爆炸焊接雙金屬不銹鋼復(fù)合直縫鋼管型式試驗方法探討
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張華1，2黃斌貴3吉建立1 劉長征1何仁洋1任曉婷4
（1．中國特種設(shè)備檢測研究院北京 100029）（2．北京工業(yè)大學(xué)北京 100124）（3．青海油田管道輸油處格爾木816000）（4．江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院宿遷分院 宿遷223800）
摘要：介紹了首次對爆炸焊接雙金屬不銹鋼復(fù)合直縫鋼管進行型式試驗的主要內(nèi)容，重點介紹了基層力學(xué)性能試驗、復(fù)合層晶間腐蝕試驗、雙相不銹鋼的鐵素體／奧氏體比率、基層／復(fù)合層粘結(jié)力試驗和復(fù)合管極限承載能力等幾類試驗，為今后業(yè)內(nèi)該種類型的復(fù)合管型式試驗方法提供了參考，也為修改相關(guān)規(guī)則中關(guān)于復(fù)合管型式試驗的內(nèi)容提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞：型式試驗雙金屬不銹鋼復(fù)合直縫鋼管爆炸焊接 中圖分類號：X933.4
文章編號：1673-257X(2016)03-0012-05 DOI：10. 3969/j．issn.1673-257X.2016.03.003
隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，壓力管道已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、國防等諸多領(lǐng)域，是很重要的特種設(shè)備，其在高溫、高壓、磨損或介質(zhì)對金屬腐蝕等不利條件下操作，腐蝕、斷裂、磨損是金屬構(gòu)件失效的三種主要方式，每年壓力管道由于內(nèi)腐蝕造成的經(jīng)濟損失十分巨大。為了減少經(jīng)濟損失，通常采用更改管道壁厚的方法，但這使工程建設(shè)和使用成本增加，同時由于存在應(yīng)力等不安全因素也使管道處于不安全狀態(tài)。因此，采用復(fù)合技術(shù)將耐腐蝕性好的不銹鋼復(fù)合層在鋼管的內(nèi)壁，在腐燭環(huán)境條件下，管道內(nèi)壁具有不銹鋼的耐腐燭性能，又擁有外層碳鋼的剛度和強度，因而性能十分優(yōu)越，其應(yīng)用前景、經(jīng)濟價值和潛在市場十分廣闊。
型式試驗（Type-Test或Type-Examination）是為了驗證產(chǎn)品是否滿足安全技術(shù)要求而對一個或多個具有代表性的樣品進行合格性評定所進行的全部試驗，它是評價產(chǎn)品安全性能的重要手段，也是鑒定新產(chǎn)品過程中必不可少的環(huán)節(jié)，其主要目的是驗證企業(yè)是否具有生產(chǎn)符合安全性能要求的產(chǎn)品的能力。由于復(fù)合管原不屬于壓力管道元件范圍，因此，復(fù)合管的制造一般不進行型式試驗。
2014年11月開始實施的特種設(shè)備新目錄中增加了“復(fù)合管”這一品種（標號7150）。國家質(zhì)檢總局辦公廳通知《關(guān)于壓力管道氣瓶安全監(jiān)察工作有關(guān)問題的通知》（質(zhì)檢辦特[2015} 675號）中也強調(diào)了新增加復(fù)合管為壓力管道元件，具體包括金屬與金屬復(fù)合、金屬與非金屬復(fù)合、非金屬與非金屬復(fù)合三類。由于過去法規(guī)對復(fù)合管型式試驗未進行要求的原因，關(guān)于復(fù)合管型式試驗方法的研究一直不太充分，行業(yè)內(nèi)存在一定的爭議。
1雙金屬不銹鋼復(fù)合直縫鋼管及其制造工藝
雙金屬不銹鋼復(fù)合管又稱雙層管或包覆管，它由兩種不同的金屬管材構(gòu)成，基管為普通碳鋼管或低合金鋼管，主要承載管道系統(tǒng)的工作壓力，內(nèi)襯管根據(jù)腐蝕環(huán)境不同而選用不銹鋼、鎳基合金等其他耐蝕合金材料，主要發(fā)揮其耐腐蝕特性。
雙金屬不銹鋼管管層之間采用特殊工藝連接形成緊密結(jié)合。受外力作用時，內(nèi)外管材同時變形且界面不分離。雙金屬不銹鋼復(fù)合管按照界面結(jié)合類型主要分為：機械結(jié)合、冶金結(jié)合和擴散結(jié)合。目前國內(nèi)外比較成熟的雙金屬不銹鋼復(fù)合管成型工藝主要有軋制、擠壓、堆焊等傳統(tǒng)工藝和電磁成型、離心鋁熱劑法等新興成型工藝
本次型式試驗用的復(fù)合鋼管，其制造原材料復(fù)合板采用爆炸焊接制作。爆炸焊接也稱爆炸復(fù)合，是融合壓力焊、擴散焊、熔化焊“三位一體”的固態(tài)焊接新技術(shù)，其焊接過程是以炸藥為能源，利用炸藥爆炸產(chǎn)生的轟擊波和釋放出的大量能量來實現(xiàn)異種材料之間的熔合，其特點是能在瞬間使復(fù)層金屬和基層金屬的兩個面產(chǎn)生高速碰撞，并在撞擊面上發(fā)生塑性變形、熔化、原子間的相互擴散等一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)，使不同的金屬材料在爆炸的過程中達到冶金復(fù)合狀態(tài)，其原理如圖1所示�？蛇m用于板材、管材的焊接，焊接界面呈現(xiàn)微小波紋狀，焊接產(chǎn)品兼有兩種或多種金屬性能．結(jié)合強度高，且焊接后的板材機加工性能優(yōu)良，工藝簡單，使用方便。
