爆炸焊接双金属不锈钢复合直缝钢管型式试验方法探讨

张 华黄斌贵吉建立刘长征何仁洋任晓婷

（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）（2.北京工业大学 北京 100124）（3.青海油田管道输油处 格尔木 816000）（4.江苏省特种设备安全监督检验研究院宿迁分院 宿迁 223800）



爆炸焊接双金属不锈钢复合直缝钢管型式试验方法探讨

张 华1，2黄斌贵3吉建立1刘长征1何仁洋1任晓婷4

（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）
（2.北京工业大学 北京 100124）
（3.青海油田管道输油处 格尔木 816000）
（4.江苏省特种设备安全监督检验研究院宿迁分院 宿迁 223800）

摘 要：介绍了首次对爆炸焊接双金属不锈钢复合直缝钢管进行型式试验的主要内容，重点介绍了基层力学性能试验、复合层晶间腐蚀试验、双相不锈钢的铁素体/奥氏体比率、基层/复合层粘结力试验和复合管极限承载能力等几类试验，为今后业内该种类型的复合管型式试验方法提供了参考，也为修改相关规则中关于复合管型式试验的内容提供了依据。

关键词：型式试验 双金属不锈钢复合直缝钢管 爆炸焊接

Type Test Research on Explosive Welding Bimetal Composite Stainless Pipe

Zhang Hua1,2Huang Bingui3Ji Jianli1Liu Changzheng1He Renyang1Ren Xiaoting4
(1. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
(2. Beijing University Of Technology Beijing 100124)
(3. Pipeline Oil-transmitting Department of Qinghai Oilfi eld Germu 816000)
(4. Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province, Branch of Suqian Suqian 223800)

Abstract Main works of type tests of duplex stainless steel composite straight steel pipe explosive welding were introduced for the first time. The mechanical test for the base layer, the intergranular corrosion test for the composite layer, the austenite-ferrite ratio of the duplex stainless steel, the base/composite layer cohesion test and the ultimate bearing capacity of the composite pipe were emphatically introduced. The paper not only provided the reference for the following composite pipe's type tests, but also provided the basis for revising the related rules of composite pipe's type tests.

Keywords Type test Duplex composite stainless straight steel pipe Explosive welding

随着工业生产的发展，压力管道已经广泛应用于石油、化工、冶金、国防等诸多领域，是很重要的特种设备，其在高温、高压、磨损或介质对金属腐蚀等不利条件下操作，腐蚀、断裂、磨损是金属构件失效的三种主要方式，每年压力管道由于内腐蚀造成的经济损失十分巨大。为了减少经济损失，通常采用更改管道壁厚的方法，但这使工程建设和使用成本增加，同时由于存在应力等不安全因素也使管道处于不安全状态。因此，采用复合技术将耐腐蚀性好的不锈钢复合层在钢管的内壁，在腐烛环境条件下，管道内壁具有不锈钢的耐腐烛性能，又拥有外层碳钢的刚度和强度，因而性能十分优越，其应用前景、经济价值和潜在市场十分广阔。

型式试验（Type-Test或Type-Examination）是为了验证产品是否满足安全技术要求而对一个或多个具有代表性的样品进行合格性评定所进行的全部试验，它是评价产品安全性能的重要手段，也是鉴定新产品过程中必不可少的环节，其主要目的是验证企业是否具有生产符合安全性能要求的产品的能力。由于复合管原不属于压力管道元件范围，因此，复合管的制造一般不进行型式试验[1]。

2014年11月开始实施的特种设备新目录中增加了“复合管”这一品种（标号7150）。国家质检总局办公厅通知《关于压力管道气瓶安全监察工作有关问题的通知》（质检办特〔2015〕675号）中也强调了新增加复合管为压力管道元件，具体包括金属与金属复合、金属与非金属复合、非金属与非金属复合三类。由于过去法规对复合管型式试验未进行要求的原因，关于复合管型式试验方法的研究一直不太充分，行业内存在一定的争议。

1 双金属不锈钢复合直缝钢管及其制造工艺

双金属不锈钢复合管又称双层管或包覆管，它由两种不同的金属管材构成，基管为普通碳钢管或低合金钢管，主要承载管道系统的工作压力，内衬管根据腐蚀环境不同而选用不锈钢、镍基合金等其他耐蚀合金材料，主要发挥其耐腐蚀特性[2，3]。

双金属不锈钢管管层之间采用特殊工艺连接形成紧密结合。受外力作用时，内外管材同时变形且界面不分离。双金属不锈钢复合管按照界面结合类型主要分为：机械结合、冶金结合和扩散结合[4]。目前国内外比较成熟的双金属不锈钢复合管成型工艺主要有轧制、挤压、堆焊等传统工艺和电磁成型、离心铝热剂法等新兴成型工艺[5]。

