油氣輸送用雙金屬復合管的生產工藝分析及質量控制

常永剛，王長安，楊專釗，吳金輝，張圣光

（1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101；2.中國石油集團石油管工程技術研究院石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室，西安710077；3.山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博255082）

油氣輸送用雙金屬復合管的生產工藝分析及質量控制

常永剛1,2，王長安1,2，楊專釗1,2，吳金輝1,2，張圣光3

（1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101；2.中國石油集團石油管工程技術研究院石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室，西安710077；3.山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博255082）

為了得到力學性能和抗腐蝕性能均符合油氣輸送用雙金屬復合管的制造工藝，介紹了雙金屬復合管的結構特點、性能特點及生產工藝，總結了其經濟及技術優勢，分析了雙金屬復合管生產過程的質量控制要點。指出，油氣輸送用雙金屬復合管基層一般采用碳鋼及合金鋼等，內層采用不銹鋼及鎳基合金等，通過冶金復合板焊接成型；利用“兩步法”生產螺旋焊管或UOE和JCOE生產直縫鋼管，不僅可以生產大直徑雙金屬復合管，而且可較大地提高生產效率，避免機械復合的缺點。同時，還提出了未來雙金屬復合管需要改進的一些方面。

雙金屬復合管；生產工藝；基層；襯里；抗腐蝕

Abstract:In order to get the manufacturing process of bimetal clad pipe which mechanical properties and corrosion resistance are in conformity with the oil and gas transportation，in this article，it firstly introduced the structure characteristics，performance characteristics and manufacturing process,summarized the economic and technical advantages，then analyzed the quality control key points in production process.It pointed that the base layer of bimetal clad steel pipe is usually carbon steel，alloy steel，the inner lining is stainless steel,nickel base alloy，etc.Adopting metallurgy composite plate welding forming.Using two-step method to produce SAWH pipe,UOE and JCOE to manufacture SAWL pipe，it not only can produce large diameter bimetal clad pipe，but also significantly improve the production efficiency，avoid the shortcomings of mechanical composite.At the same time，it put forward the aspects in need of improvement in future.

Key words:bimetal clad pipe；production process；base layer；lining；anti-corrosion

隨著時間的推移，一些輸送油氣資源的管道會因腐蝕發生泄漏，甚至發生更嚴重的事故。而傳統耐蝕合金管或鎳基合金管道，因為高昂的建造成本不能大范圍應用于輸送管道建設，因此價格相對低廉又能輸送含有腐蝕性介質的雙金屬復合管被開發出來。國內的塔里木油田、長慶油田、普光氣田等對雙金屬復合管的應用越來越多。中海油也建成了幾條雙金屬復合管海底管道，比如崖城、平黃一期、平黃二期等海底管道。

1 雙金屬復合管簡介

雙金屬復合管一般由起強度作用的基層或基管和耐腐蝕的襯層或襯管組成。雙金屬可以發揮兩種單一金屬的優點，具備特殊的理化及力學性能，滿足高強度、高比剛度、抗疲勞性、尺寸穩定、耐磨、抗震、抗腐蝕等要求，同時可以大大節省稀有金屬的使用量，降低制造成本。

雙金屬復合管有兩種結構，一種是外層為基層，主要采用碳鋼及合金鋼等，內層為襯層，主要采用不銹鋼及鎳基合金等；另一種則與第一種相反。兩種雙金屬復合管根據適用范圍及要求來選用，比如堿液回收鍋爐用管設計為304L/20G，油氣輸送用雙金屬復合管一般采用第一種結構。

目前國內雙金屬復合管制造廠家及使用情況見表1。

表1 國內雙金屬復合管制造廠家及使用情況

2 雙金屬復合管的生產工藝分析

目前已經大范圍推廣使用的復合工藝有機械復合工藝和冶金復合工藝。選用原則一般應結合服役環境、經濟性、質量需求等來決策。

2.1 機械復合工藝

機械復合又分為水壓法、冷拔法、熱膨脹法、爆炸焊接法、包復焊接法等，目前國內以水壓復合和爆炸復合工藝為主。機械復合工藝因具有生產工藝簡單、工序較少、生產成本較低等特點，應用較為廣泛，但由于兩種金屬間無冶金結合面，結合強度較低，界面屬于非擴散結合，在高溫情況下易發生分層，導致雙金屬失效，在一定程度上限制了機械復合管的應用范圍[1-3]。

機械復合成型工藝的特點為：

（1）水壓復合。該工藝主要是通過液體膨脹內襯管和基管實現緊密貼合。將裝配好的基管和內襯管兩端完全密封，管內注入液體后逐步增壓，內襯管隨著壓力的增加在直徑方向向外擴張，使得內襯管達到隨性變形，而基管彈性變形，達到一定的量值時釋放壓力，基管回彈，內襯管保持塑性變形而實現復合。此工藝的優點為工藝簡單、管內壓力分布均勻。缺點是結合力較小，雖然各點壓力均衡但極易受到內襯管厚度和不規則程度的影響，內襯管壁厚較厚處與基管不能完全貼合，高溫下易產生應力松弛而分層失效。

