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浅析双金属复合管的种类以及应用
时间:2022-06-08 08:41:44浏览量:57

双金属复合管是由两种不同的金属材料组成,通过各种变形和连接技术使管层紧密结合,使两种材料结合成一个整体,是一种新型的金属复合管。总的设计原则是基材满足管道设计的许用应力,包覆层耐腐蚀或耐磨损。双金属复合管具有基层和包覆层的所有优点,与整体合金管相比,可有效降低成本。此外,它可以提高对整体合金管的应力腐蚀开裂敏感的氯化物和/或酸性环境中的安全性和可靠性。随着工业技术的发展、环境介质的复杂化、竞争的加剧,许多行业对金属管材的综合性能要求越来越高,因此双金属复合管及其生产技术发展迅速。

在强腐蚀、高磨损、高工作压力的环境中使用的流体管道,通常采用高合金含量的优质不锈钢或无缝钢管。由于这些管材中添加了大量的合金元素,其价格是普通无缝钢管的几倍甚至几十倍。多年来,管材使用者和制造商一直在努力寻求一种既能适应恶劣环境,又价廉物美的高性能复合管材。

双金属复合管可以在保证原基管全部性能的基础上,实现材料的优势互补,节约合金元素,降低工程成本,提高管道的耐腐蚀性和耐磨性,延长管道的使用寿命,是纯不锈钢管、铜管或其他耐腐蚀合金管的替代品。

自20世纪60年代以来,日本、美国、德国、英国和前苏联都非常重视复合钢管的开发和使用,在生产工艺、性能和检验方法等方面做了大量的研究。目前双金属复合钢管的生产技术已日趋完善,日本、美国、英国、瑞典、德国处于较好水平。复合管在石油、石化企业、核工业、医药、食品加工等领域得到了广泛的认可。具有强腐蚀性。还可以通过内层复合耐磨金属,满足电厂粉煤、矿山矿粉、尾矿浆输送等高磨损工作环境的要求。但起步较晚,技术水平相对落后。

复合管是近10年来发展迅速的一种工程管道。它品种多,功能全,性能优越。已形成相对成熟的技术,并已投产。主要工艺方法有热轧复合法、热挤压复合法、铸造复合法、爆炸焊接复合法、复合双金属复合管生产法、激光熔覆法等。日本在技术发展方面后来居上。据文献报道,日本在80年代初开发研制了多种复合工艺。其中,典型的热轧或热轧加冷却成型工艺可以实现涂层材料与基材之间质量优良的冶金结合。其产品广泛应用于石油化工、化学工业、石油天然气工业等。

双金属复合管制备方法的研究概况:热成型方法

目前,双金属复合管的生产方法主要有冷成型法、热成型法、离心铸造法、离心铝热法、爆炸焊接成型法、电磁成型法等。

2.1冷成型方法

冷成型制造工艺的基本特点是将经过预处理的薄壁不锈钢管插入碳钢管中,然后通过机械方法使不锈钢管与碳钢管内壁紧密贴合。获得薄壁不锈钢管的方法有两种:一种是选择合适规格的无缝不锈钢管,通过旋压使其变薄,达到所需的外径和厚度;另一种是用薄不锈钢板或钢带在专用制管机上用tig焊接直缝或螺旋缝不锈钢管。采用拉拔、胀接、旋压、滚压等方法使不锈钢管与碳钢管内壁紧密贴合,其中最常用的是拉拔和胀接。拉拔是取两根分别制作的无缝钢管,一根套在另一根外面,然后将两根钢管同时通过一个模具拉拔,实现紧密的机械结合。这种管材具有生产工艺简单、价格低廉的优点。缺点是界面非扩散结合,仅依靠外层冷加工获得紧密配合。因此,冷加工复合管如果遇到高温,往往会分层,复合管会因应力释放而失效。这就限制了冷加工管的使用环境和应用领域。膨胀分为机械膨胀和液压膨胀。机械膨胀节是目前生产不锈钢复合管的主要方法。它通过滚压芯轴的旋转挤压,使复合管的内管发生塑性变形,外管发生弹性变形,使复合管的外管与内管产生接触压力,复合管的内外壁紧密结合。液压膨胀节的原理和机械膨胀节是一样的,只不过是用管内的高压水来压,而不是滚动芯轴的旋转挤压。机械膨胀时膨胀力的大小难以确定,容易欠胀或过胀,反复滚动膨胀容易造成衬砌开裂。液压胀形时,胀力均匀,尺寸可计算,更有优势。两种膨胀节方法的共同缺点是内外层只是机械结合,和拉伸成型一样,在高温下会因应力松弛而分层失效。

目前,金属复合无缝管的冷成型方法有两种:内胀式和外缩式。①胀内式,即将两种材料的无缝管相互插入(如外管采用普通普碳钢无缝管,内金属管采用薄壁不锈钢管),对内管施加高压,使内无缝管发生塑性变形,外无缝管仅发生弹性变形,使内管和外管紧密结合,形成双金属复合无缝管。②外径缩径型,即仍然使用两种材料的无缝管相互磨损,通过缩径拉拔或轧制外管,使内管和外管紧密结合,形成双金属复合无缝管。上述两种工艺生产的金属复合无缝管的缺点在于:生产成本高,内外管都必须使用现成的热轧或冷拔无缝管,后续的内扩或缩径工艺大大增加了制造成本;以上两种无缝管都不是完全的金属复合,两层金属之间没有冶金熔合。在轴向力的条件下,金属的内外层很难传递和平衡外力。在需要传热的应用领域,由于金属内外层之间的间隙,热阻会大大增加。

