双金属复合管的研究现状与发展趋势

闫可安，许天旱，韩礼红，路彩虹，陈 阳

(1.西安石油大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710065；2.石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西 西安 710077)

1 概述及应用背景

据统计，我国每年因腐蚀造成的损失达数千亿元人民币，管道腐蚀所占比例尤其大。目前各种管网中腐蚀最严重的是低碳钢和低合金钢[1]。油气田介质中存在CO2、H2S 等腐蚀气体，管道腐蚀影响油气运输质量，会给油气田用户带来损失[2]。双金属复合管的出现减少了在运输中因腐蚀造成的管道泄漏损失，受到油气田用户的青睐。

双金属复合管结构示意图如图1 所示，它结合了碳钢管材和合金管材的优点，兼具基层管材强度高和覆层材料耐腐蚀性优良的特点。双金属复合管的优点众多，如内壁抗腐蚀能力强、使用寿命长、流动阻力小等，能最大限度地将碳钢和不锈钢的优势相结合，降低了油气输送管道的运输成本[3]。同时，基于油气腐蚀介质的差异性，可以选择性能优良的耐蚀合金材料作为覆层，使管道达到客户要求的耐腐蚀性能标准和更高的耐压指标[4]。

图1 双金属复合管结构示意图Fig.1 Schematic diagram of bimetallic composite tube structure

双金属复合管的价格较为低廉，在很多工业领域如化工、电力、热交换器、煤炭、海水管道包括许多城镇的供水供暖等都有应用。当前，油气田勘探开发正向高温高压等环境条件恶劣的地区发展[5]，双金属复合管的应用较广泛，如塔里木油田及新疆油田等陆地油气开发中应用已超2000km，在崖城13-4、番禺35-1/35-2 气田等海底油气的开发中，双金属复合管的累计使用量超100km。我国首条双金属机械复合管线崖城13-4 海管项目，展现了我国在双金属复合管研发、制造、应用的实力[6]。

2 双金属复合管失效形式及原因

双金属复合管的失效问题中，机械型复合管较为常见的失效包括焊接失效和衬层塌陷失效，近几年来的事故数已达总事故数的70%以上[7]。焊接失效主要是环焊缝开裂和环焊缝腐蚀；塌陷失效则使得管道无法正常使用，影响油气的运输。此外，特殊环境力与环境热载荷的作用，也会导致失效问题的发生。

2.1 失效风险分析

机械型双金属复合管基管与衬管的结合强度低，管道使用封焊连接，焊接过程需多层焊，衬层易出现剥离及褶皱，导致失效问题。对于316L 内衬层机械复合管的连接焊接，图2 展示了不同的焊接方法，国外使用端部堆焊的焊接方法，焊材选用耐蚀合金；国内使用管端封焊的焊接方法，并使用不锈钢焊材打底。由于焊接技术不成熟，碳钢焊材在内衬层焊接时会产生高硬度马氏体组织，易出现裂纹；在封焊操作时，易焊穿衬层组织，封焊处易在高Cl-环境介质中发生点蚀[9]。

图2 316L 内衬机械复合管焊接顺序示意图Fig.2 316L lined mechanical composite pipe welding sequence diagram

某油田使用的以316L 为内衬层的双金属复合管，现场施工的对接焊方案，为ATS-F316L 药芯焊丝打底+ATS-309MoL 过渡+CHE507 填盖。该焊接工艺会对衬层材料尤其是热影响区反复加热，易使热影响区贫Cr，导致耐蚀性能大打折扣，甚至产生腐蚀源区。图3 中，对接焊缝熔合线及热影响区有明显的腐蚀坑，腐蚀坑深度波及基管，可以看出腐蚀在热影响区产生，对接环焊缝的热影响区也出现锈迹[8]。

图3 某油田双金属复合管对接环焊缝宏观照片Fig.3 Macro photo of butt-welded girth weld lined with 316L bimetallic composite pipe