（2）爆炸復合。將裝配好的基管和內襯管置于水槽內，將炸藥放置在內襯管軸線上，通過炸藥爆炸引起管內水壓瞬間增高，瞬間增高的水壓使襯管沿直徑方向向外擴張，內襯管緊貼基管內表面且達到塑性變形，基管彈性形變，當壓力釋放時基管回彈和內襯管緊密結合。與其他復合工藝相比，爆炸復合在現場適用案例較多，此工藝的優點是一次成型，工藝簡單，爆炸形成各點壓力基本相同。但是由于基管內表面和襯管外表面存在不規則以及壁厚不均勻等影響，形成的復合管結合力較小，炸藥量的控制對內襯管充分塑性變形有一定的影響。

2.2 冶金復合工藝

冶金復合工藝主要有熱擠壓法、熱軋法、離心鑄造法、離心鋁熱法、復合板焊接法、冷加工擴散法、粉末冶金法、噴射成型法及電磁成型法等。冶金復合方式具有較高的結合強度，但是經濟成本高，生產工藝復雜。相較于機械復合管，兩種金屬間存在冶金結合面，結合強度高，界面屬于擴散結合。因此，在一些特殊要求的部位或要求壓力較大的管線，應優先選用雙金屬冶金復合管。

冶金復合工藝的特點為：

（1）熱擠壓復合。將兩種表面經清潔處理后的金屬組裝成擠壓坯，在一定的溫度下加載一定壓力進行擠壓，使兩種金屬緊密接觸并達到復合。優點是復合成型工藝簡單，結合力較強。缺點是內襯管為耐蝕合金，可能產生壁厚波動，并由于變形不一致容易產生裂紋。

（2）熱軋復合。將兩種或兩種以上的金屬材料用熱軋法生產復合材料，此工藝是當前復合板材生產的主要方法。隨著復合軋制技術的發展，復合板材的寬度在不斷增加。熱軋復合的工藝過程包括組元層坯料選擇及準備、加熱、軋制（軋合）和軋制后熱處理。優點是結合強度高，工藝簡單，生產效率高，質量好，成本低，可大量降低金屬材料的損害。缺點主要是一次性投資大，材料選擇范圍小，溫度升高對材料性能有一定影響。

（3）離心鑄造復合。利用離心鑄造技術分層澆鑄不同成分的金屬液，使得內外金屬的熔合層控制在一定厚度范圍內，形成完全的冶金熔合。這種復合技術的優點是組織致密，晶粒細小，過渡層較厚，應力小，夾雜物少，工藝簡單。缺點是易產生偏析，表面較為粗糙，內表面尺寸不易控制。

（4）采用冶金復合板焊接成型。利用雙金屬復合板通過“兩步法”生產螺旋焊管或UOE和JCOE生產直縫鋼管。此工藝不僅可以生產大直徑雙金屬復合管，而且較大地提高了生產效率，避免了機械復合的缺點。這種成熟、簡單、合理的焊接工藝和焊接順序可以保證復合管的力學性能和抗腐蝕性能，而且制造成本相對較低[4-6]。

3 雙金屬復合管的質量控制

目前常用的復合管標準有美國石油學會的API 5LD《Specification for CRA Clad or Lined Steel Pipe》、 SY/T 6623—2012《內覆或襯里耐腐蝕合金鋼管》（等同采用API 5LD）以及挪威船級社的DNV OS F101《Submarine Pipeline Systems》。 作為陸地石油、天然氣管線和海洋復合管管線的國際標準，前者為雙金屬復合管的專用標準，涵蓋了機械復合管和冶金復合管，后者部分涉及到了雙金屬復合管。

3.1 復合前的質量控制

復合管在復合前需要對原材料做相應的復驗試驗。復合管基管常用的制造標準有API SPEC 5L和GB/T 9711—2011《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》。對于襯管目前常用的制造標準有 API 5LC《Specification for CRA Line Pipe》和GB/T 12771《流體輸送不銹鋼焊接鋼管》（等同采用 API 5LC）。

機械復合管在復合前應注意基管內除銹的溫度和濕度情況，環境濕度小于80%，基管表面溫度高于露點溫度5℃時可進行操作，除銹等級需要達到Sa2.5級[7]。為了得到更好的剪切強度，對基管內壁處理的相關參數進行控制也是非常必要的，比如錨紋深度和表面清潔度。

3.2 復合過程中的質量控制

復合管復合過程中要保證壓力處在可控范圍內，且嚴格符合設計工藝要求。原則上基管不能承受塑性變形，同時需要保證基管和襯管之間的清潔和干燥且不得進水。爆炸復合管是在水下進行，水壓復合時管內充滿乳化液，如果密封工藝有問題，基管和襯管之間進水，殘留在層間的液體容易引起基管的銹蝕，而且會影響堆焊質量。基管和襯管之間復合前需要抽真空，以保證內外管之間的水汽得到充分排放。

