雙金屬復合管件制造技術綜述

杜衛鋒，李華軍，張向迎，苑穌文，王 磊，楊軍偉，閆振欣，劉振峰

（西安向陽航天材料股份有限公司，西安 710025）

0 前 言

雙金屬復合管具有耐高壓、耐腐蝕等優良的使用性能[1-2]，在石油、化工行業得到了廣泛的應用[3-4]。國外雙金屬復合管件研究及生產已有多年歷史[5]，耐蝕合金復合管件作為整個工藝管線中的關鍵配件[6]，已投入應用。近幾年，隨著雙金屬復合管的廣泛應用，國內耐蝕合金復合管件制造技術得到了較好的發展[7-8]。本研究從制造工藝出發，綜述了雙金屬復合三通、雙金屬復合彎頭、雙金屬復合異徑接頭和雙金屬復合法蘭的制造工藝，并對各種制造工藝的優缺點進行了對比總結。

1 雙金屬復合三通

1.1 國內外制造成型工藝

國外雙金屬復合三通的制造方式有冶金復合管熱擠壓成型工藝、冶金復合管冷擠壓成型工藝、碳鋼三通內襯堆焊成型工藝等[9]。

國內雙金屬復合三通的制造方式有冶金復合管熱擠壓成型工藝、冶金復合管冷擠壓成型工藝、碳鋼三通內襯堆焊成型工藝、冶金復合板熱模壓對焊成型工藝、機械復合管冷擠壓成型工藝、碳鋼三通內襯旋壓成型工藝以及復合管開孔焊接支管成型工藝等[10]。

1.2 制造成型工藝介紹

1.2.1 冶金復合管熱擠壓成型工藝

該制造成型工藝過程為：管坯準備（管坯為冶金無縫復合管或冶金復合板卷焊復合管，管坯的特點為直徑大于成型三通的直徑）→管坯壓扁（短半徑為成型三通的直徑）→局部加熱并將管坯放置三通模具中進行壓包（壓包處為三通支管處）→壓包處開孔，加熱后拉拔支管（根據支管的直徑不同，拉拔的次數為2～5 次，每次拉拔模具直徑不斷增加）→管口整形→熱處理→內外表面處理→試驗檢驗→坡口加工→復合三通成品。

該工藝特點：①適用于直徑≥ 219 mm 的三通成型；②壁厚均勻性較差，主管肩部的壁厚增厚，支管的壁厚減薄；③整個成型過程需要加熱多次，對耐蝕合金層的性能影響較大；④壓力成型設備為通用壓力設備，且壓力噸位較低；⑤成型模具的強度要求低，模具造價成本較低；⑥材料利用率低；⑦成型壓力較小，生產安全性較高；⑧成型溫度較高，工人勞動強度較大；⑨適用材料強度等級和壁厚等級較廣；⑩生產效率一般，生產成本較低。

1.2.2 冶金復合管冷擠壓成型工藝

該制造成型工藝過程為：管坯準備（管坯為冶金無縫復合管或冶金復合板卷焊復合管，管坯直徑與成型三通直徑一致）→管坯放置在三通模具中，兩端密封，管內部注水或油→管內部加壓形成內高壓，兩端加壓，在綜合壓力作用下擠壓出三通支管（根據管坯材料強度和壁厚不同，成型次數也不同）→支管開孔→管口整形→熱處理→內外表面處理→試驗檢驗→坡口加工→復合三通成品。

該工藝特點：①適用于直徑≤ 711 mm 的三通成型；②壁厚均勻性較好，主管壁厚整體增厚，支管壁厚不變；③整個成型過程為冷加工，對耐蝕合金層性能影響較小；④壓力成型設備為專用壓力設備，且壓力噸位較高；⑤成型模具強度要求高，模具造價成本較高；⑥材料利用率較高；⑦成型壓力較高，生產安全性較低；⑧成型溫度為室溫，工人勞動強度較小；⑨成型材料強度等級和壁厚等級較窄；⑩生產效率較高，生產成本較低。

