双金属复合管件制造技术综述

杜卫锋，李华军，张向迎，苑稣文，王 磊，杨军伟，闫振欣，刘振峰

（西安向阳航天材料股份有限公司，西安 710025）

双金属复合管具有耐高压、耐腐蚀等优良的使用性能[1-2]，在石油、化工行业得到了广泛的应用[3-4]。国外双金属复合管件研究及生产已有多年历史[5]，耐蚀合金复合管件作为整个工艺管线中的关键配件[6]，已投入应用。近几年，随着双金属复合管的广泛应用，国内耐蚀合金复合管件制造技术得到了较好的发展[7-8]。本研究从制造工艺出发，综述了双金属复合三通、双金属复合弯头、双金属复合异径接头和双金属复合法兰的制造工艺，并对各种制造工艺的优缺点进行了对比总结。

1.1 国内外制造成型工艺

国外双金属复合三通的制造方式有冶金复合管热挤压成型工艺、冶金复合管冷挤压成型工艺、碳钢三通内衬堆焊成型工艺等[9]。

国内双金属复合三通的制造方式有冶金复合管热挤压成型工艺、冶金复合管冷挤压成型工艺、碳钢三通内衬堆焊成型工艺、冶金复合板热模压对焊成型工艺、机械复合管冷挤压成型工艺、碳钢三通内衬旋压成型工艺以及复合管开孔焊接支管成型工艺等[10]。

1.2 制造成型工艺介绍

1.2.1 冶金复合管热挤压成型工艺

该制造成型工艺过程为：管坯准备（管坯为冶金无缝复合管或冶金复合板卷焊复合管，管坯的特点为直径大于成型三通的直径）→管坯压扁（短半径为成型三通的直径）→局部加热并将管坯放置三通模具中进行压包（压包处为三通支管处）→压包处开孔，加热后拉拔支管（根据支管的直径不同，拉拔的次数为2～5 次，每次拉拔模具直径不断增加）→管口整形→热处理→内外表面处理→试验检验→坡口加工→复合三通成品。

该工艺特点：①适用于直径≥ 219 mm 的三通成型；
②壁厚均匀性较差，主管肩部的壁厚增厚，支管的壁厚减薄；
③整个成型过程需要加热多次，对耐蚀合金层的性能影响较大；
④压力成型设备为通用压力设备，且压力吨位较低；
⑤成型模具的强度要求低，模具造价成本较低；
⑥材料利用率低；
⑦成型压力较小，生产安全性较高；
⑧成型温度较高，工人劳动强度较大；
⑨适用材料强度等级和壁厚等级较广；
⑩生产效率一般，生产成本较低。

1.2.2 冶金复合管冷挤压成型工艺

该制造成型工艺过程为：管坯准备（管坯为冶金无缝复合管或冶金复合板卷焊复合管，管坯直径与成型三通直径一致）→管坯放置在三通模具中，两端密封，管内部注水或油→管内部加压形成内高压，两端加压，在综合压力作用下挤压出三通支管（根据管坯材料强度和壁厚不同，成型次数也不同）→支管开孔→管口整形→热处理→内外表面处理→试验检验→坡口加工→复合三通成品。

该工艺特点：①适用于直径≤ 711 mm 的三通成型；
②壁厚均匀性较好，主管壁厚整体增厚，支管壁厚不变；
③整个成型过程为冷加工，对耐蚀合金层性能影响较小；
④压力成型设备为专用压力设备，且压力吨位较高；
⑤成型模具强度要求高，模具造价成本较高；
⑥材料利用率较高；
⑦成型压力较高，生产安全性较低；
⑧成型温度为室温，工人劳动强度较小；
⑨成型材料强度等级和壁厚等级较窄；
⑩生产效率较高，生产成本较低。

1.2.3 碳钢三通内衬堆焊成型工艺

该制造成型工艺过程为：准备碳钢三通管坯（管端为平端，且三通的管程C 和出口M 需要加长）→三通内表面焊前处理→三通内壁堆焊（主管和支管自动堆焊，肩部的部分过渡区域手工补焊）→试验检验→坡口加工→复合三通成品。

该工艺特点：①适用于直径≥ 114 mm 三通的成型；
②对碳钢三通材料的强度等级没有要求，壁厚要求≥ 9 mm；
③堆焊设备自动化程度较高，工人劳动强度较小；
④生产效率非常低，生产成本非常高。

1.2.4 冶金复合板模压对焊成型工艺

该制造成型工艺过程为：准备冶金复合板→冶金复合板划线和下料→板料加热模压→切割对接焊坡口→两半三通对接焊接→试验检验→坡口加工→复合三通成品。

该工艺特点：①适用于直径≥ 219 mm 三通的成型；
②整个成型过程需要加热多次，对耐蚀合金层的性能影响较大；
③材料利用率低；
④成型材料强度等级和壁厚等级较广；
⑤生产效率一般，生产成本较低；
⑥三通产品存在两条焊缝，产品安全系数较低。

