雙金屬管件加工技術

王 京

（新疆石油工程建設有限責任公司，新疆克拉瑪依 834000）

0 前言

在油氣田地面建設中，對于高壓，含S、CO2等高腐蝕性介質的管件的選擇涉及到抗腐蝕性能和強度性能的結合，采用不銹鋼純材造價較高，而碳鋼純材的耐腐蝕性差，與連接處雙金屬復合管管段壁厚差較大，這對現場焊接造成較大難度，且較大的壁厚差易造成結構上的應力集中。因此，實際應用時選擇雙金屬復合管管件有較大的難度。

1 復合管管件制造現狀

隨著雙金屬復合管制造技術的發展，國內復合管制作技術主要包括液壓法、熱擠壓法、爆炸焊接法、復合板焊接法、粉末冶金法、離心鑄造或離心鋁熱法、噴射成型法、堆焊法等。但其中大部分復合管復合方式仍然為機械式復合，現有的機械式結合復合管基層和復合層材質強度和熱膨脹系數差異較大，存在一定間隙，在端部形成交變應力狀態，管材制造工藝無法實現彎管、三通等管件的制作。

隨著雙金屬復合管的應用，雙金屬復合管管件的制作技術也將成為復合管推廣應用的關鍵技術環節。近年來，我國油氣市場迅速擴展，隨著西氣東輸管網和從俄羅斯進口天然氣管道的建設,保證平穩供氣和國家戰略需要，中國在2012年由國家發改委出臺的天然氣發展“十二五規劃”明確提出加強天然氣管網、液化天然氣接收站及儲氣工程等基礎設施建設。因此，21世紀前期仍然是我國油氣儲運發展的戰略機遇期，也是油氣儲運工程建設、油氣儲運工程技術進步的高峰期。隨著高含硫油氣資源開采及油氣高壓輸送技術的推廣，對高強度防腐蝕管材的需要更加迫切。雙金屬復合管實現了由外基管承擔承壓和管道剛性支撐、內襯管耐腐蝕，既保留了兩種不同材料內在的優點，又互補了不足。

所以雙金屬復合管件在油氣田建設領域、化工、電力等行業具有廣泛的應用前景。

2 雙金屬復合管件制造加工技術

雙金屬復合管管件無法制作原因在于雙金屬復合管結構特殊，基層與覆層之間性能差異較大，多為機械式嵌合，結合力較小，易在端部形成應力集中。因此，復合管管件制造從改變復合管結構為基準，把基覆層之間的結合由機械式嵌合變為分子結合，提出管件冶金結合方式，即使基層和復合層之間實現分子結合，形成自生梯度復合界面，最大限度地解決傳統復合方法存在的界面脫層、復合界面應力集中、管線連接部位焊縫應力集中（或內層焊縫處開裂）、耐應力腐蝕性差等問題，實現雙金屬復合管管件應用。

2.1 離心鑄造復合管件

離心鑄造復合管件的雙金屬復合管坯采用分層離心澆鑄方法制備，采用大噸位黑色金屬擠壓機（或縱軋機）將管坯熱擠壓（或縱軋）成雙金屬無縫鋼管。此外根據具體使用條件，還可進一步采用高精度冷軋管機將擠壓出的無縫鋼管軋制成精密復合管。

雙金屬復合管管件制造過程首先進行冶金式復合管的制造。將熔煉鐵水進行離心澆鑄，獲得離心管胚，將管胚進行表面加工、加熱，進行熱擠壓。在該過程中，熱擠壓（或縱軋）加工技術既促進了冶金結合，又改善了雙金屬復合管綜合性能，因為熱擠壓是在三向壓應力條件下的金屬塑性變形，是常規軋制難生產的鎳基合金首選的生產方式。擠壓產品金屬致密度高，顯微缺陷大大減輕，產品有較高沖擊性能。同時，熱擠壓過程促進了擴散結合機制的作用。最后獲得的冶金復合管可以直接利用管材制作管件，部分情況下也可現場熱煨小角度彎管管件。

2.2 內對焊復合管件

內對焊復合管件，即對現有管件（管材）用不銹鋼進行內部堆焊，實現焊口位置冶金式結合的雙金屬結構。

選取現有管件（含法蘭、三通、彎頭或直管等），將管口內雜質清理干凈，用不銹鋼焊材對管件進行內部堆焊，使內部形成一個不小于2 mm的不銹鋼層，堆焊完成后對堆焊層進行滲透檢測，檢測合格后可對內部進行切削加工，以滿足雙金屬復合管管件焊接條件；若為直管段堆焊，堆焊完成后可現場進行彎管制作等。采用該加方式加工的雙金屬復合管件，可對現場施焊過程中需要的管件及時制作，縮短訂貨周期，滿足工程施工材料要求，降低施焊難度。內堆焊直管示意如圖1所示。

3 分析及應用

離心鑄造過程中，廢品率較高，增加制作成本，且該方式需提前由廠家完成，但是制作出的復合管件，結合力強，沒有分層、內部覆層金屬分布不均勻等問題。采用離心鑄造工藝可以實現不小于φ60mm管徑管件的制造，長度限制取決于制造設備；內對焊復合管件需在工廠提前預制完成，焊接參數和精度控制要求較高，需要成熟的制作工藝、技術人員和施焊人員，制作合格率相對較高，且比離心鑄造更易實現。采用該工藝制作雙金屬管件其管徑和內堆焊長度均取決于內堆焊設備，焊接設備在能夠施焊的情況下可完成內堆焊工藝。這兩種方式均解決了雙金屬復合管原有結構上的問題，實現了雙金屬復合管管件的加工制造。

雙金屬復合管管件內堆焊技術實現了真正意義上的冶金式復合，這種結構形式解決了施工過程中雙金屬不等壁厚的焊接問題，這也是冶金式結合形式復合管件應用解決的一個根本性難題。國內雙金屬復合管覆層厚度一般為1.5～3.0 mm，按照標準要求不等壁厚焊接要求打磨平緩斜坡進行過渡，防止應力集中問題。而機械式結合雙金屬復合管管件（管）打磨后在一定范圍內沒有覆層金屬，無法保證其耐腐蝕性，且打磨后基層和覆層金屬結合部位不規則，對于焊接造成較大阻礙。而冶金式復合管件（管）可避免施焊過程中的基層和覆層分層而造成結構上應力集中問題，同時也可按照實際施焊需求加工管件，解決了雙金屬復合管件（管）不等壁厚焊接問題，可減小焊接施工難度，節約工程成本。

該結構形式也從根本上避免了雙金屬復合管基層和覆層之間封焊位置應力集中問題，保證了工程焊接質量。

4 結論

冶金復合雙金屬管管件過渡界面層具有優良的成分平滑過渡區，極大消除了應力集中現象，既可改善復合管的綜合性能，又能節約大量貴重金屬材料，大幅度降低了用戶油田建設成本。同時，克服了機械嵌套或爆炸成型復合管內外分層、管線連接部位焊縫應力集中等問題。