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双金属复合钢管及衬塑复合钢管国内外发展述评

2019-07-12 上海钢管行业协会 阅读

【内容提要】本文论述了国内外应用双金属复合管的概况,目前国内应用双金属复合钢管于石油、化工、电力、食品、医药、水工等行业累计长度约2500公里,得到较快发展。双金属复合钢管成型技术有塑性成型法(机械成型法)和非塑性成型(冶金成型法),所谓塑性成型就是利用外基管的弹性极限变形紧缩衬管的塑性变形,来实现内外层钢管紧密结合。重点述评了机械成型法的具体工艺有水压法、拉拔法和旋压法,其共同的力学性能例如成型过程的受力状况分析及理论计算推导出钢管内压力的极限值和相应的接触应力公式等。双金属复合钢管的内衬管为不锈钢管,价格比衬塑复合钢管贵,因此,农村建设如农田浇灌及地方供水设施,近年来这方面建设项目招标都大量采用衬塑复合钢管。关于衬塑复合钢管国内有热胀法和缩径法两种制造方法,热胀法需要粘结剂,在炉内加热,空气加压,工艺较复杂;而缩径法是用微张力减径机将外基管逐步减少内径,使之与衬塑管外径接触并适当压缩产生接触应力而达到结合面有夹接力,阻止轴向松动。缩径法工艺较简单,造价较便宜,并有利于环保。

1.双金属复合钢管国内外应用概况

国外双金属复合管发展较早,技术较为成熟,在油气田应用量约有30万吨。例如德国的Butting公司是世界上最早开发、最先进的金属复合管制造企业,目前已累计生产机械复合管约5万吨,大部分用于海底管线。英国proclad公司的金属复合管产品多是出口到中东油气产区,如埃及、阿曼、沙特、卡塔尔和阿布扎比等国的石油公司。美国的cladtek公司、日本的新日铁公司、日本钢管公司等金属复合管产品技术完善,位于世界前列。

国内双金属复合管技术起步较晚,但2001年在我国油气田应用以来,发展迅速,从石油天然气行业向化工、电力、锅炉、食品、制药、水工等行业广泛发展,使双金属复合管应用领域进一步拓宽,目前国内累计应用双金属复合管长度约2500公里。国内双金属复合管制造企业无论数量、技术、能力、规模,还是创新研发、营销策划,都得到较快的发展。目前国内双金属复合管制造重点企业及其主要用户,见表1.

表1. 国内双金属复合管制造重点企业及其主要用户

序号

重点制造企业名称

成型方式

石油天然气行业用户

1

浙江天管久立特材有限公司

冶金复合/机械复合

中海油、中石油、中石化

2

西安向阳航天材料有限公司

机械复合

中海油、中石油、中石化

3

江苏众信绿色管业科技有限公司

机械复合

中石油

4

上海天阳钢管有限公司

冶金复合/机械复合

中石油

5

广州番禺珠江钢管有限公司

机械复合

中海油

6

四川惊雷科技有限公司

冶金复合

中石油、中石化

7

新兴铸管股份有限公司

冶金复合

中石油

8

上海海隆复合钢管有限公司

机械复合

中海油、中石油

9

苏州威尔汉姆堆焊技术公司

冶金复合

英国石油公司、中海油

10

大连合生科技开发有限公司

冶金复合/机械复合

中海油、中石化

11

沧州隆泰迪管道科技公司

机械复合

中海油、中石油

2. 双金属复合管成型技术发展概况

在油气集输过程中,由于油气中含有大量的H2S、CO2和Cl-等腐蚀介质,对集输管线造成严重的腐蚀破坏,普通碳钢管不能满足管线的安全服役的要求;而用耐蚀合金钢管则造价太贵并且消耗大量合金元素。因而双金属复合管则兼顾了碳钢管优良的力学性能和耐蚀合金管良好的耐腐蚀性能,因而性价比高。这就决定了双金属复合管的结构组成:基管主要承担管道系统的压力要求,保证整体管道的力学性能,降低成本;衬管主要承担管道系统的耐腐蚀要求,提高管道的耐腐蚀性能,延长管道的使用寿命。基管和衬管如何选材?如何结合?一般来说,双金属复合管是以碳钢或低合金钢为基层管,在其内壁覆衬一薄壁不锈钢或镍合金钢管(一般壁厚为2-3毫米)。管线管领域应用的基管采用钢级主要为L320N、L360、L415和L450(X65)等,衬层不锈钢管采用的钢级有:OCr18Ni9、00Cr19Ni10、0Cr25Ni20和022Cr17Ni12MO2(316L)等,X65和316L为美国标准牌号。表2举例列出L450(X65)及316L力学性能。