1.2.5 机械复合管冷挤压成型工艺

该制造成型工艺过程为：准备管坯（管坯为机械复合管，管坯直径与成型三通直径一致，且基衬间隙进行密封焊接）→管坯放置三通模具中，两端密封，管内部注水或油→管内部加压形成内高压，两端加压，在综合压力作用下挤压出三通支管（管坯材料强度和壁厚不同，成型次数不同）→支管开孔→管口整形→热处理→内外表面处理→试验检验→坡口加工→管端进行封焊/堆焊→复合三通成品。

该工艺特点：①适用于直径≤ 711 mm 三通的成型；
②壁厚均匀性较好，主管壁厚整体增厚，支管壁厚不变；
③整个成型过程为冷加工，对耐蚀合金层性能影响较小；
④压力成型设备为专用压力设备，且压力吨位较高；
⑤成型模具强度要求高，模具造价成本较高；
⑥材料利用率较高；
⑦成型压力较高，生产安全性较低；
⑧成型温度为室温，工人劳动强度较小；
⑨成型材料强度等级和壁厚等级较窄；
⑩生产效率较高，成品率较低，生产成本较高。

1.2.6 碳钢三通内衬旋压成型工艺

该制造成型工艺过程为：准备碳钢三通管坯（管端为平端）→三通内部装配衬管→内衬旋压成型→支管内衬开孔→管口整形→试验检验→坡口加工→管端进行封焊/堆焊→机械复合三通成品。

该工艺特点：①对碳钢三通材料的强度等级没有要求；
②整个成型过程为冷加工，对耐蚀合金层性能影响较小；
③支管内衬的壁厚较薄；
④生产效率较低，成品率较低，生产成本较高。

1.2.7 复合管开孔焊接支管成型工艺

该制造成型工艺过程为：准备冶金复合管或机械复合管→制作带孔的复合管（冶金复合管直接开孔，机械复合管要先开孔后复合内衬）→焊接支管→试验检验→坡口加工→管端封焊/堆焊→冶金或机械焊接复合三通成品。

该工艺特点：①对成型材料的强度等级没有要求；
②产品为焊接三通，安全系数较低。

1.3 复合三通制造工艺推荐

综上，复合三通制造工艺优劣排序为：碳钢三通内衬堆焊成型工艺＞冶金复合管冷挤压成型工艺＞冶金复合管热挤压成型工艺＞复合管开孔焊接支管成型工艺＞冶金复合板模压对焊成型工艺。

2.1 国内外制造成型工艺

国外双金属复合弯头的制造方式有冶金复合管热推制成型工艺、碳钢弯头内衬堆焊成型工艺、冶金复合管冷模压成型工艺[11]等。

国内双金属复合弯头的制造方式有冶金复合管推制成型工艺、碳钢弯头内衬堆焊成型工艺、冶金复合管冷模压成型工艺、冶金复合板热模压对焊成型工艺、碳钢弯头内衬爆燃复合成型工艺等。

2.2 制造成型工艺介绍

2.2.1 冶金复合管热推制成型工艺

该制造成型工艺过程为：准备管坯（管坯为冶金无缝复合管或冶金复合板卷焊复合管，管坯直径小于成型弯头直径）→下料（根据推制弯头需要的长度）→将短节管坯装到推杆上→感应加热推制弯头→管口整形→热处理→内外表面处理→试验检验→坡口加工→冶金复合弯头成品。

该工艺特点：①适用于直径≤ 820 mm 弯头的成型；
②整个成型过程需要加热，对耐蚀合金层性能影响较大；
③成型过程为直径变大，长度变短，壁厚变化不大；
④成型温度较高，工人劳动强度较大；
⑤生产效率一般，生产成本较低；
⑥推杆规格较多，推杆制造成本较高。

2.2.2 碳钢弯头内衬堆焊成型工艺

该制造成型工艺过程为：准备碳钢弯头管坯（管端为平端，且弯头中心至端面距离需要加长）→弯头内表面焊前处理→弯头内壁堆焊（内壁分节进行堆焊，交接处需要进行补焊）→试验检验→坡口加工→冶金复合弯头成品。

该工艺特点：①适用于≥ 114 mm 直径弯头的成型；
②对碳钢弯头材料强度等级没有要求，壁厚要求≥ 9 mm；
③堆焊设备自动化程度较高，工人劳动强度较小；
④生产效率非常低，生产成本非常高。

