí)際應(yīng)用效果良好。隨著液脹成形技術(shù)的完善，其必將成為未來(lái)雙金屬?gòu)?fù)合管的主要成形方式。

雙金屬?gòu)?fù)合管；液脹；成形

0 引言

隨著國(guó)際經(jīng)濟(jì)的飛快發(fā)展，各國(guó)對(duì)能源的需求日益增多，且呈現(xiàn)出急劇增長(zhǎng)的現(xiàn)狀，因此，各國(guó)都加大了石油、天然氣的開(kāi)采力度，油氣輸送管道作為石油和天然氣的一種經(jīng)濟(jì)、安全、不間斷的長(zhǎng)距離輸送工具得到了迅速發(fā)展，已成為與鐵路、公路、水路和航空并列的五大運(yùn)輸行業(yè)之一。但油氣開(kāi)采環(huán)境逐漸惡劣，油氣中高腐蝕介質(zhì)的含量日益增大，特別是容易開(kāi)采的油田已開(kāi)發(fā)殆盡，越來(lái)越多的新油氣田含有高量的二氧化碳、硫化氫及元素硫等腐蝕介質(zhì)，造成傳統(tǒng)的集輸管道出現(xiàn)腐蝕、結(jié)蠟、結(jié)垢等現(xiàn)象，且危害出現(xiàn)的次數(shù)越來(lái)越多，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)影響嚴(yán)重，甚至?xí)斐缮a(chǎn)事故。雙金屬?gòu)?fù)合管材正是為了滿足上述要求而誕生的。雙金屬?gòu)?fù)合管由兩種不同的金屬管材制成，管層之間通過(guò)各種變形和連接技術(shù)形成緊密結(jié)合，其繼承了兩種金屬管材各自的優(yōu)點(diǎn)，具有高強(qiáng)度、高剛度、耐腐蝕等性能[1]。當(dāng)前復(fù)合管制備工藝有多種方式，主要是通過(guò)局部或整體塑性成形來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)合。本文將對(duì)各成形方式進(jìn)行介紹。

1 雙金屬?gòu)?fù)合管主要成形方式

(1) 離心澆鑄法。該方法是在熔融金屬與固體金屬相互作用的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)結(jié)合。離心澆鑄法的工藝流程如圖1所示。離心澆鑄是當(dāng)鑄模旋轉(zhuǎn)時(shí)向其中澆鑄金屬，形成不同金屬層，或者將熔化的覆層金屬澆鑄到經(jīng)加工并預(yù)熱到給定溫度的基層金屬上。當(dāng)前離心澆鑄技術(shù)可以成形的復(fù)合管規(guī)格范圍為Φ83 mm～Φ900 mm、Φ10 mm～Φ250 mm 。如果與熱、冷變形相配合，可以生產(chǎn)外徑為Φ6 mm～Φ550 mm、壁厚為1 mm 的復(fù)合鋼管。

圖1 離心澆鑄法的工藝流程

(2) 機(jī)械旋壓法。其成形過(guò)程是將穿好的復(fù)合管坯旋轉(zhuǎn)，3個(gè)錐形的旋輪反向旋轉(zhuǎn)并推進(jìn)，此時(shí)不銹鋼管均勻地貼于基層碳鋼上[2]。該方式制造的管徑范圍小，效率較低，難以加工大口徑復(fù)合管，而且層間界面機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度低。圖2為機(jī)械旋壓成形示意圖，包括傳動(dòng)系統(tǒng)和滾壓器，其中傳動(dòng)系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)部分和進(jìn)給部分，滾壓器包括芯軸、滾動(dòng)體、鎖緊螺母、滾柱、調(diào)節(jié)墊片。芯軸的一端直徑比另一端大，形成一定的錐度；調(diào)節(jié)墊片放置在芯軸直徑大的一端；滾柱為圓柱形，內(nèi)扣在滾動(dòng)體內(nèi)；滾動(dòng)體的四周均布使?jié)L柱不脫落的槽，此槽與滾動(dòng)體軸向成一定的角度；滾動(dòng)體和滾柱的組合體套在芯軸上，并用鎖緊螺母鎖緊。

(3) 機(jī)械拉拔法。該方法是將內(nèi)襯合金管與基層碳鋼管穿好，形成同軸心的管坯，然后將模具裝在基管上進(jìn)行拉拔，實(shí)現(xiàn)基管和內(nèi)襯管的緊密配合，如圖3所示。

