爆炸焊接雙金屬不銹鋼復合直縫鋼管型式試驗方法探討

張 華黃斌貴吉建立劉長征何仁洋任曉婷

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）（2.北京工業大學 北京 100124）（3.青海油田管道輸油處 格爾木 816000）（4.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院宿遷分院 宿遷 223800）

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爆炸焊接雙金屬不銹鋼復合直縫鋼管型式試驗方法探討

張 華1，2黃斌貴3吉建立1劉長征1何仁洋1任曉婷4

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）
（2.北京工業大學 北京 100124）
（3.青海油田管道輸油處 格爾木 816000）
（4.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院宿遷分院 宿遷 223800）

摘 要：介紹了首次對爆炸焊接雙金屬不銹鋼復合直縫鋼管進行型式試驗的主要內容，重點介紹了基層力學性能試驗、復合層晶間腐蝕試驗、雙相不銹鋼的鐵素體/奧氏體比率、基層/復合層粘結力試驗和復合管極限承載能力等幾類試驗，為今后業內該種類型的復合管型式試驗方法提供了參考，也為修改相關規則中關于復合管型式試驗的內容提供了依據。

關鍵詞：型式試驗 雙金屬不銹鋼復合直縫鋼管 爆炸焊接

Type Test Research on Explosive Welding Bimetal Composite Stainless Pipe

Zhang Hua1,2Huang Bingui3Ji Jianli1Liu Changzheng1He Renyang1Ren Xiaoting4
(1. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
(2. Beijing University Of Technology Beijing 100124)
(3. Pipeline Oil-transmitting Department of Qinghai Oilfi eld Germu 816000)
(4. Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province, Branch of Suqian Suqian 223800)

Abstract Main works of type tests of duplex stainless steel composite straight steel pipe explosive welding were introduced for the first time. The mechanical test for the base layer, the intergranular corrosion test for the composite layer, the austenite-ferrite ratio of the duplex stainless steel, the base/composite layer cohesion test and the ultimate bearing capacity of the composite pipe were emphatically introduced. The paper not only provided the reference for the following composite pipe's type tests, but also provided the basis for revising the related rules of composite pipe's type tests.

Keywords Type test Duplex composite stainless straight steel pipe Explosive welding

隨著工業生產的發展，壓力管道已經廣泛應用于石油、化工、冶金、國防等諸多領域，是很重要的特種設備，其在高溫、高壓、磨損或介質對金屬腐蝕等不利條件下操作，腐蝕、斷裂、磨損是金屬構件失效的三種主要方式，每年壓力管道由于內腐蝕造成的經濟損失十分巨大。為了減少經濟損失，通常采用更改管道壁厚的方法，但這使工程建設和使用成本增加，同時由于存在應力等不安全因素也使管道處于不安全狀態。因此，采用復合技術將耐腐蝕性好的不銹鋼復合層在鋼管的內壁，在腐燭環境條件下，管道內壁具有不銹鋼的耐腐燭性能，又擁有外層碳鋼的剛度和強度，因而性能十分優越，其應用前景、經濟價值和潛在市場十分廣闊。

型式試驗（Type-Test或Type-Examination）是為了驗證產品是否滿足安全技術要求而對一個或多個具有代表性的樣品進行合格性評定所進行的全部試驗，它是評價產品安全性能的重要手段，也是鑒定新產品過程中必不可少的環節，其主要目的是驗證企業是否具有生產符合安全性能要求的產品的能力。由于復合管原不屬于壓力管道元件范圍，因此，復合管的制造一般不進行型式試驗[1]。

2014年11月開始實施的特種設備新目錄中增加了“復合管”這一品種（標號7150）。國家質檢總局辦公廳通知《關于壓力管道氣瓶安全監察工作有關問題的通知》（質檢辦特〔2015〕675號）中也強調了新增加復合管為壓力管道元件，具體包括金屬與金屬復合、金屬與非金屬復合、非金屬與非金屬復合三類。由于過去法規對復合管型式試驗未進行要求的原因，關于復合管型式試驗方法的研究一直不太充分，行業內存在一定的爭議。