2.2.3 冶金复合管冷模压成型工艺

该制造成型工艺过程为：准备管坯（管坯为冶金无缝复合管或冶金复合板卷焊复合管，管坯直径与成型弯头直径一致）→下料（两个端面为45°斜面，两个端面对称）→管坯内部装入拼装芯棒→管坯放入弯头模具中，模压成型→管口整形→热处理→内外表面处理→试验检验→坡口加工→冶金复合弯头成品。

该工艺特点：①适用于直径≤ 219 mm 弯头的成型；
②壁厚均匀性较差，弯头外侧减薄，弯头内侧增厚；
③整个成型过程为冷加工，对耐蚀合金层性能影响较小；
④生产效率较高，生产成本较低。

2.2.4 冶金复合板模压对焊成型工艺

该制造成型工艺过程为：准备冶金复合板→冶金复合板划线和下料→板料加热模压→切割对接焊坡口→两半弯头对接焊接→试验检验→坡口加工→冶金复合弯头成品。

该工艺特点：①适用于直径≥ 219 mm 弯头的成型；
②整个成型过程需要加热多次，对耐蚀合金层性能影响较大；
③材料利用率较低；
④成型材料强度等级和壁厚等级较广；
⑤生产效率一般，生产成本较低；
⑥弯头产品存在两条焊缝，安全系数较低。

2.2.5 碳钢弯头内衬爆燃复合成型工艺

该制造成型工艺过程为：准备碳钢弯头管坯和内衬弯头管坯→碳钢弯头内表面处理和内衬弯头外表面处理→将内衬弯头装入碳钢弯头中→两端密封，爆燃复合→试验检验→坡口加工→管端封焊/堆焊→机械复合弯头成品。

该工艺特点：①整个成型过程为冷加工，对耐蚀合金层性能影响较小；
②生产效率较高，生产成本较低；
③成型过程对弯头的尺寸影响较大，产品尺寸精度较差；
④基衬为机械结合，结合强度较低。

2.3 复合弯头制造工艺推荐

综上，复合弯头制造工艺优劣排序为：碳钢弯头内衬堆焊成型工艺＞冶金复合管冷模压成型工艺＞冶金复合管热推制成型工艺＞冶金复合板模压对焊成型工艺＞碳钢弯头内衬爆燃复合成型工艺。

3.1 国内外制造成型工艺

国外双金属复合异径接头的制造方式有冶金复合管热/冷模压成型工艺、碳钢三通内衬堆焊成型工艺等。

国内双金属复合异径接头的制造方式有冶金复合管热/冷模压成型工艺、碳钢内衬异径接头堆焊成型工艺、冶金复合板热模压对焊成型工艺、冶金复合板卷制对焊成型工艺、碳钢异径接头内衬爆燃复合成型工艺等。

3.2 制造成型工艺介绍

3.2.1 冶金复合管热/冷模压成型工艺

该制造成型工艺过程为：准备管坯（管坯为冶金无缝复合管或冶金复合板卷焊复合管，管坯直径与成型异径接头的大端直径一致）→下料→将管坯放入异径接头模具中模压成型（根据变径程度，管坯可能需要加热）→管口整形→热处理→内外表面处理→试验检验→坡口加工→冶金复合异径接头成品。

该工艺特点：①整个成型过程不宜变径过大，否则容易出现小端内衬脱落及起皱现象；
②生产效率较高，生产成本较低。

3.2.2 碳钢异径接头内衬堆焊成型工艺

该制造成型工艺过程为：准备碳钢异径接头管坯（管端为平端，且异径接头的端面至端面距离需要加长）→异径接头内表面焊前处理→异径接头内壁堆焊→试验检验→坡口加工→冶金复合异径接头成品。

该工艺特点：①适用于直径≥ 114 mm 异径接头的成型；
②对碳钢异径接头材料的强度等级没有要求，壁厚要求≥ 9 mm；
③堆焊设备自动化程度较高，工人劳动强度较小；
④生产效率非常低，生产成本非常高。

3.2.3 冶金复合板模压对焊成型工艺

该制造成型工艺过程为：准备冶金复合板→冶金复合板划线和下料→板料加热模压→切割对接焊坡口→两半异径接头对接焊接→试验检验→坡口加工→冶金复合异径接头成品。

该工艺特点：①整个成型过程需要加热多次，对耐蚀合金层性能影响较大；
②材料利用率较低；
③成型材料强度等级和壁厚等级较广；
④生产效率一般，生产成本较低；
⑤弯头产品存在两条焊缝，安全系数较低。

