免費注冊 會員登錄 手機版手機掃一掃

上海鋼管行業協會官方網站

雙金屬復合鋼管及襯塑復合鋼管國內外發展述評

2019-07-12 上海鋼管行業協會 閱讀

【內容提要】本文論述了國內外應用雙金屬復合管的概況,目前國內應用雙金屬復合鋼管于石油、化工、電力、食品、醫藥、水工等行業累計長度約2500公里,得到較快發展。雙金屬復合鋼管成型技術有塑性成型法(機械成型法)和非塑性成型(冶金成型法),所謂塑性成型就是利用外基管的彈性極限變形緊縮襯管的塑性變形,來實現內外層鋼管緊密結合。重點述評了機械成型法的具體工藝有水壓法、拉拔法和旋壓法,其共同的力學性能例如成型過程的受力狀況分析及理論計算推導出鋼管內壓力的極限值和相應的接觸應力公式等。雙金屬復合鋼管的內襯管為不銹鋼管,價格比襯塑復合鋼管貴,因此,農村建設如農田澆灌及地方供水設施,近年來這方面建設項目招標都大量采用襯塑復合鋼管。關于襯塑復合鋼管國內有熱脹法和縮徑法兩種制造方法,熱脹法需要粘結劑,在爐內加熱,空氣加壓,工藝較復雜;而縮徑法是用微張力減徑機將外基管逐步減少內徑,使之與襯塑管外徑接觸并適當壓縮產生接觸應力而達到結合面有夾接力,阻止軸向松動。縮徑法工藝較簡單,造價較便宜,并有利于環保。

1.雙金屬復合鋼管國內外應用概況

國外雙金屬復合管發展較早,技術較為成熟,在油氣田應用量約有30萬噸。例如德國的Butting公司是世界上最早開發、最先進的金屬復合管制造企業,目前已累計生產機械復合管約5萬噸,大部分用于海底管線。英國proclad公司的金屬復合管產品多是出口到中東油氣產區,如埃及、阿曼、沙特、卡塔爾和阿布扎比等國的石油公司。美國的cladtek公司、日本的新日鐵公司、日本鋼管公司等金屬復合管產品技術完善,位于世界前列。

國內雙金屬復合管技術起步較晚,但2001年在我國油氣田應用以來,發展迅速,從石油天然氣行業向化工、電力、鍋爐、食品、制藥、水工等行業廣泛發展,使雙金屬復合管應用領域進一步拓寬,目前國內累計應用雙金屬復合管長度約2500公里。國內雙金屬復合管制造企業無論數量、技術、能力、規模,還是創新研發、營銷策劃,都得到較快的發展。目前國內雙金屬復合管制造重點企業及其主要用戶,見表1.