1.2.3 碳鋼三通內襯堆焊成型工藝

該制造成型工藝過程為：準備碳鋼三通管坯（管端為平端，且三通的管程C 和出口M 需要加長）→三通內表面焊前處理→三通內壁堆焊（主管和支管自動堆焊，肩部的部分過渡區域手工補焊）→試驗檢驗→坡口加工→復合三通成品。

該工藝特點：①適用于直徑≥ 114 mm 三通的成型；②對碳鋼三通材料的強度等級沒有要求，壁厚要求≥ 9 mm；③堆焊設備自動化程度較高，工人勞動強度較小；④生產效率非常低，生產成本非常高。

1.2.4 冶金復合板模壓對焊成型工藝

該制造成型工藝過程為：準備冶金復合板→冶金復合板劃線和下料→板料加熱模壓→切割對接焊坡口→兩半三通對接焊接→試驗檢驗→坡口加工→復合三通成品。

該工藝特點：①適用于直徑≥ 219 mm 三通的成型；②整個成型過程需要加熱多次，對耐蝕合金層的性能影響較大；③材料利用率低；④成型材料強度等級和壁厚等級較廣；⑤生產效率一般，生產成本較低；⑥三通產品存在兩條焊縫，產品安全系數較低。

1.2.5 機械復合管冷擠壓成型工藝

該制造成型工藝過程為：準備管坯（管坯為機械復合管，管坯直徑與成型三通直徑一致，且基襯間隙進行密封焊接）→管坯放置三通模具中，兩端密封，管內部注水或油→管內部加壓形成內高壓，兩端加壓，在綜合壓力作用下擠壓出三通支管（管坯材料強度和壁厚不同，成型次數不同）→支管開孔→管口整形→熱處理→內外表面處理→試驗檢驗→坡口加工→管端進行封焊/堆焊→復合三通成品。

該工藝特點：①適用于直徑≤ 711 mm 三通的成型；②壁厚均勻性較好，主管壁厚整體增厚，支管壁厚不變；③整個成型過程為冷加工，對耐蝕合金層性能影響較小；④壓力成型設備為專用壓力設備，且壓力噸位較高；⑤成型模具強度要求高，模具造價成本較高；⑥材料利用率較高；⑦成型壓力較高，生產安全性較低；⑧成型溫度為室溫，工人勞動強度較小；⑨成型材料強度等級和壁厚等級較窄；⑩生產效率較高，成品率較低，生產成本較高。

1.2.6 碳鋼三通內襯旋壓成型工藝

該制造成型工藝過程為：準備碳鋼三通管坯（管端為平端）→三通內部裝配襯管→內襯旋壓成型→支管內襯開孔→管口整形→試驗檢驗→坡口加工→管端進行封焊/堆焊→機械復合三通成品。

該工藝特點：①對碳鋼三通材料的強度等級沒有要求；②整個成型過程為冷加工，對耐蝕合金層性能影響較小；③支管內襯的壁厚較薄；④生產效率較低，成品率較低，生產成本較高。

1.2.7 復合管開孔焊接支管成型工藝

該制造成型工藝過程為：準備冶金復合管或機械復合管→制作帶孔的復合管（冶金復合管直接開孔，機械復合管要先開孔后復合內襯）→焊接支管→試驗檢驗→坡口加工→管端封焊/堆焊→冶金或機械焊接復合三通成品。

該工藝特點：①對成型材料的強度等級沒有要求；②產品為焊接三通，安全系數較低。

1.3 復合三通制造工藝推薦

綜上，復合三通制造工藝優劣排序為：碳鋼三通內襯堆焊成型工藝＞冶金復合管冷擠壓成型工藝＞冶金復合管熱擠壓成型工藝＞復合管開孔焊接支管成型工藝＞冶金復合板模壓對焊成型工藝。