3.2.4 冶金复合板卷制对焊成型工艺

该制造成型工艺过程为：准备冶金复合板→冶金复合板划线和下料→机加对接焊坡口→卷制→对接焊接→管口整形→试验检验→坡口加工→冶金复合异径接头成品。

该工艺特点：①适用于直径≥ 219 mm 异径接头的成型；
②整个成型过程为冷加工，对耐蚀合金层性能影响较小；
③材料利用率较低；
④成型材料强度等级和壁厚等级较广；
⑤生产效率一般，生产成本较低。

3.2.5 碳钢异径接头内衬爆燃复合成型工艺

该制造成型工艺过程为：准备碳钢异径接头管坯和内衬异径接头管坯→碳钢异径接头的内表面处理和内衬异径接头外表面处理→将内衬异径接头装入碳钢异径接头中→两端密封，爆燃复合→坡口加工→管端封焊/堆焊→机械复合异径接头成品。

该工艺特点：①整个成型过程为冷加工，对耐蚀合金层性能影响较小；
②生产效率较高，生产成本较低；
③基衬为机械结合，结合强度较低；
④可实现的变径范围较广；
⑤成型过程对异径接头尺寸影响较大，产品尺寸精度较差。

3.3 复合异径接头制造工艺推荐

综上，复合异径接头制造工艺优劣排序为：碳钢异径接头内衬堆焊成型工艺＞碳钢异径接头内衬爆燃复合成型工艺＞冶金复合板卷制对焊成型工艺＞冶金复合管热/冷模压成型工艺＞冶金复合板模压对焊成型工艺。

4.1 国内外制造成型工艺

国外双金属复合法兰的制造通常采用碳钢法兰堆焊成型工艺，国内双金属复合法兰的制造方式有碳钢法兰堆焊成型工艺、碳钢法兰内衬爆燃复合成型工艺等。

4.2 制造成型工艺介绍

4.2.1 碳钢法兰堆焊成型工艺

该制造成型工艺过程为：准备碳钢法兰毛坯（毛坯为后续尺寸加工留有余量）→堆焊表面焊前处理→法兰内壁和环接触面堆焊→试验检验→机械加工→冶金复合法兰成品。

该工艺特点：①适用于直径≥ 89 mm 法兰的成型；
②对法兰材料的强度等级没有要求，壁厚要求≥ 9 mm；
③堆焊设备自动化程度较高，工人劳动强度较小；
④生产效率较低，生产成本较高；
⑤适合法兰结构形式较多。

4.2.2 碳钢法兰内衬爆燃复合成型工艺

该制造成型工艺过程为：准备碳钢法兰成品（对接端为平端处理）和内衬管→碳钢法兰内表面处理和内衬管外表面处理→内衬管装入碳钢法兰中→两端密封，爆燃复合，法兰内壁内衬完成→法兰环接触面堆焊处理或贴片处理→试验检验→坡口加工→对接端封焊/堆焊→复合法兰成品。

该工艺特点：①适用于直径≥ 48 mm 法兰的成型；
②对法兰材料的强度等级没有要求；
③生产效率一般，生产成本一般；
④法兰环接触面的贴片处理方式适合环接触面为平面结构的法兰。

4.3 制造工艺推荐顺序

复合法兰制造工艺优劣排序为：碳钢法兰堆焊成型工艺＞碳钢法兰内衬爆燃复合成型工艺。

（1）当管件外径≤ 114 mm 时，由于管件直径较小，纯材管件价格小于复合管件价格，且复合管件不易生产制造，所以实际工程应用推荐选择纯材管件。

（2）当114 mm≤ 管件外径≤ 219 mm 时，选择方案如下：①为内衬316L 或2205 的复合管配套管件时，由于内衬材料316L 或2205 价格相对便宜，且管件为中小直径，纯材管件价格小于复合管件价格，所以实际工程应用推荐选择纯材管件；
②为内衬825 或625 复合管配套管件时，虽然管件为中小直径，但是内衬材料825 或625 价格相对较贵，导致复合管件价格小于纯材管件价格，所以实际工程应用推荐选择复合管件。

（3）当管件外径≥ 273 mm 时，选择方案如下：①为内衬316L 或2205 复合管配套管件时，虽然内衬材料316L 或2205 价格相对便宜，但由于管件为中大直径，复合管件价格小于纯材管件价格，所以实际工程应用推荐选择复合管件；
②为内衬825 或625 复合管配套管件时，由于内衬材料825 或625 价格相对较贵，且管件为中大直径，复合管件价格小于纯材管件价格，所以实际工程应用推荐选择复合管件。

从双金属复合管件制造工艺的优劣排序来看，采用堆焊成型工艺生产制造复合管件为优选工艺，但是针对具体的工程应用项目，还需要综合考虑管件原材料的采购难易程度、管件的直径大小、管件的材料类型以及管件的生产数量等因素，最终确定一种性价比较高和生产制造较合理的双金属复合管件生产制造工艺。

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