表1. 國內雙金屬復合管制造重點企業及其主要用戶

序號

重點制造企業名稱

成型方式

石油天然氣行業用戶

1

浙江天管久立特材有限公司

冶金復合/機械復合

中海油、中石油、中石化

2

西安向陽航天材料有限公司

機械復合

中海油、中石油、中石化

3

江蘇眾信綠色管業科技有限公司

機械復合

中石油

4

上海天陽鋼管有限公司

冶金復合/機械復合

中石油

5

廣州番禺珠江鋼管有限公司

機械復合

中海油

6

四川驚雷科技有限公司

冶金復合

中石油、中石化

7

新興鑄管股份有限公司

冶金復合

中石油

8

上海海隆復合鋼管有限公司

機械復合

中海油、中石油

9

蘇州威爾漢姆堆焊技術公司

冶金復合

英國石油公司、中海油

10

大連合生科技開發有限公司

冶金復合/機械復合

中海油、中石化

11

滄州隆泰迪管道科技公司

機械復合

中海油、中石油

2. 雙金屬復合管成型技術發展概況

在油氣集輸過程中,由于油氣中含有大量的H2S、CO2和Cl-等腐蝕介質,對集輸管線造成嚴重的腐蝕破壞,普通碳鋼管不能滿足管線的安全服役的要求;而用耐蝕合金鋼管則造價太貴并且消耗大量合金元素。因而雙金屬復合管則兼顧了碳鋼管優良的力學性能和耐蝕合金管良好的耐腐蝕性能,因而性價比高。這就決定了雙金屬復合管的結構組成:基管主要承擔管道系統的壓力要求,保證整體管道的力學性能,降低成本;襯管主要承擔管道系統的耐腐蝕要求,提高管道的耐腐蝕性能,延長管道的使用壽命。基管和襯管如何選材?如何結合?一般來說,雙金屬復合管是以碳鋼或低合金鋼為基層管,在其內壁覆襯一薄壁不銹鋼或鎳合金鋼管(一般壁厚為2-3毫米)。管線管領域應用的基管采用鋼級主要為L320N、L360、L415和L450(X65)等,襯層不銹鋼管采用的鋼級有:OCr18Ni9、00Cr19Ni10、0Cr25Ni20和022Cr17Ni12MO2(316L)等,X65和316L為美國標準牌號。表2舉例列出L450(X65)及316L力學性能。

表2. X65/316L力學性能參數舉例

材質

屈服強度/ Mpa

抗拉強度/Mpa

伸長率/%

屈強比

L450(X65)

510

570

18

0.90

316L

320

635

61.5


2.1 雙金屬復合管成型技術概況

2.1.1 雙金屬復合管成型技術的基本原理

按照雙金屬復合管的成型原理,其成型方式分為塑性成型法和非塑性成型法兩大類。所謂塑性成型法是利用金屬管材的彈塑性原理即基管的彈性和襯管的塑性變形來實現內外層之間緊密結合的一種復合工藝。所謂非塑性成型法是通過壓力或溫度達到金屬的熔點促進基管內層和襯管外層表面的原子擴散,而實現界面冶金結合一種復合工藝。塑性成型法是通過機械方式來實現,故又名機械成型;非塑性成型法是通過冶金方式來實現,故又名冶金成型法。

2.1.2 冶金成型法。冶金成型法主要有三種方法:一種是熱軋制,對復合金屬板壓力軋制,實質是“壓力焊”,將兩表面焊接在一起,適用于碳鋼和不銹鋼焊接復合管的制造。另一種是熱擠壓,實質也是“壓力焊”,適用于碳鋼、不銹鋼和高鎳合金無縫復合管的制造。第三種是離心鑄造,適用于內襯金屬熔點低于外層金屬熔點的復合管。

冶金成型法適用于高溫環境下服役的雙金屬復合管。當工況條件對溫度不高時可用機械成型法制造雙金屬復合管。機械成型法相對于冶金成型法,一次性投資較少,工藝設備不復雜,工序較少,而且適應于多品種、少批量的市場需求,因此,應用較廣泛。

2.1.3 機械成型法。機械成型法有機械擴徑及爆炸擴徑法、定徑法等。由于機械擴徑方式的不同,又分為機械拉拔法、錐形漲縮頭擴徑法、滾珠旋壓式擴徑法和水壓擴徑法等,以達到襯管擴徑與基管實現緊密結合;爆炸法是用炸藥爆炸引起襯管內水壓增高達到擴徑實現與基管機密結合。定徑法是基管縮徑從而實現與襯管緊密結合。機械成型法舉例如圖1、圖2、圖3所示。其中圖2滾珠旋壓法為江蘇眾信綠色管業科技公司所獨創。

IMG_20190604_084629_resized_20190604_085229240.jpg

2.1.4 機械式復合管的力學性能問題剖析

雙金屬復合管機械成型是非常復雜的彈塑性變形過程,存在物理非線性和幾何非線性,力學的邊界條件往往也很復雜。在理論分析時作了簡化,例如:假定金屬材料為理想彈塑材料,采用有限元模擬的方法等。但由于出發點的不同,國內外的學術界在文獻上往往存在不同的分析公式,在這里僅作簡約的述評。[1][2][3]雙金屬復合管初始狀態示意圖及成型過程受力狀態如圖4、圖5。