2.2热成型方法

热成型制造工艺包括热轧和热挤压。前者主要适用于有缝复合管的生产,后者适用于无缝复合管的生产。

轧制是制备复合金属的传统方法。热轧本质上是压力焊接。如果变形足够大,轧辊施加的压力会破坏金属表面的氧化膜,使表面与原子接触,使两个表面焊接在一起。滚动的优点和缺点是:

优点:生产率高、质量好、成本低,并能大大节约金属材料的损耗,因此是目前广泛应用的复合材料生产技术。轧制复合板占复合板总产量的90%,常用于加工壁厚小于32mm的管材。

②缺点:一次性投入大,很多材料组合无法通过碾压复合实现。目前广泛采用轧制工艺制造碳钢和不锈钢接头复合管。

一般对双金属管坯进行热挤压,称为共挤。复合挤压是目前生产不锈钢和高镍合金无缝复合管的好方法。日本制钢所用这种方法生产直径小于8英寸(203.2毫米)的双金属复合管。它是将两种以上金属组成的大直径复合材料坯料加热到1200℃左右,然后通过模具和芯棒形成的环形空间挤压。当挤压坯料的截面缩小到10: 1时,较高的挤压压力和温度会在界面处产生“压焊”的焊接效应,促进界面间的快速扩散和广泛结合,实现界面的冶金结合。挤压前复合管坯的制造方法有三种:锻坯热穿孔和扩大挤压;直接离心旋转铸造;使用耐腐蚀的粉末颗粒。还有叫“nuval”的工艺,内部和外部的金属原料都是粉末,可以开发新的合金,但是粉末的制备成本太高。复合挤出的优点和缺点是:

①优点:界面为冶金结合;挤压过程中所涉及的力完全是压应力,因此它特别适合于加工热加工性差和塑性低的高合金金属。

②缺点:由于挤压时结合是由元素界面在极短时间内的扩散决定的,所以通常会受到氧化膜存在的影响。因此,目前复合挤压仅限于碳钢、不锈钢和高镍合金的复合。需要指出的是,热挤压的变形阻力小,使得每次变形程度大,导致表面粗糙度高。因此,还有一种通过热挤压接着冷轧(或冷拔)来制造复合管的方法。

2.3离心铸造和离心铝热剂法

离心铸造是为适应海上油气生产而发展起来的,适用于制造内层金属熔点低于外层金属熔点的复合管。衬里和基底由液态金属制成。用于制造外管的熔融钢被引入到旋转的金属模具中,并且在外管凝固期间监控管中的温度。当外管凝固达到一定温度后,浇注耐腐蚀合金等内层金属。通过控制浇注条件,可以生产出冶金结合牢固的双金属复合管。

用液态金属进行表面熔覆时,离心技术可以消除复合层中的气孔和夹杂物。此时,熔融金属中密度低的熔渣、杂质和气体上升到表面,而较重的金属成分下沉,在管壁上形成致密层,从而提高沉积的质量和再现性。因此,其优点和缺点是:

(1)优点:界面冶金结合,密度高,排渣排气好。

②缺点:如果没有后续的热变形,只能铸态使用,其粗大的铸态组织会导致各层金属的力学性能不能充分发挥。另外,这种方法不能生产外层为轻合金的复合钢管。

离心铝热剂法也叫shs离心法,SHS是自蔓延高温合成的缩写。离心铝热法的本质是在离心力场中引起铝热反应。所谓铝热反应,就是铝粉和其他金属氧化物粉末均匀混合在一起点燃时发生的一种非常迅速的放热反应(mo+al→m+al2o3+q)。绝热反应温度可以接近3000k,所以产物都是液态。在离心力的作用下,比重较大的产品,如铁、铬、镍等。集中在碳钢管的内壁附近,形成金属衬里层。Al2o3形成最里面的残渣,用机械方法除去,制备双金属复合钢管。

2.4离心铸造+热挤压(热挤压+冷轧)法

“离心铸造+热挤压”是一种新的短流程复合管制备方法。通过离心铸造生产中空复合管坯,然后通过加热、热挤压或热挤压冷轧以及后续热处理获得成品复合管。有效集成了离心铸造和热挤压的优点,缩短了生产流程,实现了复合界面的完全冶金结合。它的独特之处在于将初级工业材料与高科技冶金处理工艺相结合,采用离心铸造工艺、热挤压等塑热复合技术和冷轧(或冷拔)生产方法,获得高质量的复合管。

2.5爆炸焊接成型方法

爆炸成型过程是依靠炸药爆炸产生的冲击波,使内管发生塑性变形,紧贴外管,从而形成复合管。通过爆炸成型,涂层可以小于0.2毫米,熔化率可以达到5%。涂层致密,产品适用性广。另外,爆炸焊接可以用来连接各种金属,有些是其他方法无法实现的。这种方法的主要缺点是界面非扩散冶金结合,使得长尺寸复合管的爆炸量难以准确确定,且具有危险性。

2.6粉末冶金法

碳钢或类似材料制成的母管与金属薄壁管之间加有粉末填充层,两端分别用底板密封。在预定温度下加热,然后热挤压形成复合钢管。酸洗去除底板和金属薄壁管。根据不同的应用,复合层可以是外层或内层。

2.7激光熔覆法

大功率激光设备用于钢管涂层。合金粉末由自动送料器送到主管的激光束照射区。当激光束熔化工件表面的粉末和薄层后,就可以用螺旋涂敷法将整个钢管完全涂敷,制成双金属复合管。


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