双金属复合管的研究与应用

□张文毓

中国船舶重工集团公司第七二五研究所河南洛阳471023

双金属复合管的研究与应用

□张文毓

中国船舶重工集团公司第七二五研究所河南洛阳471023

双金属复合管是一种由内抗腐蚀合金材料层和外碳钢材料层复合而成的新型管材，结合了外碳钢管高强度和内合金材料抗腐蚀的性能。概述了双金属复合管，介绍了其研究应用现状。

双金属复合管自2001年在我国油气田领域应用以来，以其低廉的价格、较高的承压能力和优异的耐腐蚀性能，在管材应用领域迅速扩展。复合管研发技术、制造企业数量、制造技术、制造能力、生产规模，营销队伍等，都得到了较快的发展。此外，对复合管理论和应用技术的研究也越来越多。除复合管制造企业本身外，国内外众多知名科研院校和研究机构也参与到研究队伍中来，使双金属复合管应用领域进一步拓宽。国内油气输送管线已经从陆地石油、天然气管线发展到海底管线，化工和电力行业对复合管的关注度也进一步增加。目前，国内累计应用双金属复合管近2000km。

国外复合管的发展相对较为成熟，从陆地到海洋已经得到了广泛的应用。据报道，国外双金属复合管目前在油气田应用已近20万t。德国的BUTTING公司是世界上最早开发，也是目前最知名的双金属复合管制造企业，产品成熟，技术完善，目前已累计生产机械复合管22 000 t，其中90%应用于海底管线。英国ProCLAD公司的客户主要集中在中东地区，涵盖了大部分中东国家的石油公司，如阿联酋、埃及、阿曼、沙特、卡塔尔等国的石油天然气公司。此外，美国的CLADTEK、日本的新日铁、日本钢管公司等都是国际知名的复合管制造企业[1]。

1 双金属复合管概述

双金属复合管是由外碳钢材料和内抗腐蚀合金钢材料按机械或冶金的方式制造而成的钢管，结合了外碳钢材料高强度和内合金钢材料抗腐蚀的优点。

目前，双金属复合管的复合工艺主要有机械复合和冶金复合。机械复合工艺分为液压复合、冷拔复合、爆燃复合和旋压复合等，目前以液压复合、爆燃复合和旋压复合为主，其中国内又以液压复合和爆燃复合居多。冶金复合工艺包括热挤压复合、热轧复合、离心铸造复合、爆炸焊接复合、粉末冶金复合、堆焊复合等，其中以爆炸焊接复合、堆焊复合为主。冶金复合工艺接合强度较高，但生产成本高，制作受设备限制，产品规格有限，难度较大，在一定程度上也限制了冶金复合管的应用范围。

双金属复合管自1991年首次应用于油气田以来，经过20多年的应用和研究，在石油产品输送、炼化行业应用逐渐推广，并获得了较好的评价。目前制定了一些标准规范，如美国《API Spec 5LD：2009内覆或衬里耐腐蚀合金复合钢管规范》、挪威《DNV-OS-F101：2013海底管道系统》等，为双金属复合管的应用提供了重要依据，但对于高腐蚀性等恶劣环境，双金属复合管还不能完全满足要求。国内双金属复合管研究和应用较晚，应吸取国外的研究和应用经验，进一步开展复合管的复合工艺和焊接工艺研究。双金属复合管在一些油气田的成功应用，既为复合管防腐积累了成功经验，也为恶劣环境中选用防腐措施开创了新的思路，更可以在保证防腐蚀的情况下降低工程投资，具有重要意义[2]。

2 研究现状

国内外双金属复合管的生产技术包括压法、热挤压法、爆炸焊接法、复合板焊接法、粉末冶金法、离心铸造法、离心铝热法、喷射成型法等，见表1。

国内目前主要的双金属复合管制造企业有西安向阳航天材料股份有限公司、上海海隆石油集团有限公司、成都贝根管道有限公司、河北新兴铸管股份有限公司、江苏众信绿色管业科技有限公司等，这些企业采用爆燃复合技术、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，并将自身的核心技术申请了专利保护。其中，爆燃技术是目前国内双金属复合管的主要生产方式。

