国内外双金属复合管的种类、制备及应用

国内外双金属复合管的种类、制备及应用

复合钢管的两种单层材料的组合方式完全取决于使用要求及其环境特征，基本原则是：作为基层钢管，它应具有较高的强度和刚性，价格便宜，工艺性能好；作为覆层则应具有抗环境介质的腐蚀或者抗磨损能力，该覆层可以复合在基层管的内层(内复合管)，也可以复合在其外层(外复合管)。
　　复合钢管产品按使用性质可分为化工用液体气体用管、石油***输送管及油井用复合管、锅炉用复合管、废物焚烧炉用复合管、热交换器用复合管、耐磨损用复合管、耐腐蚀结构用复合管以及建筑装潢用复合管等。其主要应用领域如下：
　　3.1石油***输送管及油井复合钢管
　　由于石油***中含有大量H2S、CO2、Cl-等腐蚀介质，因此所用管材的特点是除了应具有较高的强度和刚度外，还应具有耐上述介质腐蚀的能力。能耐这些介质腐蚀的材料是不锈钢，Inconel625、Inconel825等镍基合金。因此作为石油***输送管道及油井用复合钢管，通常选用上述材料作为内层管，以保证该管道的耐腐蚀性能，而外层材料通常为API5L-X42、-X50、-X60、-X70、ASTM-A106GB、A335-P22等材料，以保证该管道的强度。由这两类材料组合成的复合钢管亦适用于开发地热用的取水管道。日、美等国对有关复合钢管用作石油***输送管道进行过大量研究，美国石油协会（API）已制订出管线用复合钢管的标准，编号为5LD。复合钢管于1991年投入使用，用量逐年扩大。
　　主要品种有：常规管线钢与耐腐蚀不锈钢或合金的复合管；如油井管：CrMo钢与超级13Cr、G3、825和C028等复合油井管；集输管线：16MnV或X70与各类不锈钢，825、028等镍基合金的复合管道。
　　3.2锅炉用复合钢管
　　在火力发电方面，日本、美国、欧洲等正在开发超高温超高压锅炉(即USC锅炉)。由于超超锅炉产生的是高温高压蒸汽，因此用于这种锅炉过热器的钢管应具有耐650℃、35MPa蒸汽条件下的高温强度，优良的外表面耐高温腐蚀能力和内表面耐水蒸汽氧化性能等特性。为此，日本住友金属公司用SUS310S、35Cr-55Ni、40Cr-55Ni材料作外层基管，用17-14CuMo和Alloy800H等材料作内层管，以冶金结合方法开发出超超临界锅炉过热器用新型复合钢管。该复合钢管通过了按JIS3463(1984)标准进行的压扁、扩口和弯曲试验，以及高温强度、蠕变断裂、时效、冲击等高温特性试验、耐***腐蚀试验、焊接性能等一系列试验。因此认为这种钢管在超超临界锅炉过热器上应用是适宜的，能提高使用寿命和降低造价。
　　瑞典Sandvik钢铁公司开发成功由碳钢作内层，耐蚀性好的Sanicro28钢（27%Cr、31%Ni、3.5%Mo的奥氏体超低碳不锈钢）作外层基管，通过冶金结合制成复合钢管，在锅炉结构设计上无需任何变更，就可直接使用。
　　3.3化工液化气体管道用复合钢管
　　除了应具备特殊的耐介质腐蚀外，它还应具有较高的强度和刚度，因此这类覆合钢管用的基层材料通常是碳素钢、低合金钢或耐蚀钢，而它的覆层根据耐蚀介质的不同可选用不锈钢、铜及其合金，以及铌、钽和钛等。例如石油化工用冷凝器管、净化用冷凝器，***炼用高温冷凝器和高温反应气体冷却器、苯冷凝器等通常用低碳钢(或耐蚀钢)与黄铜组成的复合钢管，氨冷凝器、氨致冷机、海水冷却器、表面冷凝器以及制取CO用管道可用低碳钢与铜合金组成的复合钢管。日本和英国在该领域使用复合钢管比例较大。