表2. X65/316L力学性能参数举例

材质

屈服强度/ Mpa

抗拉强度/Mpa

伸长率/%

屈强比

L450(X65)

510

570

18

0.90

316L

320

635

61.5


2.1 双金属复合管成型技术概况

2.1.1 双金属复合管成型技术的基本原理

按照双金属复合管的成型原理,其成型方式分为塑性成型法和非塑性成型法两大类。所谓塑性成型法是利用金属管材的弹塑性原理即基管的弹性和衬管的塑性变形来实现内外层之间紧密结合的一种复合工艺。所谓非塑性成型法是通过压力或温度达到金属的熔点促进基管内层和衬管外层表面的原子扩散,而实现界面冶金结合一种复合工艺。塑性成型法是通过机械方式来实现,故又名机械成型;非塑性成型法是通过冶金方式来实现,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种方法:一种是热轧制,对复合金属板压力轧制,实质是“压力焊”,将两表面焊接在一起,适用于碳钢和不锈钢焊接复合管的制造。另一种是热挤压,实质也是“压力焊”,适用于碳钢、不锈钢和高镍合金无缝复合管的制造。第三种是离心铸造,适用于内衬金属熔点低于外层金属熔点的复合管。

冶金成型法适用于高温环境下服役的双金属复合管。当工况条件对温度不高时可用机械成型法制造双金属复合管。机械成型法相对于冶金成型法,一次性投资较少,工艺设备不复杂,工序较少,而且适应于多品种、少批量的市场需求,因此,应用较广泛。

2.1.3 机械成型法。机械成型法有机械扩径及爆炸扩径法、定径法等。由于机械扩径方式的不同,又分为机械拉拔法、锥形涨缩头扩径法、滚珠旋压式扩径法和水压扩径法等,以达到衬管扩径与基管实现紧密结合;爆炸法是用炸药爆炸引起衬管内水压增高达到扩径实现与基管机密结合。定径法是基管缩径从而实现与衬管紧密结合。机械成型法举例如图1、图2、图3所示。其中图2滚珠旋压法为江苏众信绿色管业科技公司所独创。

IMG_20190604_084629_resized_20190604_085229240.jpg

2.1.4 机械式复合管的力学性能问题剖析

双金属复合管机械成型是非常复杂的弹塑性变形过程,存在物理非线性和几何非线性,力学的边界条件往往也很复杂。在理论分析时作了简化,例如:假定金属材料为理想弹塑材料,采用有限元模拟的方法等。但由于出发点的不同,国内外的学术界在文献上往往存在不同的分析公式,在这里仅作简约的述评。[1][2][3]双金属复合管初始状态示意图及成型过程受力状态如图4、图5。

IMG_20190604_084641_resized_20190604_085229699.jpg

双金属复合管的初始状态如图4所示,内衬管的内、外半径分别为a、b;外管的内外半径分别为c和d;内衬管壁厚(a-b)为t;复合前c>b,存在间隙。双金属复合管成型过程受力状态如图5所示。成型过程按4个步骤:

第一步。内衬管受力扩径产生塑性变形,并与外管内壁刚刚接触,仅仅消除了间隙,但未产生接触压力时,内衬管受到的内压力为P10





2tσS1 

 




b+a 

图片关键词P10 =                                                      ………………(1)    式中:σS1---内衬管的屈服强度。


 

第二步。内衬管继续受力再扩径后,与外管内壁产生接触压力P2,此时内衬管受到的压力为P:

P= P10+ P2………………(2)

第三步。当P2继续升高,达到使外管内表面由弹性变形向塑性变形转折的拐点A,见图6。此时,P2达到极限值P2C


C2 

σS2 

                                                  



d2 

图片关键词

图片关键词
σS2  
2tσS1  
P2C  =       (1 -     )………………(3)  式中:σS2---外管屈服强度,此时,P也达到极限值Pc。



C2 

                                                               



d2 

图片关键词

图片关键词图片关键词
b+a 
P=          +      (1 -       )………………(4)


 

图片关键词第4步。在卸载阶段,内衬管不再受到内压力,发生塑性卸载收缩量为γ,外管内壁弹塑性收缩量为δ,由于δ>γ,即外管与内衬管在同时卸载过中产生的过盈量,导致接触面形成残余压应力,从而使复合管的结合强度有夹持力来抵抗轴向剪切分离趋势。

番禺珠江钢管公司生产双金属复合管的外管为X65QO碳钢无缝钢管,屈服强度为510Mpa,规格为φ168.3毫米*12.7毫米,内衬管为316L不锈钢焊管,其屈服强度320 Mpa,规格为φ141.3毫米*3.0毫米,经试验表明,当水压压力达85Mpa时,外管达到屈服点,残余接触应力为1.90 Mpa。[4]将上述双金属复合管的技术参数代入公式(4),可得到PC=85 Mpa,与水压试验结果相同。公式(1)-(4)是由机械成型方式水压成型法的试验过程推导出来的。