表1 双金属复合管生产技术[3]

结构的特殊性及力学性能和耐腐蚀性能的双重要求使双金属复合管不能像普通管道那样进行现场焊接施工，因此焊接技术一直是双金属复合管大规模应用的障碍，双金属复合管制造企业不得不在管端结构的处理上下功夫。

双金属复合管的焊接接头结构复杂，焊接难度较大。通过对双金属复合管端面处理工艺和对接焊工艺的分析，得知端部堆焊工艺易于端部封焊工艺，但不够经济，同时指出，对于薄壁小直径双金属复合管道，宜采用合金焊体对接焊工艺；而对于厚壁大直径双金属复合管道，宜采用过渡焊方法焊接[4]。

复合管焊接的关键技术包括焊接方法的选择、焊接材料的选择、坡口形式和尺寸的设计、打底焊接工艺以及过渡焊接工艺。双金属复合管的检测技术包括无损探伤技术、通用检验技术和适应性测试技术等。

目前，只有少数国家掌握了复合管工业化生产的关键技术。国内有公司具备生产爆炸机械复合管的能力，主要产品是石油输送管和石油注水管。国内还有公司具备生产离心浇铸—挤压冶金复合管的能力。德国BUTTING公司、英国ProCLAD公司已开发出液压复合、冶金复合的专用生产线，主要产品为石油输送双金属复合管和海底管线。

如前所述，国内外制造双金属复合管的机械复合工艺主要有：液压复合、爆燃复合和强压复合，其中又以液压复合和爆燃复合为主。液压复合工艺主要通过液压膨胀使内衬管和基管紧密贴合。爆燃复合工艺利用航天爆燃技术使基管与内衬管紧密贴合。复合管内衬管根据壁厚不同，采用不同的焊接方法进行加工制造，主要有钨极氩弧焊、等离子焊和熔化极气体保护焊等。对于壁厚小于2.0 mm的内衬管，通常采用氩弧焊打底，并进行等离子焊。对于壁厚为2～3 mm的内衬管，通常采用等离子焊和熔化极气体保护焊。焊接后的薄壁内衬管经过在线整形、校直、涡流探伤（或射线探伤）和定尺切断，成为复合管内衬管[5]。

3 应用

近年来，国内双金属复合管无论是在品种结构、质量、产量，还是在生产技术方面均取得了长足的进步。2011年9月8日，历时39天、长约22.5 km的崖城13-4海管项目提前铺设完工，这是我国海洋油气输送领域首条双金属机械复合管线，也是第一条国内自主生产并施工的双金属复合管海洋油气输送管线。该项目的竣工标志着双金属复合管在我国海洋油气输送管线上的应用迈出了实质性步伐。

国外双金属复合管的生产工艺已日趋完善，有些国家还达到了专业化生产水平，产品除满足本国需求外还大量出口。前苏联在20世纪60年代已能批量生产各种耐热耐蚀、有色金属、镍等复合管，以及用于动力、机械制造、造船等领域的特薄壁管和大直径管。日本住友金属公司利用现有常规制管设备生产了直径25.4～406.4 mm的多种不锈钢复合管。日本神户制钢公司近年建成的数条原子能用管生产线，专门生产核反应堆用锆复合管及高级不锈钢复合管，其特点是品种规格齐全、质量好、产量高，仅锆复合管的生产能力就达65万t。此外，美、英、德等国都有一定的双金属复合管的生产能力。国外除进一步完善常规制管工艺外，还研究开发了一些特殊工艺及相应设备，如离心铸造、爆炸焊接、热膨胀焊接等，使双金属复合管的生产技术达到了更高的水平，品种规格更加齐全。