1 雙金屬不銹鋼復合直縫鋼管及其制造工藝

雙金屬不銹鋼復合管又稱雙層管或包覆管，它由兩種不同的金屬管材構成，基管為普通碳鋼管或低合金鋼管，主要承載管道系統的工作壓力，內襯管根據腐蝕環境不同而選用不銹鋼、鎳基合金等其他耐蝕合金材料，主要發揮其耐腐蝕特性[2，3]。

雙金屬不銹鋼管管層之間采用特殊工藝連接形成緊密結合。受外力作用時，內外管材同時變形且界面不分離。雙金屬不銹鋼復合管按照界面結合類型主要分為：機械結合、冶金結合和擴散結合[4]。目前國內外比較成熟的雙金屬不銹鋼復合管成型工藝主要有軋制、擠壓、堆焊等傳統工藝和電磁成型、離心鋁熱劑法等新興成型工藝[5]。

本次型式試驗用的復合鋼管，其制造原材料復合板采用爆炸焊接制作。爆炸焊接[6]也稱爆炸復合，是融合壓力焊、擴散焊、熔化焊“三位一體”的固態焊接新技術，其焊接過程是以炸藥為能源，利用炸藥爆炸產生的轟擊波和釋放出的大量能量來實現異種材料之間的熔合，其特點是能在瞬間使復層金屬和基層金屬的兩個面產生高速碰撞，并在撞擊面上發生塑性變形、熔化、原子間的相互擴散等一系列復雜的物理和化學反應，使不同的金屬材料在爆炸的過程中達到冶金復合狀態，其原理如圖1所示。可適用于板材、管材的焊接，焊接界面呈現微小波紋狀[7]，焊接產品兼有兩種或多種金屬性能，結合強度高，且焊接后的板材機加工性能優良，工藝簡單，使用方便[6]。

圖1　爆炸復合示意圖

利用爆炸焊接板材生產的雙金屬不銹鋼管具有高強度、高耐腐蝕、管道內壁光滑、摩擦阻力小、低成本等特點，可以廣泛應用于石油天然氣輸送、海洋工程、化工等行業。制備雙金屬不銹鋼管的具體工藝流程如圖2所示：

圖2　雙金屬不銹鋼管的制備工藝流程圖

2 雙金屬復合管型式試驗工作內容的確定

特種設備的型式試驗必須是由國務院特種設備安全監督管理部門核準的型式試驗機構進行檢測，是一種全面的技術審查和性能測試，必要時可以進行破壞性試驗。每種特種設備產品都有與其所適用的安全技術規范或產品標準。壓力管道元件型式試驗程序主要包括設計審查、檢驗與試驗、出具型式試驗報告和證書等步驟[1]。

根據TSG D2001—2006《壓力管道元件制造許可規則》的相關要求，許可規則所規定的許可項目中沒有直接針對金屬復合管的制造許可項目，但是根據爆炸焊接雙金屬不銹鋼復合管的制造工藝，其承壓部分主要為基層碳鋼管，許可規則中較為接近的項目為焊接鋼管—直縫埋弧焊鋼管—A1石油天然氣輸送管道用直縫埋弧焊鋼管這個類別，因此根據TSG D7002—2006《壓力管道元件型式試驗規則》的相關要求，其基層碳鋼管部分的試驗內容主要按照該規則試驗單元Ⅰ-1的要求進行。

對于雙金屬復合管的生產和檢驗，一般執行石油天然氣行業標準SY/T 6623—2012《內覆或襯里耐腐蝕合金復合鋼管規范》。對復合層的試驗內容主要考慮參考SY/T 6623—2012的相關要求進行，兼顧考慮SY/T 6623—2005《內覆或襯里耐腐蝕合金復合鋼管規范》版的相關要求。