IMG_20190604_084641_resized_20190604_085229699.jpg

雙金屬復合管的初始狀態如圖4所示,內襯管的內、外半徑分別為a、b;外管的內外半徑分別為c和d;內襯管壁厚(a-b)為t;復合前c>b,存在間隙。雙金屬復合管成型過程受力狀態如圖5所示。成型過程按4個步驟:

第一步。內襯管受力擴徑產生塑性變形,并與外管內壁剛剛接觸,僅僅消除了間隙,但未產生接觸壓力時,內襯管受到的內壓力為P10





2tσS1 

 




b+a 

圖片關鍵詞P10 =                                                      ………………(1)    式中:σS1---內襯管的屈服強度。


 

第二步。內襯管繼續受力再擴徑后,與外管內壁產生接觸壓力P2,此時內襯管受到的壓力為P:

P= P10+ P2………………(2)

第三步。當P2繼續升高,達到使外管內表面由彈性變形向塑性變形轉折的拐點A,見圖6。此時,P2達到極限值P2C


C2 

σS2 

                                                  



d2 

圖片關鍵詞

圖片關鍵詞
σS2  
2tσS1  
P2C  =       (1 -     )………………(3)  式中:σS2---外管屈服強度,此時,P也達到極限值Pc。



C2 

                                                               



d2 

圖片關鍵詞

圖片關鍵詞圖片關鍵詞
b+a 
P=          +      (1 -       )………………(4)


 

圖片關鍵詞第4步。在卸載階段,內襯管不再受到內壓力,發生塑性卸載收縮量為γ,外管內壁彈塑性收縮量為δ,由于δ>γ,即外管與內襯管在同時卸載過中產生的過盈量,導致接觸面形成殘余壓應力,從而使復合管的結合強度有夾持力來抵抗軸向剪切分離趨勢。

番禺珠江鋼管公司生產雙金屬復合管的外管為X65QO碳鋼無縫鋼管,屈服強度為510Mpa,規格為φ168.3毫米*12.7毫米,內襯管為316L不銹鋼焊管,其屈服強度320 Mpa,規格為φ141.3毫米*3.0毫米,經試驗表明,當水壓壓力達85Mpa時,外管達到屈服點,殘余接觸應力為1.90 Mpa。[4]將上述雙金屬復合管的技術參數代入公式(4),可得到PC=85 Mpa,與水壓試驗結果相同。公式(1)-(4)是由機械成型方式水壓成型法的試驗過程推導出來的。

當采用機械拉拔成型法制造雙金屬復合管的過程,如圖(1)所示,過程中所受的內壓力、接觸壓力等與上述公式的描述相同,只是牽引力F的計算推導,即為擠壓錐頭作用于內襯管上的正壓力與錐頭移動的滑動摩擦系數的乘積,按庫倫摩擦定律,可得F=2πClμp………………(5)式中:l---錐頭最大直徑處的長度,μ---錐頭最大直徑處的摩擦系數。

關于殘余接觸應力的分析。復合管在液壓成型過程中,采用兩端密封結構,內外管的軸向力很小,按平面應力分析,軸向應變近乎于零,周向應變產生殘余接觸應力σy與殘余接觸壓力P’c的關系式為:





2K2 

 



圖片關鍵詞

(1-Vi2)(K2-1) 

σy = -                P’c………………(6)


 

式中:“-”表示為壓應力,Vi---內襯管的泊松比;K=d0/di,di,d0為內襯管內外直徑,毫米,可以近乎地認為殘余接觸壓力P’c即為液壓成型最大壓力Pc。

2.1.5 機械式復合管的力學性能分析中幾個討論問題

(1)外基管的材質選擇。其材質級別不能低于L245/B,壁厚不能太薄;[4]否則,不足以產生相適應的彈性應變達到足夠的殘余接觸壓力。同樣,內襯管也要選擇強度匹配的材料,但其厚度如何合理確定,尚無定論。

(2)高溫對機械式復合管的影響。對管線管的工況,由于三層PE防腐涂層加熱到195-230℃,復合管的殘余接觸壓力降低了約78%,[3]內外層可能松脫。因此,對外層管的3PE防腐,要考慮熱加載對復合管的殘余接觸壓力的影響。