梁国萍等[8]对双金属复合管根焊焊缝的电镜扫描结果及成分进行分析后发现，如图4 所示，耐蚀合金元素如铬、镍、钼等在根焊处被稀释，导致环焊缝处易发生刺漏。另外，根焊处易产生气孔和夹渣，在工程使用中会导致应力集中，在腐蚀介质的作用下基管被腐蚀，严重时会出现爆管[10]。

海底管道服役的特殊工作环境，决定了管道在使用过程中会受到多重载荷的联合作用，甚至会受到力-热载荷的联合作用[11]。埋在海底的管道在输送高温高压油气时，会受到不同程度的内压、轴向压力及热载荷的联合作用。长悬跨段的海底管道在输送高温高压油气时会受到内压、弯曲载荷及热载荷的联合作用，并且管道的工作压力会越来越高，服役环境的温度可达150℃。长悬跨段的海底复合管道还会产生局部屈曲。机械型复合管在受到多种类载荷时，会出现鼓泡、基衬分离、内衬管起皱等现象，管道会产生屈曲，导致最终失效[12]。

2.2 腐蚀失效类型

双金属复合管衬层选用耐蚀性合金材料，衬管的耐蚀合金也会出现腐蚀失效问题。以常用的衬层材料奥氏体不锈钢为例，在腐蚀介质中，失效形式一般表现为全面腐蚀和局部腐蚀，并且以局部腐蚀为主。局部腐蚀主要有6 种类型：应力腐蚀、点腐蚀、疲劳腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀。

应力腐蚀在双金属复合管中较为常见，占到40%～60%，也是目前破坏性强的腐蚀类型。应力腐蚀裂纹开裂扩展到一定深度，会导致内衬层的腐蚀加快，最终由于裂纹过大导致复合管失效。常见的缝隙腐蚀和电偶腐蚀也会给复合管带来失效问题。机械性双金属复合管的界面结合不紧密，基管与衬层之间存在电位差，在腐蚀介质的作用下，缝隙处及其周边会发生局部腐蚀，当腐蚀介质是氯化物溶液时更为严重，且伴随有自催化过程[13]。电偶腐蚀的发生是由于连接焊缝处遭到点蚀破坏，焊缝处与基管和衬管发生电偶腐蚀，加速了基管的腐蚀行为，腐蚀孔洞进一步发展，最终导致复合管的失效[14]。

3 双金属复合管的研究现状

双金属复合管的性能优良，有较好的经济性，自20 世纪60 年代以来，国外发达国家已开始进行研究。目前，美、日、英、德等国家的双金属复合管生产制造工艺处于世界领先水平[15]。国内发展较晚，技术逐渐在进步。

3.1 制造工艺

机械型双金属复合管的结合界面易出现塌陷等问题，其结构也制约了冷加工配件的制造[16]。冶金型双金属复合管克服了以上问题，具有高强度、耐腐蚀性能和结合强度，但其生产成本高，制造难度大，工艺复杂。

爆炸焊接是生产多层材料的有效方法。双金属过渡采用固态焊接工艺制成，该工艺使用可控制的爆炸能量，将两种或更多种不相容的金属连接起来，例如钢和铜、钢和钛或铝、铜和镁等金属的异种组合。采用爆炸焊接生产的材料，由于机械和物理特性的独特结合而被广泛用于各个行业[17]。这些方法各有优劣，表1 对其进行了归纳整理，并简要说明了各种复合工艺的制造工艺及特点。

表1 双金属复合管典型制造工艺及特点Table 1 Typical manufacturing process and characteristics of bimetallic composite pipe

双金属复合管的结构较为特殊，在工程应用中，强度和耐腐蚀性都需要满足要求，焊接问题一直是需要着重考虑的难题，为此各双金属复合管制造商不得不在管端结构的处理上进行研究改善[6]，并开发出管端封焊技术、管端堆焊技术、过渡接头连接技术等进行解决。