(4) 復(fù)合擠壓法。該方法是將兩種或兩種以上的金屬組成的大直徑復(fù)合管坯料進(jìn)行加熱，溫度控制在1 200 ℃附近，然后通過(guò)由模具和心軸組成的環(huán)狀空間進(jìn)行擠壓[3]，通過(guò)擠壓壓力和溫度的作用使管坯界面處形成“壓力鍛”的焊接效應(yīng)，形成冶金結(jié)合的復(fù)合擠壓管，如圖4所示。

圖2 機(jī)械旋壓法示意圖

圖3 機(jī)械拉拔示意圖

1-壓頭;2-心軸;3-坯料;4-模具;5-復(fù)合擠壓管

(5) 爆炸成形法。該方法是通過(guò)炸藥爆炸形成的高能量沖擊波，實(shí)現(xiàn)兩金屬管材接觸面間固相焊接的方法[4]。其先把基管和內(nèi)襯管穿好，然后將適量的炸藥放置內(nèi)襯管材內(nèi)，點(diǎn)燃炸藥，依靠炸藥產(chǎn)生的沖擊波使內(nèi)襯管發(fā)生塑性變形緊貼在外管上。

(6) 耐蝕合金復(fù)合板卷焊制管法。該方法是一種將耐蝕合金復(fù)合板成型、焊接制造復(fù)合管的方法[5]。對(duì)于較大直徑復(fù)合管，以軋制復(fù)合板或爆炸復(fù)合板或爆炸+軋制復(fù)合板為原料，通過(guò)JCO機(jī)組成型，最后通過(guò)專用焊接設(shè)備焊接成復(fù)合管。

(7) 液壓脹形法。該方法先將基管和襯管套在一起，向襯管內(nèi)充入高壓液體，隨著管內(nèi)壓力升高，內(nèi)襯管先發(fā)生彈性變形再發(fā)生塑性變形，最終緊貼基管。當(dāng)內(nèi)襯管內(nèi)水壓壓力升高到一定值時(shí)，基管在內(nèi)襯管的作用下也發(fā)生彈性變形，當(dāng)基管達(dá)到最大彈性變形時(shí)，卸載壓力，內(nèi)襯管和基管都會(huì)發(fā)生回彈，當(dāng)基層管彈性回復(fù)能力大于內(nèi)襯管的彈性回復(fù)能力，則內(nèi)管、基管緊密結(jié)合，其主要過(guò)程如圖5所示。

2 雙金屬?gòu)?fù)合管主要成形方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

(1) 離心澆鑄法的優(yōu)點(diǎn)是界面為完全冶金結(jié)合，生產(chǎn)流程短，生產(chǎn)率高[6]。其主要缺點(diǎn)是：①鑄造時(shí)液態(tài)金屬相互沖刷和拌合會(huì)形成過(guò)渡層，使得外層碳鋼在不銹鋼中稀釋會(huì)降低不銹鋼的防腐性能；②擠壓和軋制時(shí)由于不銹鋼和碳鋼的變形溫度不同而引起的流動(dòng)性差異使得內(nèi)覆層不銹鋼的薄厚不均，影響防腐性能；③兩種材料的熱處理方式不同，在處理時(shí)不好兼容，兩種材料的性能不能充分利用，防腐效果不佳；④需要的設(shè)備過(guò)多，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，造價(jià)高。

圖5 液壓脹形過(guò)程示意圖

(2) 機(jī)械旋壓法的成形范圍小，生產(chǎn)效率低，難以加工大口徑鋼管，且層間界面緊密程度低。

(3) 機(jī)械拉拔法的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格較便宜。缺點(diǎn)是管材的表面與模具的表面全部接觸，在成形時(shí)摩擦阻力過(guò)大，因此需要的成形力大，能耗高；同時(shí)，對(duì)內(nèi)、外管質(zhì)量要求較高，當(dāng)外層鋼管內(nèi)壁有缺陷時(shí)易出現(xiàn)內(nèi)層鋼管區(qū)部變薄甚至斷裂的情況，成品軸向應(yīng)力大使得防腐性能降低，成品率較低。

(4) 復(fù)合擠壓法的優(yōu)點(diǎn)是界面能夠達(dá)到冶金結(jié)合；擠壓過(guò)程基礎(chǔ)面間全部是壓應(yīng)力。缺點(diǎn)是復(fù)合擠壓僅限于碳鋼、不銹鋼和高鎳合金等金屬間的復(fù)合；熱擠壓表面粗糙度較高；管端壁厚均勻性較差[7]。

