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雙金屬復合管的種類、制備及應用
  • 作者:    來源:江蘇新陽光管業科技有限公司    時間:2014-10-22    點擊:3840
      雙金屬復合管由兩種不同金屬材料構成,管層之間通過各種變形和連接技術形成緊密結合,從而使兩種材料結合成一體而制成的一種新型金屬復合管材。其一般設計原則是基材滿足管道設計許用應力,復層抵抗腐蝕或磨損等。雙金屬復合管兼有基層和復層的所有優點,相對于整體合金管能有效降低成本,而且在對整體合金管具有應力腐蝕開裂敏感性的氯化物和(或) 酸性環境中復合管可以提高安全性和可靠性。隨著工業技術的發展,環境介質的復雜化,以及競爭的加劇,許多行業對金屬管材綜合性能的要求越來越高,因而雙金屬復合管及其生產技術得到迅速發展。
  對于強腐蝕、高磨損、高工作壓力環境下使用的流體管道,通常采用高品質的不銹鋼或高合金含量的無縫鋼管,這類管材由于大量添加合金元素,其價格是一般普通無縫鋼管的幾倍或幾十倍。多年來,管材用戶和生產商一直在努力尋求通過不同金屬的復合,從而獲得一種既能滿足苛刻的使用環境,又價廉物美的高性能復合管材。
  雙金屬復合管能實現材料的優勢互補,節省合金元素,降低工程費用,在保證原基管各項性能的基礎上,提高了管道的耐腐蝕性、耐磨性,延長了管道的使用壽命,是純不銹鋼管、銅管或其他耐腐蝕性合金管的替代產品。
  由于復合鋼管具有優良的綜合性能,因此自20世紀60年代起,日、美、德、英和前蘇聯等都很重視復合鋼管的開發及使用,從生產工藝、使用性能、檢驗方法等方面進行了大量的研究。目前雙金屬復合鋼管的生產工藝已日趨完善,日本、美國、英國、瑞典、德國等處于好水平。復合管已經在腐蝕性較強的石油、石化企業、核工業以及醫藥、食品加工等領域獲得廣泛認同,也可通過內層復合耐磨金屬,從而滿足電廠粉煤、礦山礦粉和尾礦漿輸送等高磨損工作環境的要求。而起步較晚,技術水平相對落后。
  復合管是近10年發展較快的一種工程管道,品種、功能繁多,性能優越,形成了比較成熟的工藝技術,并且已經投產。主要的工藝方法很多比如熱軋復合方法、熱擠壓復合法、鑄造復合方法、爆炸焊接復合方法、組合式雙金屬復合管生產方法、激光包覆法等。在技術開發方面日本后來居上。據文獻報道,日本在80年代初就陸續研制和開發了多種復合工藝。其中典型的熱軋或熱軋加冷成型工藝可以實現包覆材料與基材界面的冶金結合,質量優良。其產品廣泛用于石油化工、化工行業、石油及天然氣工業等。
  2 雙金屬復合管制備方法的研究概況熱成型法
  目前雙金屬復合管的生產方法主要包括冷成型法、熱成型法、離心鑄造法、離心鋁熱劑法、爆炸焊成型法、電磁成型法等等。
  2.1 冷成型法
  冷成型制造工藝的基本特征是將預加工好的薄壁不銹鋼管套入碳鋼管中,然后通過機械方法使不銹鋼管緊緊貼合在碳鋼管內壁上。薄壁不銹鋼管有兩種獲得途徑:一種是通過選擇合適規格的無縫不銹鋼管,通過旋壓的方法使之變薄,達到要求的外徑和厚度;另一種是用薄的不銹鋼板或鋼帶在專用的制管機上用tig焊接成直縫或螺旋縫不銹鋼管。采用拉拔、脹接、旋壓和滾壓等方法使不銹鋼管緊緊貼合在碳鋼管內壁上,其中拉拔和脹接最為常用。拉拔是取兩根分別制成的無縫鋼管,將一根套在另一根外面,然后將兩管通過一模具同時進行拉拔,從而實現緊密配合的機械結合。