双金属冶金复合管综合性能研究

1 冶金双金属复合管的特点

离心铸造冶金复合管兼备了两种金属的优点，具有良好的综合性能：

.根据不同的应用环境，选择不同的内外层材质，使其在最经济的情况下获得最佳的耐腐蚀、耐磨损、温、高强度等特性；

.较高的冲击性能；

.冶金界面（过渡层）结合强度高于现有的其它复合工艺；

.良好的抗爆破撕裂能力；

.良好的低界面应力性能。

2 双金属冶金复合管综合性能分析

(1) 良好的结合层特性

离心铸造双金属冶金复合钢管内外层界面完全实现了冶金结合，克服了其它复合方式，因结合层结合强度低，以及存在较大热应力等不足，导致高温和交变温度环境下因应力作用而分层的致命缺陷。

由于生产工艺的特点，离心浇注而成的复合钢管在两层金属的结合部位出现了一段成分由外层向内层逐渐变化的平滑过渡层，与其他具有冶金结合复合管相比（堆焊复合、扩散复合等）过渡层宽度达到70靘 ～140靘。

离心浇注+挤压工艺生产的复合钢管较热扩散＋挤压复合管具有更宽的成分过渡区。较宽的过渡区可以有效地减少由于两层金属热胀系数不同带来的结合层应力，进而防止复合管在交变热应力工作条件下带来的分层破坏。

通过对20Cr/1Cr18Ni9Ti冶金复合管冶金结合层进行拉伸试验表明，整体复合管的力学性能超过了基体的力学性能。其研究同时表明，即使经过机加工过程（高温、变形大）和高温疲劳试验，复合管的冶金结合层仍无分层现象。

界面过度层良好的合金化，其结合层强度往往高于基层或复层强度，以304L/20G的复合管为例，按照ASTM 264标准进行剪切试验，剪切强度达到440MPa 实际剪断发生在304L层。按该检测标准，常规爆炸焊复合管达到120MPa、常规爆炸焊＋热轧复合板达到196MPa即可。高的结合强度对复合管冷变形加工性至关重要。

(2) 良好的力学性能互补

以强度较低的耐蚀钢与高强度管线钢复合后，与同压力级别壁厚的纯耐蚀钢相比，可较大幅度的降低整体壁厚，或同厚度下管线具有更高的安全性。

(3) 抗裂纹扩展能力

双金属无缝管重要的用途在于输送腐蚀性的高压流体，这就要求复合管既具有高的耐腐蚀性能，又得具有足够的耐压能力。同样，作为高压输送的管线钢，人们希望钢管屈服强度越高越好，但高强度钢材往往塑性和冲击韧性较低，在管线因意外情况破裂时，破口迅速扩展几米甚至数十公里，从而造成灾难性事故。为此，管线钢在考虑选用强度时，更加注重塑性指标，因此众多可达千兆帕级的钢种不能作为高压管线钢使用。由此极大制约了管线的输送压力和效率。

采用特殊复合管，即：外层采用千兆帕级的高强度钢种，内层采用高塑性的奥氏体不锈钢或低碳钢则可缓解这一矛盾，新兴铸管股份公司成功开发了X52/825、X60/825等内层具有高塑性、抗腐蚀性，外层具有高强度的双金属薄壁复合管，既降低了贵重金属的成本，又满足了高抗腐蚀性、高抗压性的性能要求。

为研究其在高压情况下，抗裂纹扩展的能力，实验室做了X60/825的断口试验。

采用内层高韧性、外层高强度，具有平滑过渡层的冶金双金属复合管做高压输送管线时，在同样的裂纹缺陷条件下，可以有效的防止裂纹扩展的能力，防止管网长线破裂的重大事故。

1）内层的韧性材料可以使裂纹尖端的应力集中通过塑性变形得到释放而松弛下来，即使复合管线发生爆裂时，内层的韧性材料可以使裂纹尖端的应力集中通过内层塑性变形的阻尼作用得到释放，从而防止了管线的长距离灾难性爆裂。

2）内层金属的存在降低了弹性状态下外层受到的实际工作应力，从而外层允许的裂纹尺寸增大。

(4) 抗应力腐蚀

应力腐蚀破裂是指材料在外加或残余应力和腐蚀介质联合作用下发生的破裂。这是一种及其危险的低应力破坏形式，这种破坏具有滞后性。金属材料在特定的腐蚀环境中，应力水平越高，发生应力腐蚀破裂的时间愈短，发生裂纹的倾向越大。

经爆炸成形的双金属复合管的残余应力明显高于离心浇注双金属冶金复合管，过渡层残余应力呈直线突变，大大减低了其抗应力腐蚀性能。而离心浇注双金属冶金复合管过渡层残余应力变化缓慢，不易形成应力集中，提高了其抗应力腐蚀性能。

3 结论

（1）冶金结合复合管的冶金结合层较其它复合管（堆焊符合、扩散复合等）可有效防止交变热应力工作条件下带来的分层破坏；

（2）冶金结合复合管的抗裂纹撕裂能力明显优于同等基体材质的单金属管材；

（3）在抵抗应力腐蚀方面，离心浇注双金属复合管较爆炸成形复合管具有更为明显的优势。