双金属复合管在国外陆上和海上油气田项目中得到了广泛的应用。表2概括了世界上双金属复合管的主要生产方、成型方法和产品特点[6]。

耐蚀合金双金属复合管由两部分组成，外管为普通碳钢无缝钢管，内衬管为不锈钢、耐蚀合金等材料，两端采用特殊结构或特殊焊接连接。为了保证管体达到油气输送强度及压力要求，根据输送介质的压力来确定基体管。为了达到耐腐蚀性能的要求，依据管线使用寿命及气田介质环境来设计管线耐蚀层。因此双金属复合管综合了基体管的机械性能和耐蚀合金层的性能，不仅发挥了两种材料性能的特点，而且具有较高的性价比。耐蚀合金虽然在抗H2S、CO2、Cl-腐蚀性能方面具有明显的优势，但价格昂贵，在高腐蚀油气田中应用将会使企业生产成本大幅增加，同时我国在耐蚀合金生产方面还存在一定的技术难题，目前以进口为主，因此大面积推广应用较为困难。国外在20世纪70年代末就已开始进行了耐腐蚀合金双金属复合管产品的研究，积累了许多成功的经验，并取得了明显的经济效益和社会效益。

表2 双金属复合管的成型特点和主要生产厂家

爆燃衬里双金属复合管属机械式双金属复合管，制造时采用由爆燃技术生产的液压动力管，利用爆燃时产生的冲击波将耐蚀合金层在瞬间胀形并紧密与基体管材贴合。

采用爆燃工艺所制造的衬里，生产过程除严格按API Spec 5LD、DNV-OS-F101、《SY/T 6623—2005内覆或衬里耐腐蚀合金复合钢管规范》标准制造外，为确保产品质量，还进行了其它性能检测，如衬层内应力、贴合强度及应力等。

双金属复合管产品的生产与制造技术已基本成熟，以爆燃衬里复合技术为例，国内制造水平目前不逊于国外，但复合管的连接却制约该产品的应用与发展。此外，内蒙古科技大学利用白云鄂博尾矿、钢渣、铁渣及粉煤灰等固体废弃物研制出了500 t同时具备玻璃陶瓷与金属性能的纳米级微晶玻璃复合管材[7]。

4 结束语

双金属复合管由于独特的结构和良好的性价比，在国内外油气田等领域已经得到广泛使用。相比国外复合管的发展和应用，国内整体还有一定差距。在当前资源日益匮乏的情况下，双金属复合管作为一种新兴的节能环保材料，必将成为今后各国发展与应用的主流。

[1]王永芳，袁江龙，张燕飞，等.双金属复合管的技术现状和发展方向[J].焊管，2013，36（2）：5-9.

[2]张文毓，侯世忠.金属复合管的应用[C].中国国际船艇暨高性能船学术报告会，上海，2012.

[3]曹晓燕，邓娟，上官昌淮，等.双金属复合管复合工艺研究进展[J].钢管，2014，43（2）：11-15.

[4]李发根，魏斌，邵晓东，等.高腐蚀性油气田用双金属复合管[J].油气储运，2010,29（5）：359-362.

[5]李发根，孟繁印，郭霖，等.双金属复合管焊接技术分析[J].焊管,2014，37（6）：40-43.

[6]王子砚，李文农，郭海，等.双金属复合管的研制与开发[C].中国金属学会轧钢学会钢管学术委员会六届二次年会，包头，2012.

[7]刘彩霞，习琦，夏润虎，等.双金属复合管在管道防腐中的应用[J].商品与质量·理论与研究，2014（9）：244.

[8]周声结，郭崇晓，张燕飞.双金属复合管在海洋石油天然气工程中的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2011（11）：115-116.

[9]郭明海，刘俊友，庞于思,等.双金属管复合技术的研究进展(上)[J].钢管,2013，42（1）：11-16.

[10]郭崇晓，张燕飞，吴泽.双金属复合管在强腐蚀油气田环境下的应用分析及其在国内的发展[J].全面腐蚀控制，2010，24（2）：13-17，12.

Bimetallic composite pipe is a newtype of pipe made of corrosion-resistant alloy as the inner layer and the carbon steel as the outer layer and this pipe can provide high strength of carbon steel at outer layer and corrosion resistant properties of the alloy material at inner layer.Presented an overviewof the bimetallic composite pipe and a description on its research and application status.

金属复合管；研究；应用

Metallic Composite Pipe；Research;Application

TH122；TP273

A

1672-0555（2016）03-070-04

2016年4月

张文毓（1968—），女，本科，高级工程师，主要从事情报研究工作