双金属复合管内衬层耐蚀合金材料的选择丰富，袁江龙等[18]对316L、904、2205、825 等内衬层材料进行耐蚀性研究后发现，825 作为内衬层材料时的耐蚀性最好。衬层材料逐步向更加昂贵、耐蚀性优良的材料倾斜。

3.2 应用现状

国内双金属复合管的研究和制造发展迅速，复合管制造技术水平目前不逊于国外，但复合管的连接工艺较为落后，阻碍了复合管的发展进程。国外在20 世纪70 年代末就开展了研究，长时间的研究发展积累了许多经验，并取得了明显的经济效益。

海洋油气开发环境苛刻，对管道的要求更高，双金属复合管在其中的使用，解决了海洋油气运输开采的许多问题[19]。随着双金属复合管的大量使用，其优异的性能和较高的性价比引起了油田用户的注意。各种项目的进一步开发，也促使双金属复合管的研究制造向大直径管道发展。随着能源的进一步勘探开发，油气腐蚀环境也发生变化，材料的耐腐蚀要求也在逐渐提高。化工和电力行业需要能够适应高压、高温、高腐蚀和高强度的复合管，各种复杂环境的使用要求，催生出了铜金属复合管和耐蚀性更优良的钛金属复合管。

4 发展趋势

国内双金属复合管的研究制造起步较晚，尽管已有大量的应用研究，但在新产品开发、检测手段、管端连接等方面还有进步空间。

4.1 新型双金属复合管

镁合金是铝合金良好的替代品，被大量用于制造轻质铸件。但是，镁合金的耐磨性较差，强度低，因此采用Mg/Al 双金属复合材料制造的Mg/Al 双金属复合管道，满足了管道质轻、性能高的要求。Mg/Al 双金属复合材料综合了两种合金的优点，已开发了固固结合和固液结合等方法，可应用于不同的领域[20]。

双金属复合管的设计思路，可以根据所使用的金属成分，提供结构和功能特性的组合。例如，铜及其合金的导电导热性能优良，耐腐蚀性能也较好，但高密度阻碍了铜在轻量化设计中的应用，因其成本高，已经尝试使用铝代替。铝是一种性能优良、价格便宜且密度较小的金属。铜和铝双金属结构是替代铜的有利解决方案，一方面提供了较低的重量和成本，另一方面又具有铜的固有特性。铜-铝双金属管具有重量轻、耐腐蚀性强等优点[21]，可以很好地替代由铜及其合金制成的管，广泛用于建筑物、化学工业、炼油厂、液压管路、空调和热交换器以及食品工业中的饮用水输送等[22]。Jin 等人[23]尝试用铜包铝管代替空调用铜管，实验表明，CCA 管或ACC（铝包铜）管可以减轻重量，降低材料成本，甚至提高性能[24]。

还有学者研究了非晶/晶体双金属复合材料。这种复合管利用了非晶体合金的优点，解决了制造使用过程中的临界尺寸问题。例如Zr 的基块磨损和耐腐蚀性能优良且强度较高，这些合金作为结构材料，具有重要的潜在应用，但其临界尺寸和塑性严重限制了它们的实际应用。复合材料可以保留优势，同时可以弥补其组成材料的不足[25]。双金属复合材料的研究，使得材料之间的优势互补，更能发挥出每种材料的优势。

4.2 自动焊技术

双金属复合管使用中的失效问题，多是由于焊接过程中两种材质的物理化学性质不同，导致焊接接头处的焊接易出现问题。复合管存在基层、衬层和结合界面，焊接后必须要保证基层的强度和衬层的耐腐蚀性能。焊接过程中，结合界面的元素会扩散， Cr 等耐蚀合金元素在基层焊缝的含量过高，会产生较多的硬脆相，焊缝强度会受到影响，衬层的耐蚀性会大打折扣。对于新型双金属复合管，衬管也出现了双相不锈钢、铁素体-奥氏体比例的微观组织平衡。双相不锈钢（DSS）要保证强度和耐腐蚀性，需要控制其铁素体及奥氏体的微观结构。在焊接期间和焊接之后，也可能发生焊接缺陷，因此要对焊接过程进行良好的控制[26]。国外在这方面的技术较为领先，已出现大口径复合管焊接施工项目，并已开发出高效、高品质的自动焊焊接工艺和设备。