本次型式试验用的复合钢管，其制造原材料复合板采用爆炸焊接制作。爆炸焊接[6]也称爆炸复合，是融合压力焊、扩散焊、熔化焊“三位一体”的固态焊接新技术，其焊接过程是以炸药为能源，利用炸药爆炸产生的轰击波和释放出的大量能量来实现异种材料之间的熔合，其特点是能在瞬间使复层金属和基层金属的两个面产生高速碰撞，并在撞击面上发生塑性变形、熔化、原子间的相互扩散等一系列复杂的物理和化学反应，使不同的金属材料在爆炸的过程中达到冶金复合状态，其原理如图1所示。可适用于板材、管材的焊接，焊接界面呈现微小波纹状[7]，焊接产品兼有两种或多种金属性能，结合强度高，且焊接后的板材机加工性能优良，工艺简单，使用方便[6]。

图1　爆炸复合示意图

利用爆炸焊接板材生产的双金属不锈钢管具有高强度、高耐腐蚀、管道内壁光滑、摩擦阻力小、低成本等特点，可以广泛应用于石油天然气输送、海洋工程、化工等行业。制备双金属不锈钢管的具体工艺流程如图2所示：

图2　双金属不锈钢管的制备工艺流程图

2 双金属复合管型式试验工作内容的确定

特种设备的型式试验必须是由国务院特种设备安全监督管理部门核准的型式试验机构进行检测，是一种全面的技术审查和性能测试，必要时可以进行破坏性试验。每种特种设备产品都有与其所适用的安全技术规范或产品标准。压力管道元件型式试验程序主要包括设计审查、检验与试验、出具型式试验报告和证书等步骤[1]。

根据TSG D2001—2006《压力管道元件制造许可规则》的相关要求，许可规则所规定的许可项目中没有直接针对金属复合管的制造许可项目，但是根据爆炸焊接双金属不锈钢复合管的制造工艺，其承压部分主要为基层碳钢管，许可规则中较为接近的项目为焊接钢管—直缝埋弧焊钢管—A1石油天然气输送管道用直缝埋弧焊钢管这个类别，因此根据TSG D7002—2006《压力管道元件型式试验规则》的相关要求，其基层碳钢管部分的试验内容主要按照该规则试验单元Ⅰ-1的要求进行。

对于双金属复合管的生产和检验，一般执行石油天然气行业标准SY/T 6623—2012《内覆或衬里耐腐蚀合金复合钢管规范》。对复合层的试验内容主要考虑参考SY/T 6623—2012的相关要求进行，兼顾考虑SY/T 6623—2005《内覆或衬里耐腐蚀合金复合钢管规范》版的相关要求。

因此，本次型式试验设计审查内容主要包括：钢管的成型工艺方法和要求，无损检测方法和比例，钢管对接焊缝和焊缝补焊焊接工艺的评定试验，检验和试验的要求等；检验和试验的内容主要包括：外现检查、几何尺寸检测，基管母材和焊缝的化学成分分析、金相组织、硬度，钢管力学性能（纵向拉伸、横向拉伸、压扁、断裂韧性），钢管焊缝焊接接头力学性能（焊接接头拉伸试验、延性试验），耐压（静水压）强度，钢管及焊缝无损检测，钢管残余应力检测，钢管极限承载能力[或者补充耐压（静水压）]强度测试，钢管抗变形能力测试，衬管晶间腐蚀试验、复合管静水压试验、双相不锈钢铁素体/奥氏体比率测试和复合管粘结力试验等。

3 部分型式试验结果及讨论

3.1 试验产品规格

本次型式试验抽样产品具体参数详见表1。

表1　进行型式试验的产品规格

3.2 基管力学性能试验

拉伸实验结果见表2，由表2可知，试样基管所检项目（Rt0.5、Rm、A）均符合API Spec 5L：2007《管线钢管规范》中9.3节关于PSL2等级的拉伸试验要求，拉伸试验合格。

表2　复合管拉伸试验性能测试结果

对基管焊缝正反面分别进行弯曲试验测试，弯曲角度180°，弯心直径100mm，结果显示抽样产品试样均未出现裂纹、裂缝或断裂现象，表明接头塑性良好，符合API Spec 5L：2007中10.2.12节的相关要求，弯曲试验结果合格。

按照GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》的相关要求将试验样品加工成尺寸大小为10mm×10mm×55mm的试样进行冲击试验，结果显示抽样产品基管母材和焊缝试样在-10℃下夏比（V型缺口）冲击试验冲击功和剪切面积结果详见表3，均大于试验方案的规定数值，符合API Spec 5L：2007中9.8.2节的要求，冲击试验合格。

表3　夏比冲击试验V型缺口冲击测试结果

将试验样品加工成尺寸为25.60mm×4.66mm大小的试样，在液压万能试验机上进行粘结力测试，结果显示粘结强度达546MPa，大于标准要求值140MPa[8]，满足实际应用要求；

将抽样产品基管的母材和焊缝在HBE-3000电子布氏硬度计上进行硬度实验[9]，结果显示抽样产品试样基材的母材和焊缝的最大硬度值为210HB，符合试验方案中规定的基材钢管的硬度值应低于327HB的要求，硬度试验合格。