(3)制造的現實比科學的假設要復雜很多。鋼管材料不可能像假設那樣很均勻地性能一致,由于內襯管的熱膨脹系數可能是外基管的1.5倍,加熱時內襯管容易出現“鼓包現象”;又由于外基管的彈性回復大于內襯管的彈性回復,內襯管容易出現“起皺現象”,[5]這是機械式復合管常見的失效現象。針對前一種失效現象,要控制服役的環境或工況的溫度;針對后一種失效現象,控制外基管的彈性回復的力度,即復合管是否都要達到彈性變形極限位置,值得研究。例如,前面介紹水壓法外基管彈性勢能對復合效果的影響,當水壓76 Mpa時,接觸應力0.60Mpa;水壓85 Mpa時,接觸應力1.90Mpa。[4]而我國城鎮建設行業標準CJ/T192-2004和石油天然氣行業標準SY/T6623規定,機械復合加工后的雙金屬管,其層間接觸應力不低于0.2Mpa。那么,水壓76 Mpa時,外基管雖沒有進入彈性變形極限位置,但接觸應力0.60Mpa>0.2Mpa,已是3倍高于達標接觸應力,安全系數為3.當接觸應力達1.90Mpa,安全系數為9.5。安全系數如何恰到好處?

(4)雙金屬復合管在機械式制造方法方面,目前使用的都是擴徑這條思路;另一條思路是縮徑法,通過減徑機來縮小外基管的內徑C,(圖4),從而消除與內襯管的間隙實現過盈配合產生接觸應力。

(5)目前雙金屬復合管的材質構造是外基管為碳鋼或低合金鋼,內襯管為不銹鋼,因為造價較貴,想要在一般民用住宅自來水管應用上推廣,從而取代鍍鋅焊管,目前在市場競爭中還不具備價格優勢。制造企業在技術上探討出降低成本的措施,也很重要。

(6)國內雙金屬復合管應用和研究起步較晚,雖然在國內石油、煉化、醫藥、食品加工、高檔建筑等行業逐步推廣應用,但應用技術尚不完善。在復合工藝、高效生產、管端焊接、無損檢測、在線監控等技術方面與國外先進國家相比仍存在較大差距,也缺乏適合于雙金屬復合管特點的耐蝕性能評估體系。目前國內外有關雙金屬復合管的標準尚不完善,可操作性不強。一些技術要求沒有明確化,各種性能的檢測方法尚須完善具體規定。國內標準在參照國際標準基礎上,如何結合國內具體現狀,使之中國化,還有許多方面需要深化。[6]

3.開發金屬管與塑料管的機械復合管成型技術

國內雙金屬復合管由于內襯管采用不銹鋼材質,價格較貴,推廣應用范圍受到制約,如民用住宅自來水管沒有大規模采用;此外,如農業用水的鋼管和塑料管市場很大。

3.1 農村建設及地方供水飲水項目。[7][8]進入2019年3月以來,工程建設進入旺季,農村建設及地方供水飲水項目都明顯增多,所需鋼管及塑料管招標數量上漲,集中在南方省份有江蘇、浙江和湖北,北方省份主要是山東、河北和陜西。例如:綏化市北林區2019年農村飲水工程采購PE管材的金額2098萬元;龍泉市2019年農村飲水工程采購PE管材的金額1018萬元;寧海縣水務集團有限公司采購鋼塑管金額660萬元;孝感市自來水公司給水襯塑復合鋼管入圍供應商項目;通城縣2019年農村飲水工程采購PE、PPR管材。農田建設類項目目前主要集中于上海、四川和寧夏。上海市崇明區啟動市級節水型社會建設試點,2018年崇明區的農業節水灌溉覆蓋率達93.19%,目前將重點推進高效節水面積達61.2萬畝,并推進糧田、菜田灌溉自動化控制系統和規模化果園滴灌設施建設。因此,鋼塑復合管在農業建設中應用量很大。四川雅江縣日衣村高效節水灌溉工程PE管材采購16.8公里,南漳縣七里山森林公園供水工程采購塑料管材招標金額176萬元;寧夏農墾暖泉農場2019年滴灌帶采購PE管25公里,滴灌帶3300公里,阜蒙縣建設鎮迷宮滴灌帶采購管材3600公里。