当采用机械拉拔成型法制造双金属复合管的过程,如图(1)所示,过程中所受的内压力、接触压力等与上述公式的描述相同,只是牵引力F的计算推导,即为挤压锥头作用于内衬管上的正压力与锥头移动的滑动摩擦系数的乘积,按库伦摩擦定律,可得F=2πClμp………………(5)式中:l---锥头最大直径处的长度,μ---锥头最大直径处的摩擦系数。

关于残余接触应力的分析。复合管在液压成型过程中,采用两端密封结构,内外管的轴向力很小,按平面应力分析,轴向应变近乎于零,周向应变产生残余接触应力σy与残余接触压力P’c的关系式为:





2K2 

 



图片关键词

(1-Vi2)(K2-1) 

σy = -                P’c………………(6)


 

式中:“-”表示为压应力,Vi---内衬管的泊松比;K=d0/di,di,d0为内衬管内外直径,毫米,可以近乎地认为残余接触压力P’c即为液压成型最大压力Pc。

2.1.5 机械式复合管的力学性能分析中几个讨论问题

(1)外基管的材质选择。其材质级别不能低于L245/B,壁厚不能太薄;[4]否则,不足以产生相适应的弹性应变达到足够的残余接触压力。同样,内衬管也要选择强度匹配的材料,但其厚度如何合理确定,尚无定论。

(2)高温对机械式复合管的影响。对管线管的工况,由于三层PE防腐涂层加热到195-230℃,复合管的残余接触压力降低了约78%,[3]内外层可能松脱。因此,对外层管的3PE防腐,要考虑热加载对复合管的残余接触压力的影响。

(3)制造的现实比科学的假设要复杂很多。钢管材料不可能像假设那样很均匀地性能一致,由于内衬管的热膨胀系数可能是外基管的1.5倍,加热时内衬管容易出现“鼓包现象”;又由于外基管的弹性回复大于内衬管的弹性回复,内衬管容易出现“起皱现象”,[5]这是机械式复合管常见的失效现象。针对前一种失效现象,要控制服役的环境或工况的温度;针对后一种失效现象,控制外基管的弹性回复的力度,即复合管是否都要达到弹性变形极限位置,值得研究。例如,前面介绍水压法外基管弹性势能对复合效果的影响,当水压76 Mpa时,接触应力0.60Mpa;水压85 Mpa时,接触应力1.90Mpa。[4]而我国城镇建设行业标准CJ/T192-2004和石油天然气行业标准SY/T6623规定,机械复合加工后的双金属管,其层间接触应力不低于0.2Mpa。那么,水压76 Mpa时,外基管虽没有进入弹性变形极限位置,但接触应力0.60Mpa>0.2Mpa,已是3倍高于达标接触应力,安全系数为3.当接触应力达1.90Mpa,安全系数为9.5。安全系数如何恰到好处?

(4)双金属复合管在机械式制造方法方面,目前使用的都是扩径这条思路;另一条思路是缩径法,通过减径机来缩小外基管的内径C,(图4),从而消除与内衬管的间隙实现过盈配合产生接触应力。

(5)目前双金属复合管的材质构造是外基管为碳钢或低合金钢,内衬管为不锈钢,因为造价较贵,想要在一般民用住宅自来水管应用上推广,从而取代镀锌焊管,目前在市场竞争中还不具备价格优势。制造企业在技术上探讨出降低成本的措施,也很重要。

(6)国内双金属复合管应用和研究起步较晚,虽然在国内石油、炼化、医药、食品加工、高档建筑等行业逐步推广应用,但应用技术尚不完善。在复合工艺、高效生产、管端焊接、无损检测、在线监控等技术方面与国外先进国家相比仍存在较大差距,也缺乏适合于双金属复合管特点的耐蚀性能评估体系。目前国内外有关双金属复合管的标准尚不完善,可操作性不强。一些技术要求没有明确化,各种性能的检测方法尚须完善具体规定。国内标准在参照国际标准基础上,如何结合国内具体现状,使之中国化,还有许多方面需要深化。[6]