我国中海油某油田铺设的X70/316L 复合管，使用了全自动焊，焊接质量优良，提高了工作效率。国外的双金属复合管开发制造的公司如德国Butting公司，在双金属复合管的生产制造中处于顶尖水平，其制造的双金属复合管，采用更为先进的焊接手段和自动焊技术，产品成熟，耐腐蚀性和可焊性优良，但存在技术垄断，价格极其昂贵。自动焊的优势众多，如高效、高质量、自动化、智能化、成品性能优良等，随着自动焊技术的不断成熟和创新，已出现了管对管TIG 自动焊，钨电极和管板之间的电弧电压由电压转换器监控，初始焊接高度通过激光传感器测量[27]，整个焊接过程更加便捷高效。双金属复合管的种类繁多，焊接过程需要进行更多的研究。铜-铝双金属由于铜和铝不同的物理、机械和化学性质，若采用激光焊接等常见熔态方法，焊接过程面临严峻挑战[28]，自动焊的焊接技术和焊接设备将成为双金属复合焊接的发展方向[29]。

4.3 检测手段

实际工程应用中，往往使用游标卡尺测量双金属复合管的厚度，会导致误差较大，实际测量操作也不便利。有时为了满足客户的要求，还会随机选取一支样管进行纵向剖开，进行厚度测量，不仅浪费材料，效率也达不到要求。传统的壁厚测量手段大多是逐点扫描结构，存在各自的局限性。测量时必须在除去涂层的条件下对结构进行扫描，若需要全面检查则会变得非常昂贵和费时[30]，且测量精度难以达到预期要求。

采用高频超声波测量壁厚，其检测精度可达±0.1mm。其原理是利用高频超声波在各向异性的界面回波的差异，通过传播速度和时间进行计算[31]。计算公式见式(1)、式(2)：

式中：F1′、F2′分别为碳钢层厚度和整体测量厚度；F1为碳钢屏幕显示厚度值；T1、T2分别为碳钢、不锈钢的纵波行进时间；V1、V2分别为碳钢、不锈钢纵波声速。

该方法可用于复合管制造商对壁厚的过程动态进行测量监控，可极大提高生产的良品合格率。施工企业可使用此方法进行测量验收，可对壁厚进行实时检测，不必使用常规的挂片腐蚀检测，可缩短停产监测周期[31]。

随着双金属复合管的应用更加广泛，其在生产和使用中需要更高效、精准的检测手段。弱磁技术的原理，是用地磁在缺陷处产生的电磁信号，表征缺陷的存在，进行缺陷的识别及检测[32]。该技术的使用，使得双金属复合管的管道检测结果更加精准。

4.4 体系建设

双金属复合管的行业标准主要采用美国石油学会API 5LD 标准以及DNV OS F101 规范。中国石油集团石油管工程技术研究院对API 5LD 进行了翻译，修改成为SY/T 66232005 版。这些标准在许多方面并不完善，在工程实际中遇到的问题也难以解决。

新标准的起草离不开科研院所及企业高校的配合支持，新的体系应更加全面。例如，复合管内衬层的厚度与管体强度的关系；管端结构和尺寸的标准化和规范化；验收时，剪切强度应使用何种方法作为标准；管体的探伤方法应更加明确、清晰。国内标准应立足本国国情，立足国际视野，根据工程实际需要，进行研究撰写，以推动国内双金属复合管的发展[33]。

5 结语

目前，双金属复合管以其优良的性能和良好的性价比，被广泛应用于各行业，同时其失效带来的问题也愈来愈多，对它们的研究也需要更加深入。在新产品的研究制造、复合工艺、高效生产和检测技术等方面，也提出了更高的要求。同时，双金属复合管体系的完善健全，也需要社会各界的共同努力，确保国内研发制造的双金属复合管可早日登上国际舞台。