3.2 縮徑法制造襯塑復合鋼管

按《鋼塑復合管》國家標準對襯塑復合鋼管的概念為采用熱脹法或縮徑法在鋼管內壁內襯塑料管復合而制成。

熱脹法。有文獻介紹日本用PVC管襯塑鋼管的原始工藝過程:由一根鋼管和一根PVC管粘合在一起構成的,即將PVC管外面涂上粘結劑,再將它插入鋼管,然后將它們放入加熱爐加熱到PVC管軟化,再以空氣加壓使PVC管膨脹,同鋼管緊密結合,這樣就制成了襯塑鋼管。圖7為熱脹法制成的襯塑復合鋼管示意圖。

國內現在有用PE管代替PVC管的做法,PE管的熱膨脹系數是PVC的2-3倍,表面像“蠟”一樣,難以粘合,所以,用粘合劑來粘合兩種管子,粘結度大為減弱。服役期間,這樣“熱膨脹”制成的襯塑復合鋼管,往往因為環境溫度的變化,出現塑料管收縮與鋼管分離而脫落,這樣失效情況通常出現在管端。[9]提高粘結力來加強襯塑鋼管的結合緊密度其效果有限。因此,參照雙金屬復合管的機械成型方式使鋼管與襯塑鋼管之間由于過盈配合在結合面產生接觸應力而提高結合緊密度。于是,產生了縮徑法。

縮徑法。在ERW/HFW鋼管實際生產中就是張力減徑工藝,也是定徑工藝。一般張力減徑機的單機架減徑量約為2%-3%,可以實現等壁厚變徑,實現鋼管逐架減徑,最后達到預定的鋼管內徑,所以也叫定徑工藝。縮徑法的襯塑工藝:將一根塑料管(PVC或PE管)插入鋼管內,然后將它們進入張力減徑機組(一般由3架單機組成),由每個單機依次對鋼管內徑進行減徑,使鋼管內徑接觸到塑料管外徑,并有一定的壓縮量產生接觸應力,提高襯塑鋼管結合面的緊密度。縮徑法的優點:工藝比熱脹法簡單,省去了粘結劑,不須要加熱爐加熱,不須要空氣加壓。由此,降低了成本,也更有利于環保。廣東有的高頻焊管企業應用減徑機制造出機械式襯塑復合鋼管,生產率高,造價便宜,用于農田滴灌設施,受到好評。在此建議推廣此法。

 

參考文獻

1.鄭茂盛、高航等,雙金屬復合管液壓脹形過程的受力分析,《焊管》,2016年9月,第9期,1-5頁

2.王學生、王如竹等,緊密封不銹鋼襯里復合管液壓脹合研究,《機械工程學報》,2004年,5月,72-76頁

3.謝勇、曹勝等,內襯雙金屬復合管緊密度測量及影響因素,《焊管》2014年3月,第3期,23-27頁

4.黃克堅、王利樹等,雙金屬管極限彈性水壓復合工藝研究,《焊管》2014年6月,第6期,37-39頁

5.魏帆、張燕飛等,機械式復合管結合強度的檢測與控制,《焊管》2015年2月(2期)32-36頁

6.王永芳、袁江龍等,雙金屬復合管的技術現狀和發展方向,《焊管》2013年2月,第2期,5-9頁

7.編輯部、一周管材招標回顧(3.25-3.29),管道商務與技術,2019年5月,第10頁

8.羅水元,推行“合同節水”,實用高效用水,《新民晚報》2019年5月11日,3版

9.徐德茹、魏安家等,鋼塑復合管管端失效分析及解決辦法探討,《焊管》2012年6月,第6期,26-29頁

 


TOP
牌九变牌技术保盈