這種管的優點是生產工藝比較簡單,價格較便宜。缺點是界面非擴散結合,只是依靠對外層進行的冷加工來獲得緊密配合,因此冷加工復合管如果遭遇高溫就有分層傾向,復合管會因應力釋放而失效。這就限制了冷加工管的使用環境和應用領域。脹接分機械脹接和液壓脹接兩種?;嫡徒郵悄殼吧恍飧指春瞎艿囊恢種饕椒?,它是利用滾脹芯軸回轉擠壓使復合管內管發生塑性變形,外管發生彈性變形,從而使復合管的外管對內管產生接觸壓力,以達到復合管內外壁的緊密貼合。液壓脹接原理與機械脹接相同,只是用管內高壓水施壓代替滾脹芯軸回轉擠壓?;嫡徒郵閉徒恿Υ笮∧巖勻范?,易發生欠脹或過脹,且多次滾脹易造成襯里開裂。液壓脹接時脹接力均勻且大小可進行計算,因此更具優越性。兩種脹接法的共同缺點是內外層只是機械結合,和拉拔成型一樣,在高溫環境下會因應力松弛而分層失效。
  目前金屬復合無縫管冷成型法大致有以下兩種:內擴漲型和外減徑型。① 內擴漲型,即:采用兩種材質的無縫管相互穿套(如外管采用一般普碳鋼無縫鋼管,內穿一薄壁不銹鋼管作為內層金屬管),在內管中施以高壓,使內層無縫管發生塑性變形外層無縫管僅產生彈性變形,從而使內管與外管緊密結合,形成雙金屬復合無縫管。② 外減徑型,即:仍采用兩種材質的無縫管相互穿套,對外層管進行減徑拉拔或軋制,使內管與外管緊密結合,形成雙金屬復合無縫管。以上兩種工藝生產的金屬復合無縫管的不足之處在于:生產成本高昂,內外管均必須采用現成的熱軋或冷拔無縫管,加上其后的內漲或減徑工序使其制造成本大幅度上升;以上兩種類型的無縫管并非完全意義上的金屬復合,兩層金屬相互間并無冶金熔合,在受軸向力的情況下內外兩層金屬難以傳遞和均衡外力,在需要熱傳遞的應用領域,由于內外兩層金屬間存在間隙,熱阻必將大幅度增加。
  2.2 熱成型法
  熱成型制造工藝包括熱軋和熱擠壓兩種方法,前者主要適用于有縫復合管的生產,后者適用于無縫復合管的生產。
  軋制是一種傳統的制備復合金屬的方法。熱軋復合實質上屬于壓力焊,如果變形量足夠大,軋輥施加的壓力就會破壞金屬表面的氧化膜,使表面達到原子接觸,從而使兩表面焊在一起。軋制的優缺點分別為:
  優點:生產率高、質量好、成本低,并可大量節省金屬材料的損耗,因此是目前應用極為廣泛的復合材料生產技術。軋制結合的復合板占復合板總產量的90%,而且經常應用于壁厚小于32mm的管材的加工。
 ?、?缺點:一次性投資大,而且很多材料組合不能通過軋制復合實現。目前應用廣泛的還是利用軋制工藝進行碳鋼、不銹鋼有縫復合管的制造。
  熱擠壓一般是針對雙金屬管坯進行的,稱為復合擠壓(coextrude)。復合擠壓目前是生產不銹鋼和高鎳合金無縫復合管的好方法,日本制鋼所利用這種方法生產8in(203.2mm)以下的雙金屬復合管。它是將兩種以上的金屬組成的一大直徑復合坯料加熱到1200℃左右,然后擠過由模具和芯軸形成的環狀空間。當擠壓坯料截面縮減到10:1時,高的擠壓壓力和溫度會在界面處產生“壓力焊”的焊接效應,促進界面間的快速擴散和廣泛結合,實現界面的冶金結合。擠壓前的復合管坯制造方法有三種:由鍛造坯料通過熱穿孔和放大擠壓獲得;直接離心旋鑄;用耐蝕粉末顆粒。也有內外兩種金屬原材料均采用粉末的,稱為“nuval”工藝,可以開發新型合金,但粉末制備成本太高。復合擠壓的優缺點分別為:
 ?、?優點:界面為冶金結合;擠壓過程中涉及的力完全是壓應力,因此特別適合于熱加工性不好、塑性低的高合金金屬的加工。