3.开发金属管与塑料管的机械复合管成型技术

国内双金属复合管由于内衬管采用不锈钢材质,价格较贵,推广应用范围受到制约,如民用住宅自来水管没有大规模采用;此外,如农业用水的钢管和塑料管市场很大。

3.1 农村建设及地方供水饮水项目。[7][8]进入2019年3月以来,工程建设进入旺季,农村建设及地方供水饮水项目都明显增多,所需钢管及塑料管招标数量上涨,集中在南方省份有江苏、浙江和湖北,北方省份主要是山东、河北和陕西。例如:绥化市北林区2019年农村饮水工程采购PE管材的金额2098万元;龙泉市2019年农村饮水工程采购PE管材的金额1018万元;宁海县水务集团有限公司采购钢塑管金额660万元;孝感市自来水公司给水衬塑复合钢管入围供应商项目;通城县2019年农村饮水工程采购PE、PPR管材。农田建设类项目目前主要集中于上海、四川和宁夏。上海市崇明区启动市级节水型社会建设试点,2018年崇明区的农业节水灌溉覆盖率达93.19%,目前将重点推进高效节水面积达61.2万亩,并推进粮田、菜田灌溉自动化控制系统和规模化果园滴灌设施建设。因此,钢塑复合管在农业建设中应用量很大。四川雅江县日衣村高效节水灌溉工程PE管材采购16.8公里,南漳县七里山森林公园供水工程采购塑料管材招标金额176万元;宁夏农垦暖泉农场2019年滴灌带采购PE管25公里,滴灌带3300公里,阜蒙县建设镇迷宫滴灌带采购管材3600公里。

3.2 缩径法制造衬塑复合钢管

按《钢塑复合管》国家标准对衬塑复合钢管的概念为采用热胀法或缩径法在钢管内壁内衬塑料管复合而制成。

热胀法。有文献介绍日本用PVC管衬塑钢管的原始工艺过程:由一根钢管和一根PVC管粘合在一起构成的,即将PVC管外面涂上粘结剂,再将它插入钢管,然后将它们放入加热炉加热到PVC管软化,再以空气加压使PVC管膨胀,同钢管紧密结合,这样就制成了衬塑钢管。图7为热胀法制成的衬塑复合钢管示意图。

国内现在有用PE管代替PVC管的做法,PE管的热膨胀系数是PVC的2-3倍,表面像“蜡”一样,难以粘合,所以,用粘合剂来粘合两种管子,粘结度大为减弱。服役期间,这样“热膨胀”制成的衬塑复合钢管,往往因为环境温度的变化,出现塑料管收缩与钢管分离而脱落,这样失效情况通常出现在管端。[9]提高粘结力来加强衬塑钢管的结合紧密度其效果有限。因此,参照双金属复合管的机械成型方式使钢管与衬塑钢管之间由于过盈配合在结合面产生接触应力而提高结合紧密度。于是,产生了缩径法。

缩径法。在ERW/HFW钢管实际生产中就是张力减径工艺,也是定径工艺。一般张力减径机的单机架减径量约为2%-3%,可以实现等壁厚变径,实现钢管逐架减径,最后达到预定的钢管内径,所以也叫定径工艺。缩径法的衬塑工艺:将一根塑料管(PVC或PE管)插入钢管内,然后将它们进入张力减径机组(一般由3架单机组成),由每个单机依次对钢管内径进行减径,使钢管内径接触到塑料管外径,并有一定的压缩量产生接触应力,提高衬塑钢管结合面的紧密度。缩径法的优点:工艺比热胀法简单,省去了粘结剂,不须要加热炉加热,不须要空气加压。由此,降低了成本,也更有利于环保。广东有的高频焊管企业应用减径机制造出机械式衬塑复合钢管,生产率高,造价便宜,用于农田滴灌设施,受到好评。在此建议推广此法。

 

参考文献

1.郑茂盛、高航等,双金属复合管液压胀形过程的受力分析,《焊管》,2016年9月,第9期,1-5页

2.王学生、王如竹等,紧密封不锈钢衬里复合管液压胀合研究,《机械工程学报》,2004年,5月,72-76页

3.谢勇、曹胜等,内衬双金属复合管紧密度测量及影响因素,《焊管》2014年3月,第3期,23-27页

4.黄克坚、王利树等,双金属管极限弹性水压复合工艺研究,《焊管》2014年6月,第6期,37-39页

5.魏帆、张燕飞等,机械式复合管结合强度的检测与控制,《焊管》2015年2月(2期)32-36页

6.王永芳、袁江龙等,双金属复合管的技术现状和发展方向,《焊管》2013年2月,第2期,5-9页

7.编辑部、一周管材招标回顾(3.25-3.29),管道商务与技术,2019年5月,第10页

8.罗水元,推行“合同节水”,实用高效用水,《新民晚报》2019年5月11日,3版

9.徐德茹、魏安家等,钢塑复合管管端失效分析及解决办法探讨,《焊管》2012年6月,第6期,26-29页

 


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