因此，本次型式試驗設計審查內容主要包括：鋼管的成型工藝方法和要求，無損檢測方法和比例，鋼管對接焊縫和焊縫補焊焊接工藝的評定試驗，檢驗和試驗的要求等；檢驗和試驗的內容主要包括：外現檢查、幾何尺寸檢測，基管母材和焊縫的化學成分分析、金相組織、硬度，鋼管力學性能（縱向拉伸、橫向拉伸、壓扁、斷裂韌性），鋼管焊縫焊接接頭力學性能（焊接接頭拉伸試驗、延性試驗），耐壓（靜水壓）強度，鋼管及焊縫無損檢測，鋼管殘余應力檢測，鋼管極限承載能力[或者補充耐壓（靜水壓）]強度測試，鋼管抗變形能力測試，襯管晶間腐蝕試驗、復合管靜水壓試驗、雙相不銹鋼鐵素體/奧氏體比率測試和復合管粘結力試驗等。

3 部分型式試驗結果及討論

3.1 試驗產品規格

本次型式試驗抽樣產品具體參數詳見表1。

表1　進行型式試驗的產品規格

3.2 基管力學性能試驗

拉伸實驗結果見表2，由表2可知，試樣基管所檢項目（Rt0.5、Rm、A）均符合API Spec 5L：2007《管線鋼管規范》中9.3節關于PSL2等級的拉伸試驗要求，拉伸試驗合格。

表2　復合管拉伸試驗性能測試結果

對基管焊縫正反面分別進行彎曲試驗測試，彎曲角度180°，彎心直徑100mm，結果顯示抽樣產品試樣均未出現裂紋、裂縫或斷裂現象，表明接頭塑性良好，符合API Spec 5L：2007中10.2.12節的相關要求，彎曲試驗結果合格。

按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》的相關要求將試驗樣品加工成尺寸大小為10mm×10mm×55mm的試樣進行沖擊試驗，結果顯示抽樣產品基管母材和焊縫試樣在-10℃下夏比（V型缺口）沖擊試驗沖擊功和剪切面積結果詳見表3，均大于試驗方案的規定數值，符合API Spec 5L：2007中9.8.2節的要求，沖擊試驗合格。

表3　夏比沖擊試驗V型缺口沖擊測試結果

將試驗樣品加工成尺寸為25.60mm×4.66mm大小的試樣，在液壓萬能試驗機上進行粘結力測試，結果顯示粘結強度達546MPa，大于標準要求值140MPa[8]，滿足實際應用要求；

將抽樣產品基管的母材和焊縫在HBE-3000電子布氏硬度計上進行硬度實驗[9]，結果顯示抽樣產品試樣基材的母材和焊縫的最大硬度值為210HB，符合試驗方案中規定的基材鋼管的硬度值應低于327HB的要求，硬度試驗合格。

3.3 晶間腐蝕實驗

將試樣表面用砂紙進行研磨，之后放入加銅屑的微沸硫酸+硫酸銅+水溶液中連續腐蝕16h，然后對焊縫部位彎曲180°，在10倍放大鏡下觀察是否有裂紋產生，試樣腐蝕試驗結果如圖3所示，由圖3可以看出，經16h腐蝕后，樣品表面無紅銅，彎曲后無裂紋產生，符合SY/T 6623—2005標準要求，晶間腐蝕實驗合格。

圖3　晶間腐蝕實驗結果

3.4 鐵素體/奧氏體比率檢測

對2根雙相不銹鋼鋼管進行鐵素體/奧氏體比率測試，試驗按照SY/T 6601—2004《耐腐蝕合金管線鋼管》中第8.1節進行，雙相不銹鋼鋼管鐵素體/奧氏體比率（以下簡稱F/A）應在0.35～0.65之間，見表4。F/A的測定應在耐腐蝕層的3個點上進行，三組讀數的平均值應在規定范圍內。

表4　雙相不銹鋼鋼管F/A比率

3.5 粘結力試驗

根據ASME A264《鉻-鎳不銹鋼復合鋼板進行粘結力試驗》中7.2.1條的相關規定進行粘結力測試，覆層合金和基體合金的最小剪切強度應為20000psi （140MPa），詳見表5。