2 雙金屬復合彎頭

2.1 國內外制造成型工藝

國外雙金屬復合彎頭的制造方式有冶金復合管熱推制成型工藝、碳鋼彎頭內襯堆焊成型工藝、冶金復合管冷模壓成型工藝[11]等。

國內雙金屬復合彎頭的制造方式有冶金復合管推制成型工藝、碳鋼彎頭內襯堆焊成型工藝、冶金復合管冷模壓成型工藝、冶金復合板熱模壓對焊成型工藝、碳鋼彎頭內襯爆燃復合成型工藝等。

2.2 制造成型工藝介紹

2.2.1 冶金復合管熱推制成型工藝

該制造成型工藝過程為：準備管坯（管坯為冶金無縫復合管或冶金復合板卷焊復合管，管坯直徑小于成型彎頭直徑）→下料（根據推制彎頭需要的長度）→將短節管坯裝到推桿上→感應加熱推制彎頭→管口整形→熱處理→內外表面處理→試驗檢驗→坡口加工→冶金復合彎頭成品。

該工藝特點：①適用于直徑≤ 820 mm 彎頭的成型；②整個成型過程需要加熱，對耐蝕合金層性能影響較大；③成型過程為直徑變大，長度變短，壁厚變化不大；④成型溫度較高，工人勞動強度較大；⑤生產效率一般，生產成本較低；⑥推桿規格較多，推桿制造成本較高。

2.2.2 碳鋼彎頭內襯堆焊成型工藝

該制造成型工藝過程為：準備碳鋼彎頭管坯（管端為平端，且彎頭中心至端面距離需要加長）→彎頭內表面焊前處理→彎頭內壁堆焊（內壁分節進行堆焊，交接處需要進行補焊）→試驗檢驗→坡口加工→冶金復合彎頭成品。

該工藝特點：①適用于≥ 114 mm 直徑彎頭的成型；②對碳鋼彎頭材料強度等級沒有要求，壁厚要求≥ 9 mm；③堆焊設備自動化程度較高，工人勞動強度較小；④生產效率非常低，生產成本非常高。

2.2.3 冶金復合管冷模壓成型工藝

該制造成型工藝過程為：準備管坯（管坯為冶金無縫復合管或冶金復合板卷焊復合管，管坯直徑與成型彎頭直徑一致）→下料（兩個端面為45°斜面，兩個端面對稱）→管坯內部裝入拼裝芯棒→管坯放入彎頭模具中，模壓成型→管口整形→熱處理→內外表面處理→試驗檢驗→坡口加工→冶金復合彎頭成品。

該工藝特點：①適用于直徑≤ 219 mm 彎頭的成型；②壁厚均勻性較差，彎頭外側減薄，彎頭內側增厚；③整個成型過程為冷加工，對耐蝕合金層性能影響較小；④生產效率較高，生產成本較低。

2.2.4 冶金復合板模壓對焊成型工藝

該制造成型工藝過程為：準備冶金復合板→冶金復合板劃線和下料→板料加熱模壓→切割對接焊坡口→兩半彎頭對接焊接→試驗檢驗→坡口加工→冶金復合彎頭成品。

該工藝特點：①適用于直徑≥ 219 mm 彎頭的成型；②整個成型過程需要加熱多次，對耐蝕合金層性能影響較大；③材料利用率較低；④成型材料強度等級和壁厚等級較廣；⑤生產效率一般，生產成本較低；⑥彎頭產品存在兩條焊縫，安全系數較低。

2.2.5 碳鋼彎頭內襯爆燃復合成型工藝

該制造成型工藝過程為：準備碳鋼彎頭管坯和內襯彎頭管坯→碳鋼彎頭內表面處理和內襯彎頭外表面處理→將內襯彎頭裝入碳鋼彎頭中→兩端密封，爆燃復合→試驗檢驗→坡口加工→管端封焊/堆焊→機械復合彎頭成品。

該工藝特點：①整個成型過程為冷加工，對耐蝕合金層性能影響較小；②生產效率較高，生產成本較低；③成型過程對彎頭的尺寸影響較大，產品尺寸精度較差；④基襯為機械結合，結合強度較低。