3.3 復合后的質量控制

機械復合后需對復合管進行外觀及尺寸檢查、內窺鏡檢查、動態應變檢驗、剩磁檢查、靜水壓試驗、力學性能試驗、拉伸試驗、夏比沖擊試驗、硬度試驗、壓扁試驗、結合強度試驗、腐蝕試驗、金相檢驗、塌陷試驗、四點彎曲試驗及無損檢測。

冶金復合管復合后需要做外觀及尺寸檢查、內窺鏡檢查、動態應變檢驗、剩磁檢查、靜水壓試驗、力學性能試驗、拉伸試驗、夏比沖擊試驗、硬度試驗、壓扁試驗、導向彎曲試驗、腐蝕試驗、金相檢驗、結合強度試驗及無損檢測。

需要強調的是復合管的水壓試驗，應嚴格控制水中Cl-含量小于30 mg/L[8]。水壓過程中要求壓力保持穩定，且不允許增補壓力。

對于復合管的無損探傷，特別是超聲波檢測人員，應進行相應的專項培訓。由于材料晶粒的變化及界面的存在，給超聲波探傷帶來了很多干擾因素。但由于超聲波對裂紋的檢出率很高，因此不能舍棄，這就增加了對探傷人員的特殊要求。

3.4 機械復合管的管端質量

冶金復合管管端沒有特殊要求，但對于機械復合管管端，由于內外管結合面未熔合在一起，存在微小的空隙，為了避免水分進入，需要對復合管的管端進行封焊或者堆焊處理。

需要注意的是封焊管端的復合管不適合在現場進行切割或打磨，需預先設計坡口在制造廠加工。

堆焊封口的復合管管端部分可在現場進行切割和打磨。對于管端堆焊復合管，一般需進行堆焊工藝評定，堆焊時需嚴格控制焊接工藝參數、預熱溫度、層間溫度、焊速等，還需要進行堆焊層無損檢驗、化學分析、硬度和金相檢測、腐蝕試驗、堆焊層金屬化合物檢測以及力學性能試驗[9]。

4 油氣輸送用管性能比較

雙金屬復合管在抗腐蝕性能方面與抗腐蝕合金管基本沒有差異，在強度方面優于碳鋼鋼管和一般合金管，價格是抗腐蝕合金管的一半左右，使用壽命遠高于碳鋼鋼管。雙金屬復合管綜合了強度、抗腐蝕性、耐磨性、耐高溫、耐高壓、經濟等綜合性能[10]。表2是國內某專業研究機構對油氣輸送用各種管道綜合性能的比較分析，可以看出雙金屬復合管綜合性能優良。

表2 雙金屬復合管與其他管道的綜合性能比較

5 結束語

雙金屬復合管因其良好的綜合性能，在石油天然氣行業得到了比較廣泛的應用。目前國內投產的幾條管線的應用均獲得了較好的評價。未來雙金屬管在襯管材料的選用、制造檢驗標準化、復合工藝、檢測技術方面需做更進一步的工作，以對其更為廣泛的應用奠定牢固的基礎。

[1]孫育祿，白真權，張國超，等.油氣田防腐用雙金屬復合管研究現狀[J].全面腐蝕控制，2011，5（5）：10-16.

[2]曾德智，杜清松，谷壇，等.雙金屬復合管防腐技術研究進展[J].油氣田地面工程，2008，27（12）：64-65.

[3]郭崇曉，張燕飛，吳澤.雙金屬復合管在強腐蝕油氣田環境下的應用分析及其在國內的發展[J].全面腐蝕控制，2010，24（2）：13-17.

[4]李發根，魏斌，邵曉東，等.高腐蝕性油氣田用雙金屬復合管[J].油氣儲運，2010，2（5）：359-362.

[5]趙崢，陶鋼.雙金屬復合板的新制備工藝[J].材料開發與應用，2018，10（5）：48-51.

[6]鞏國平.雙金屬復合管的擠壓生產工藝[J].鋼管，2014，4（2）：36-40.

[7]ISO 8501－1：2007，Preparation of Steel Substrates Before Application of Paints and Related Products[S].

[8]SY/T 6623—2012，內覆或襯里耐腐蝕合金鋼管[S].

[9]胡春紅，李秀鋒，熊海榮，等.海上油氣田海底管道用耐腐蝕合金復合管[J].石油化工與設備，2015，3（2）：85-88.

[10]錢樂中.油氣輸送用耐腐蝕雙金屬復合管[J].特殊鋼，2007，28（4）：42-44.

Production Process Analysis and Quality Control of Bimetal Clad Steel Pipe Used for Oil and Gas Transportation

CHANG Yonggang1,2，WANG Changan1,2，YANG Zhuanzhao1,2，WU Jinhui1,2，ZHANG Shengguang3
（1.Beijing Longshine Oil Tubular Technology Co.,Ltd.,Beijing 100101，China；2.State Key Laboratory of Performance and Structural Safety for Petroleum Tubular Goods and Equipment Material，CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi’an 710077，China;3.Shandong Shengli Steel Pipe Co.,Ltd.,Zibo 255082，Shandong，China）

TG335.83

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.04.010

2017－01－09

編輯：羅 剛

常永剛（1979—），男，工程師，主要從事油氣輸送管道及石油裝備無損檢測、質量控制等方面的工作。