(5) 爆炸成形法的優(yōu)點(diǎn)是界面為冶金結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)多種金屬間的連接；覆層厚度最小可達(dá)0.2 mm，熔合比最小可達(dá)到5%。缺點(diǎn)是界面不平整呈鋸齒狀，如果復(fù)合管長(zhǎng)度較大，對(duì)炸藥量要求更高，危險(xiǎn)性增加；生產(chǎn)率低；生產(chǎn)場(chǎng)地要求高。

(6) 耐蝕合金復(fù)合板卷焊制管法的優(yōu)點(diǎn)是界面為冶金結(jié)合，全長(zhǎng)壁厚均勻，可實(shí)現(xiàn)大直徑薄壁冶金復(fù)合管的生產(chǎn)。缺點(diǎn)是生產(chǎn)率相對(duì)較低，生產(chǎn)成本高，焊縫性能控制難度大。

(7) 液壓脹形法，成形的復(fù)合管層間接觸壓力分布較為均勻，且易于控制；內(nèi)襯管內(nèi)表面無(wú)擦傷和破壞現(xiàn)象，且無(wú)加工硬化現(xiàn)象；復(fù)合精度高、自動(dòng)化程度高；工藝可以適應(yīng)較大的管徑范圍，管體質(zhì)量好；投資規(guī)模相對(duì)較小，成本低，投資回報(bào)期短，生產(chǎn)環(huán)境好。缺點(diǎn)是機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度受溫度等因素影響，不易于管件制作。

3 雙金屬?gòu)?fù)合管的應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前，隨著環(huán)保要求的提高以及油氣開(kāi)采及輸送環(huán)境惡化的影響，雙金屬?gòu)?fù)合管得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003標(biāo)準(zhǔn)的材質(zhì)選擇建議，油氣田及高溫、高壓、高腐蝕性工況環(huán)境將是未來(lái)雙金屬?gòu)?fù)合管的主要應(yīng)用領(lǐng)域。

通過(guò)以上的分析對(duì)比可知，液脹成形雙金屬?gòu)?fù)合管防腐性能優(yōu)良，成本相對(duì)較低，管體質(zhì)量好，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可，發(fā)展迅速。而其他成形方式，由于各自的缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中效果不佳，逐步被液脹成形雙金屬?gòu)?fù)合管所取代。因此，液脹成形雙金屬是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

當(dāng)前，由中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司研制的液脹成形雙金屬?gòu)?fù)合管技術(shù)及設(shè)備在國(guó)內(nèi)得到了用戶的一致認(rèn)可，其研發(fā)的液脹成形雙金屬?gòu)?fù)合管結(jié)合力更高，表面質(zhì)量更好，實(shí)際應(yīng)用效果良好，且投資小，不久將成為我國(guó)雙金屬?gòu)?fù)合管技術(shù)和設(shè)備的主要供貨商。

4 結(jié)論

雙金屬?gòu)?fù)合管液脹成形技術(shù)相比其他成形方式優(yōu)勢(shì)明顯，且實(shí)際應(yīng)用效果良好，成本低，必將成為未來(lái)雙金屬?gòu)?fù)合管的主要成形方式。

[1] 趙衛(wèi)民.金屬?gòu)?fù)合管生產(chǎn)技術(shù)綜述[J].焊管,2003,26(3):11-13.

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[3] 曹曉燕,鄧娟,上官昌淮,等.雙金屬?gòu)?fù)合管復(fù)合工藝研究進(jìn)展[J].鋼管，2014(2):11-16.

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Discussion on Development Trend of Hydraulic Forming Technology for Clad Tube

MA Hai-kuan, LI Pei-li, SUI Jian, KOU Yong-le, LIU Hui-chao, GAO Shang-hui

(State Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology, China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd., Xi’an 710032, China)

Clad tube is widely used in the high corrosive gas fields.This paper introduces the advantages and disadvantages of various forming patterns of clad tube, and shows the hydraulic expansion is the best forming method and the practical application effect is good. With the hydraulic forming technology improvement, it will become the main forming way of clad tube in the future.

clad tube; hydraulic expansion; forming

1672- 6413(2015)06- 0215- 02

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2013KTCL01-01)；中國(guó)機(jī)械工業(yè)集團(tuán)有限公司科技發(fā)展基金項(xiàng)目

2015- 02- 25；

2015- 10- 11

馬海寬(1986-)，男，河北唐山人，工程師，碩士，長(zhǎng)期從事油氣輸送裝備與工藝的研究。

TE973

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