3.3 晶间腐蚀实验

将试样表面用砂纸进行研磨，之后放入加铜屑的微沸硫酸+硫酸铜+水溶液中连续腐蚀16h，然后对焊缝部位弯曲180°，在10倍放大镜下观察是否有裂纹产生，试样腐蚀试验结果如图3所示，由图3可以看出，经16h腐蚀后，样品表面无红铜，弯曲后无裂纹产生，符合SY/T 6623—2005标准要求，晶间腐蚀实验合格。

图3　晶间腐蚀实验结果

3.4 铁素体/奥氏体比率检测

对2根双相不锈钢钢管进行铁素体/奥氏体比率测试，试验按照SY/T 6601—2004《耐腐蚀合金管线钢管》中第8.1节进行，双相不锈钢钢管铁素体/奥氏体比率（以下简称F/A）应在0.35～0.65之间，见表4。F/A的测定应在耐腐蚀层的3个点上进行，三组读数的平均值应在规定范围内。

表4　双相不锈钢钢管F/A比率

3.5 粘结力试验

根据ASME A264《铬-镍不锈钢复合钢板进行粘结力试验》中7.2.1条的相关规定进行粘结力测试，覆层合金和基体合金的最小剪切强度应为20000psi （140MPa），详见表5。

表5　进行粘结力测试的产品规格

3.6 金相组织

复合管基材、复材及其焊缝金相组织如图4所示，可以看出基材母材和焊缝均由铁素体和珠光体组织构成，复材母材的金相组织为奥氏体和铁素体双相组织；复材焊缝金相组织为奥氏体和铁素体双相铸态组织。试样基材的母材和焊缝的晶粒度均为11.0，由于相关标准中没有金相组织合格指标，数据仅供业内同行参考。

图4　复合管基材、复材金相组织

3.7 极限承载能力及抗大变形能力

选取3根复合管，按SY/T 6623—2005中第8.4节要求进行水压试验，直至复合管爆破，测定复合管爆破时的压力值，受压管的最小长度为钢管外径的6～8倍，但需不超过12.19m。试验前测量试样的外径和壁厚。1）试验时，先将空气排净再加压，升压速率控制在34MPa/min以下；2）试验中，全程采集内压和体积应变，屈服和爆破时的体积应变值反映复合管的极限应变能力。

将抽样产品在20.7MPa的水压下保压10s，未发生泄漏或变形，符合SY/T 6623—2005中的相关规定。图5为极限承载能力现场实验图，由图5（b）压力-时间曲线图可以看出随着时间的延长，管内水压不断增大，当压强增大到119.6MPa时，管体沿纵向发生开裂，超过计算爆破压力值；表明钢管极限承载能力符合SY/T 6623—2005中第8.4节中关于测试值应不小于63.3MPa的规定。在室温条件下对抽样产品进行抗大变形能力试验，由图5（c）进水量-时间曲线图可以看出，结果显示在屈服压强为85.1MPa下的进水量为10.971m3,体积变化率为6.73%；在爆破压力为119.6MPa下的进水量为18.490m3，体积变化率为11.35%。由于抗大变形能力没有合格指标，数据仅供业内同行参考。

图5　极限承载能力及抗大变形能力测试图

4 结论

1）根据TSG D2001—2006的相关要求，该规则所规定的许可项目中没有直接针对金属复合管的制造许可项目，建议针对该类产品的型式试验，应包括基层、复合层分别进行，同时还应考虑对基层和复合层之间的粘结力进行测试，主要进行的型式试验项目至少包括：检验和试验的内容主要包括：外现检查、几何尺寸检测，基层母材和焊缝的化学成分分析、金相组织、硬度，基管力学性能（纵向拉伸、横向拉伸、压扁、断裂韧性），基管焊缝焊接接头力学性能（焊接接头拉伸试验、延性试验）、复合管耐压（静水压）强度、复合管及焊缝无损检测、复合管残余应力检测、复合管极限承载能力[或者补充耐压（静水压）]强度测试、复合管抗变形能力测试，衬管晶间腐蚀试验、衬管双相不锈钢铁素体/奥氏体比率测试和复合管粘结力试验等。

2）型式试验结果显示采用爆炸焊接技术生产的X70/S31803内衬不锈钢双金属复合钢管，力学性能良好，耐腐蚀性能优异，复材组织为铁素体和奥氏体双相组织，相比例合适，各项性能指标均达到型式试验方案要求标准，确认试验结果符合TSG D7002—2006试验单元Ⅰ-1的要求。型式试验覆盖的型号规格产品为：基管材质钢级不高于L485MB（X70），壁厚≤23mm，复材材质为双相不锈钢，按照SY/T 6623—2012标准制造的双金属复合钢管，建议允许该企业进行工业化生产。

参考文献

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［8］ ASME A264铬-镍不锈钢复合钢板进行粘结力试验[S].

［9］ GB/T 231.1—2009金属材料 布氏硬度试验[S].

收稿日期：（2015-06-30）

作者简介：张华（1981～），男，硕士，室主任助理，从事压力管道检验检测、完整性管理等技术的研究和应用工作。

文章编号：1673-257X(2016)03-0012-05

DOI:10.3969/j.issn.1673-257X.2016.03.003

中图分类号:X933.4

文献标识码：B