2.3 復合彎頭制造工藝推薦

綜上，復合彎頭制造工藝優劣排序為：碳鋼彎頭內襯堆焊成型工藝＞冶金復合管冷模壓成型工藝＞冶金復合管熱推制成型工藝＞冶金復合板模壓對焊成型工藝＞碳鋼彎頭內襯爆燃復合成型工藝。

3 雙金屬復合異徑接頭

3.1 國內外制造成型工藝

國外雙金屬復合異徑接頭的制造方式有冶金復合管熱/冷模壓成型工藝、碳鋼三通內襯堆焊成型工藝等。

國內雙金屬復合異徑接頭的制造方式有冶金復合管熱/冷模壓成型工藝、碳鋼內襯異徑接頭堆焊成型工藝、冶金復合板熱模壓對焊成型工藝、冶金復合板卷制對焊成型工藝、碳鋼異徑接頭內襯爆燃復合成型工藝等。

3.2 制造成型工藝介紹

3.2.1 冶金復合管熱/冷模壓成型工藝

該制造成型工藝過程為：準備管坯（管坯為冶金無縫復合管或冶金復合板卷焊復合管，管坯直徑與成型異徑接頭的大端直徑一致）→下料→將管坯放入異徑接頭模具中模壓成型（根據變徑程度，管坯可能需要加熱）→管口整形→熱處理→內外表面處理→試驗檢驗→坡口加工→冶金復合異徑接頭成品。

該工藝特點：①整個成型過程不宜變徑過大，否則容易出現小端內襯脫落及起皺現象；②生產效率較高，生產成本較低。

3.2.2 碳鋼異徑接頭內襯堆焊成型工藝

該制造成型工藝過程為：準備碳鋼異徑接頭管坯（管端為平端，且異徑接頭的端面至端面距離需要加長）→異徑接頭內表面焊前處理→異徑接頭內壁堆焊→試驗檢驗→坡口加工→冶金復合異徑接頭成品。

該工藝特點：①適用于直徑≥ 114 mm 異徑接頭的成型；②對碳鋼異徑接頭材料的強度等級沒有要求，壁厚要求≥ 9 mm；③堆焊設備自動化程度較高，工人勞動強度較小；④生產效率非常低，生產成本非常高。

3.2.3 冶金復合板模壓對焊成型工藝

該制造成型工藝過程為：準備冶金復合板→冶金復合板劃線和下料→板料加熱模壓→切割對接焊坡口→兩半異徑接頭對接焊接→試驗檢驗→坡口加工→冶金復合異徑接頭成品。

該工藝特點：①整個成型過程需要加熱多次，對耐蝕合金層性能影響較大；②材料利用率較低；③成型材料強度等級和壁厚等級較廣；④生產效率一般，生產成本較低；⑤彎頭產品存在兩條焊縫，安全系數較低。

3.2.4 冶金復合板卷制對焊成型工藝

該制造成型工藝過程為：準備冶金復合板→冶金復合板劃線和下料→機加對接焊坡口→卷制→對接焊接→管口整形→試驗檢驗→坡口加工→冶金復合異徑接頭成品。

該工藝特點：①適用于直徑≥ 219 mm 異徑接頭的成型；②整個成型過程為冷加工，對耐蝕合金層性能影響較小；③材料利用率較低；④成型材料強度等級和壁厚等級較廣；⑤生產效率一般，生產成本較低。

3.2.5 碳鋼異徑接頭內襯爆燃復合成型工藝

該制造成型工藝過程為：準備碳鋼異徑接頭管坯和內襯異徑接頭管坯→碳鋼異徑接頭的內表面處理和內襯異徑接頭外表面處理→將內襯異徑接頭裝入碳鋼異徑接頭中→兩端密封，爆燃復合→坡口加工→管端封焊/堆焊→機械復合異徑接頭成品。

該工藝特點：①整個成型過程為冷加工，對耐蝕合金層性能影響較小；②生產效率較高，生產成本較低；③基襯為機械結合，結合強度較低；④可實現的變徑范圍較廣；⑤成型過程對異徑接頭尺寸影響較大，產品尺寸精度較差。