　　3.4废物焚烧炉用复合钢管
　　自20世纪60年代中期废物焚化技术发展以来，废物焚化炉一直受到管子寿命的困扰，如果仅用CrMo低合金钢作管子，不采取任何保护措施，管子的使用寿命不到6个月。奥氏体不锈钢和镍基合金具有良好的耐蚀性，但是用它作过热器，锅炉水可能会引起应力腐蚀裂纹的***。因此选用复合钢管作焚烧炉过热器较理想，其外层基管可选用具有耐焚烧高温以及耐腐蚀气氛的材料，如Sanicro65合金（21%Cr、8.5%Mo、Ni基），而内层材料可选用具有耐应力腐蚀裂纹的碳钢或铬钼钢。由这两种材料进行匹配并用冶金结合方法制成的复合钢管具备焚化炉过热器的使用要求，而且它还具有较低的热膨胀系数，工作时的热应力较低，具有较高的导热系数，使焚化炉过热器的热效率较高，这是以往开发的防护措施所不及的。因此，欧洲、美国等自1971年安装***台复合管焚烧炉过热器和水冷壁用管以来，已使用了200万m复合钢管（1985-1987年报导数据），并已有超过10年的实际使用业绩。
　　3.5热交换器用复合钢管
　　作为热交换器用复合钢管，除了它应具有一定的强度和耐蚀性外，其两层钢管的接触界面应达到完全冶金结合，以获得较好的导热性。瑞典Sandvik钢公司选用高合金镍铬钢UNSN08800（合金800）作内管，以低合金钢或普通锅炉用钢ASTMA213Ti2（13CrMo44）作外管生产复合钢管。使用结果表明，它有很好的导热性能，优异的内外抗腐蚀性能，而且保持了低合金钢良好的加工性能。日本NKK公司选用API5L-16MnV钢作外层，选用NI***2钢作内层制成复合钢管，其力学性能达到API5L-16MnV技术要求，界面结合剪切强度达到400MPa以上。对复合钢管还进行过点蚀实验、晶间腐蚀实验及应力腐蚀裂纹实验，均得到了满意的结果。
　　3.6耐磨损用复合钢管
　　耐磨损用复合钢管用于电厂粉煤、矿山矿粉和尾矿浆输送等高磨损工作环境。
　　日本山阳特殊钢公司用SUS316L耐蚀钢作外层，用司太立No.12耐磨合金作内层，制成复合钢管，用于制造工程塑料用颗粒的气力输送管道（如果仅用SUS304L不锈钢作气力输送用管，其寿命仅为1周左右），使用4年后测量其内侧的磨损量还在测量误差范围内（约0.1mm左右）。这种复合钢管在其他微粉颗粒的气力输送管道上也得到了很好的应用，其需求量正在逐渐增加。
　　3.7海水管道用复合钢管
　　海水淡化装置的取水管道或者海水热交换器用管可选用由耐海水腐蚀材料（如镍、钛、不锈钢或铜合金）作内衬管，以碳钢或低合金耐蚀钢作外层基管组成的复合钢管。日本川崎制钢和日本钢管公司生产的海水管道用复合钢管广泛用作海水热交换器用管和海水淡化装置的取水管道。
　　4双金属复合管发展、应用趋势
　　国外双金属复合管的应用日趋广泛，尤其是油气田、海洋平台等强腐蚀环境对双金属复合管的需求急剧上升。说明国外的双金属管消费水平较高，其应用领域正向着多元化方向发展。
　　塑性热复合技术制备而成的复合管界面可实现完全冶金结合，该类复合管界面结合强度高，适合于高温使用环境，因此热复合塑性成形技术具有很好的开发前景。而且，在未来的金属复合管制造中，将倾向于采用在高温条件下能产生大塑性变形量的塑性成形冶金结合技术。