表5　進行粘結力測試的產品規格

3.6 金相組織

復合管基材、復材及其焊縫金相組織如圖4所示，可以看出基材母材和焊縫均由鐵素體和珠光體組織構成，復材母材的金相組織為奧氏體和鐵素體雙相組織；復材焊縫金相組織為奧氏體和鐵素體雙相鑄態組織。試樣基材的母材和焊縫的晶粒度均為11.0，由于相關標準中沒有金相組織合格指標，數據僅供業內同行參考。

圖4　復合管基材、復材金相組織

3.7 極限承載能力及抗大變形能力

選取3根復合管，按SY/T 6623—2005中第8.4節要求進行水壓試驗，直至復合管爆破，測定復合管爆破時的壓力值，受壓管的最小長度為鋼管外徑的6～8倍，但需不超過12.19m。試驗前測量試樣的外徑和壁厚。1）試驗時，先將空氣排凈再加壓，升壓速率控制在34MPa/min以下；2）試驗中，全程采集內壓和體積應變，屈服和爆破時的體積應變值反映復合管的極限應變能力。

將抽樣產品在20.7MPa的水壓下保壓10s，未發生泄漏或變形，符合SY/T 6623—2005中的相關規定。圖5為極限承載能力現場實驗圖，由圖5（b）壓力-時間曲線圖可以看出隨著時間的延長，管內水壓不斷增大，當壓強增大到119.6MPa時，管體沿縱向發生開裂，超過計算爆破壓力值；表明鋼管極限承載能力符合SY/T 6623—2005中第8.4節中關于測試值應不小于63.3MPa的規定。在室溫條件下對抽樣產品進行抗大變形能力試驗，由圖5（c）進水量-時間曲線圖可以看出，結果顯示在屈服壓強為85.1MPa下的進水量為10.971m3,體積變化率為6.73%；在爆破壓力為119.6MPa下的進水量為18.490m3，體積變化率為11.35%。由于抗大變形能力沒有合格指標，數據僅供業內同行參考。

圖5　極限承載能力及抗大變形能力測試圖

4 結論

1）根據TSG D2001—2006的相關要求，該規則所規定的許可項目中沒有直接針對金屬復合管的制造許可項目，建議針對該類產品的型式試驗，應包括基層、復合層分別進行，同時還應考慮對基層和復合層之間的粘結力進行測試，主要進行的型式試驗項目至少包括：檢驗和試驗的內容主要包括：外現檢查、幾何尺寸檢測，基層母材和焊縫的化學成分分析、金相組織、硬度，基管力學性能（縱向拉伸、橫向拉伸、壓扁、斷裂韌性），基管焊縫焊接接頭力學性能（焊接接頭拉伸試驗、延性試驗）、復合管耐壓（靜水壓）強度、復合管及焊縫無損檢測、復合管殘余應力檢測、復合管極限承載能力[或者補充耐壓（靜水壓）]強度測試、復合管抗變形能力測試，襯管晶間腐蝕試驗、襯管雙相不銹鋼鐵素體/奧氏體比率測試和復合管粘結力試驗等。

2）型式試驗結果顯示采用爆炸焊接技術生產的X70/S31803內襯不銹鋼雙金屬復合鋼管，力學性能良好，耐腐蝕性能優異，復材組織為鐵素體和奧氏體雙相組織，相比例合適，各項性能指標均達到型式試驗方案要求標準，確認試驗結果符合TSG D7002—2006試驗單元Ⅰ-1的要求。型式試驗覆蓋的型號規格產品為：基管材質鋼級不高于L485MB（X70），壁厚≤23mm，復材材質為雙相不銹鋼，按照SY/T 6623—2012標準制造的雙金屬復合鋼管，建議允許該企業進行工業化生產。

參考文獻

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［8］ ASME A264鉻-鎳不銹鋼復合鋼板進行粘結力試驗[S].

［9］ GB/T 231.1—2009金屬材料 布氏硬度試驗[S].

收稿日期：（2015-06-30）

作者簡介：張華（1981～），男，碩士，室主任助理，從事壓力管道檢驗檢測、完整性管理等技術的研究和應用工作。

文章編號：1673-257X(2016)03-0012-05

DOI:10.3969/j.issn.1673-257X.2016.03.003

中圖分類號:X933.4

文獻標識碼：B