3.3 復合異徑接頭制造工藝推薦

綜上，復合異徑接頭制造工藝優劣排序為：碳鋼異徑接頭內襯堆焊成型工藝＞碳鋼異徑接頭內襯爆燃復合成型工藝＞冶金復合板卷制對焊成型工藝＞冶金復合管熱/冷模壓成型工藝＞冶金復合板模壓對焊成型工藝。

4 雙金屬復合法蘭

4.1 國內外制造成型工藝

國外雙金屬復合法蘭的制造通常采用碳鋼法蘭堆焊成型工藝，國內雙金屬復合法蘭的制造方式有碳鋼法蘭堆焊成型工藝、碳鋼法蘭內襯爆燃復合成型工藝等。

4.2 制造成型工藝介紹

4.2.1 碳鋼法蘭堆焊成型工藝

該制造成型工藝過程為：準備碳鋼法蘭毛坯（毛坯為后續尺寸加工留有余量）→堆焊表面焊前處理→法蘭內壁和環接觸面堆焊→試驗檢驗→機械加工→冶金復合法蘭成品。

該工藝特點：①適用于直徑≥ 89 mm 法蘭的成型；②對法蘭材料的強度等級沒有要求，壁厚要求≥ 9 mm；③堆焊設備自動化程度較高，工人勞動強度較小；④生產效率較低，生產成本較高；⑤適合法蘭結構形式較多。

4.2.2 碳鋼法蘭內襯爆燃復合成型工藝

該制造成型工藝過程為：準備碳鋼法蘭成品（對接端為平端處理）和內襯管→碳鋼法蘭內表面處理和內襯管外表面處理→內襯管裝入碳鋼法蘭中→兩端密封，爆燃復合，法蘭內壁內襯完成→法蘭環接觸面堆焊處理或貼片處理→試驗檢驗→坡口加工→對接端封焊/堆焊→復合法蘭成品。

該工藝特點：①適用于直徑≥ 48 mm 法蘭的成型；②對法蘭材料的強度等級沒有要求；③生產效率一般，生產成本一般；④法蘭環接觸面的貼片處理方式適合環接觸面為平面結構的法蘭。

4.3 制造工藝推薦順序

復合法蘭制造工藝優劣排序為：碳鋼法蘭堆焊成型工藝＞碳鋼法蘭內襯爆燃復合成型工藝。

5 管件材料類型選擇方案

（1）當管件外徑≤ 114 mm 時，由于管件直徑較小，純材管件價格小于復合管件價格，且復合管件不易生產制造，所以實際工程應用推薦選擇純材管件。

（2）當114 mm≤ 管件外徑≤ 219 mm 時，選擇方案如下：①為內襯316L 或2205 的復合管配套管件時，由于內襯材料316L 或2205 價格相對便宜，且管件為中小直徑，純材管件價格小于復合管件價格，所以實際工程應用推薦選擇純材管件；②為內襯825 或625 復合管配套管件時，雖然管件為中小直徑，但是內襯材料825 或625 價格相對較貴，導致復合管件價格小于純材管件價格，所以實際工程應用推薦選擇復合管件。

（3）當管件外徑≥ 273 mm 時，選擇方案如下：①為內襯316L 或2205 復合管配套管件時，雖然內襯材料316L 或2205 價格相對便宜，但由于管件為中大直徑，復合管件價格小于純材管件價格，所以實際工程應用推薦選擇復合管件；②為內襯825 或625 復合管配套管件時，由于內襯材料825 或625 價格相對較貴，且管件為中大直徑，復合管件價格小于純材管件價格，所以實際工程應用推薦選擇復合管件。

6 結束語

從雙金屬復合管件制造工藝的優劣排序來看，采用堆焊成型工藝生產制造復合管件為優選工藝，但是針對具體的工程應用項目，還需要綜合考慮管件原材料的采購難易程度、管件的直徑大小、管件的材料類型以及管件的生產數量等因素，最終確定一種性價比較高和生產制造較合理的雙金屬復合管件生產制造工藝。