 ?、?缺點:由于結合決定于擠壓過程中極短時間內的元素界面擴散,通?;嵋蜓躉錟さ拇嬖詼艿接跋?,因此目前復合擠壓僅限于碳鋼、不銹鋼和高鎳合金間的復合。需要指出的是,熱擠壓的變形抗力小,允許每次變形程度大,導致表面粗糙度較高,因此也有先熱擠壓再進行冷軋(或冷拔)制造復合管的方法。
  2.3 離心鑄造和離心鋁熱劑法
  離心鑄造是為適應海洋油氣生產而開發的,適用于制造內襯金屬熔點低于外層金屬熔點的復合管。襯層和基體均采用液態金屬。將制外管的鋼液引入一旋轉金屬模,在外管凝固過程中監測管內溫度。當外管凝固并達到一定溫度時,澆入耐蝕合金等內層金屬。通過控制鑄造條件,可以生產出牢固的冶金結合的雙金屬復合管。
  當應用液態金屬進行表面堆敷時,采用離心技術可消除復合層容易出現的氣孔和夾雜。這時,熔化金屬中密度低的渣、雜質和氣體上升到表面,而較重的金屬成分下沉,在管壁上形成一致密層,從而提高熔敷質量和再現性。因此其優缺點分別為:
 ?、?優點:界面實現冶金結合,致密度高,排渣、排氣性好。
 ?、?缺點:若沒有其后的熱變形,僅限于鑄態使用,其粗大的鑄態組織導致各層金屬的力學性能不能充分發揮。另外,該方法不能生產外層為輕合金的復合鋼管。
  離心鋁熱法也稱為shs—離心法,shs是self propagating high temperature synthesis的縮寫。離心鋁熱法的實質是在離心力場中引起鋁熱反應,所謂鋁熱反應就是金屬鋁粉和其他金屬氧化物粉末均勻的混合在一起, 通過點燃而發生的非常迅速的放熱反應(mo+al→m+al2o3+q)。反應絕熱溫度可接近3000k,因此產物都處于液態,在離心力作用下,比重大的產物如fe、cr、ni等集中在靠近碳鋼鋼管內壁處,形成內襯金屬層;al2o3形成最內層殘渣,通過機械方法除去,則制備出雙金屬復合鋼管。
  2.4 離心鑄造+熱擠壓(熱擠壓+冷軋)法
  “離心鑄造+熱擠壓”是一種新的復合管短流程制備方法,通過離心鑄造生產空心復合管坯,然后加熱、熱擠壓或熱擠壓冷軋,以及后續熱處理等工序,獲得成品復合管。它有效整合了離心鑄造和熱擠壓兩種方法的優點,縮短了生產工序,并實現了復合界面的完全冶金結合。其獨特之處在于:他把初級工業材料和高技術的冶金處理過程結合起來,采用離心澆鑄工藝、熱擠壓等塑性熱復合技術、冷軋(或冷拔)生產方式,獲得高品質的復合管材。
  2.5 爆炸焊成型法
  爆炸焊成型工藝是靠炸藥爆炸產生的沖擊波,使內管發生塑性變形,緊貼外管,從而形成復合管。利用爆炸成型,覆層可小于0.2mm,熔合比小可達到5%;覆層緊密,產品適用性廣。另外,利用爆炸焊可實現多種金屬間的連接,有些是采用其他方法不能實現的。該方法的主要缺點是,界面非擴散冶金結合,對尺寸較長的復合管炸藥量很難準確確定,而且具有一定的危險性。
  2.6 粉末冶金法
  在碳鋼或類似材料制成的母管與金屬薄壁管之間加入粉末充填層,管子兩端分別用底板密封。在預定的溫度下加熱,再熱擠壓成復合鋼管。用酸洗方法去掉底板和金屬薄壁管。根據不同的用途,復合層可為外層或內層。
  2.7 激光包覆法
  用高功率激光設備對鋼管進行外包覆。合金粉末經自動進料器送到母管的激光束照射區,激光束熔化粉末和工件表面薄層后,用螺旋包覆法便可完全包覆整根鋼管,制成雙金屬復合管。
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