利用爆炸焊接板材生產(chǎn)的雙金屬不銹鋼管具有高強度、高耐腐蝕、管道內(nèi)壁光滑、摩擦阻力小、低成本等特點，可以廣泛應(yīng)用于石油天然氣輸送、海洋工程、化工等行業(yè)。制備雙金屬不銹鋼管的具體工藝流程如圖2所示：
2雙金屬復(fù)合管型式試驗工作內(nèi)容的確定
特種設(shè)備的型式試驗必須是由國務(wù)院特種設(shè)備安全監(jiān)督管理部門核準的型式試驗機構(gòu)進行檢測，是一種全面的技術(shù)審查和性能測試，必要時可以進行破壞性試驗。每種特種設(shè)備產(chǎn)品都有與其所適用的安全技術(shù)規(guī)范或產(chǎn)品標準。壓力管道元件型式試驗程序主要包括設(shè)計審查、檢驗與試驗、出具型式試驗報告和證書等步驟。
根據(jù)TSG D2001-2006《壓力管道元件制造許可規(guī)則》的相關(guān)要求，許可規(guī)則所規(guī)定的許可項目中沒有直接針對金屬復(fù)合管的制造許可項目，但是根據(jù)爆炸焊接雙金屬不銹鋼復(fù)合管的制造工藝，其承壓部分主要為基層碳鋼管，許可規(guī)則中較為接近的項目為焊接鋼管一直縫埋弧焊鋼管-Al石油天然氣輸送管道用直縫埋弧焊鋼管這個類別，因此根據(jù)TSG D7002-2006（（壓力管道元件型式試驗規(guī)則》的相關(guān)要求，其基層碳鋼管部分的試驗內(nèi)容主要按照該規(guī)則試驗單元I -1的要求進行。
對于雙金屬復(fù)合管的生產(chǎn)和檢驗，一般執(zhí)行石油天然氣行業(yè)標準SY/T 6623-2012（（內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合鋼管規(guī)范》。對復(fù)合層的試驗內(nèi)容主要考慮參考SY/T 6623-2012的相關(guān)要求進行，兼顧考慮SY/T 6623-2005《內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合鋼管規(guī)范》版的相關(guān)要求。
因此，本次型式試驗設(shè)計審查內(nèi)容主要包括：鋼管的成型工藝方法和要求，無損檢測方法和比例，鋼管對接焊縫和焊縫補焊焊接工藝的評定試驗，檢驗和試驗的要求等；檢驗和試驗的內(nèi)容主要包括：外現(xiàn)檢查、幾何尺寸檢測，基管母材和焊縫的化學(xué)成分分析、金相組織、硬度，鋼管力學(xué)性能（縱向拉伸、橫向拉伸、壓扁、斷裂韌性），鋼管焊縫焊接接頭力學(xué)性能（焊接接頭拉伸試驗、延性試驗），耐壓（靜水壓）強度，鋼管及焊縫無損檢測，鋼管殘余應(yīng)力檢測，鋼管極限承載能力[或者補充耐壓（靜水壓）]強度測試，鋼管抗變形能力測試，襯管晶間腐蝕試驗、復(fù)合管靜水壓試驗、雙相不銹鋼鐵素體／奧氏體比率測試和復(fù)合管粘結(jié)力試驗等。
3部分型式試驗結(jié)果及討論
3.1試驗產(chǎn)品規(guī)格
本次型式試驗抽樣產(chǎn)品具體參數(shù)詳見表1。
3.2基管力學(xué)性能試驗
拉伸實驗結(jié)果見表2，由表2可知，試樣基管所檢項目(R10.5、R m. A)均符合API Spec 5L：2007《管線鋼管規(guī)范》中9.3節(jié)關(guān)于PSL2等級的拉伸試驗要求，拉伸試驗合格。
對基管焊縫正反面分別進行彎曲試驗測試，彎曲角度1800，彎心直徑100mm，結(jié)果顯示抽樣產(chǎn)品試樣均未出現(xiàn)裂紋、裂縫或斷裂現(xiàn)象，表明接頭塑性良好，符合API Spec SL：2007中10.2.12節(jié)的相關(guān)要求，彎曲試驗結(jié)果合格。
按照GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》的相關(guān)要求將試驗樣品加工成尺寸大小為10mm×10mm×55mm的試樣進行沖擊試驗，結(jié)果顯示抽樣產(chǎn)品基管母材和焊縫試樣在-10℃下夏比(V型缺口)沖擊試驗沖擊功和剪切面積結(jié)果詳見表3，均大于試驗方案的規(guī)定數(shù)值，符合API Spec SL:2007中9.8.2節(jié)的要求，沖擊試驗合格。
將試驗樣品加工成尺寸為25.60mm×4.66mm大小的試樣，在液壓萬能試驗機上進行粘結(jié)力測試，結(jié)果顯示粘結(jié)強度達546MPa，大于標準要求值140MPa，滿足實際應(yīng)用要求；
將抽樣產(chǎn)品基管的母材和焊縫在HBE-3000電子布氏硬度計上進行硬度實驗，結(jié)果顯示抽樣產(chǎn)品試樣基材的母材和焊縫的最大硬度值為210HB，符合試驗方案中規(guī)定的基材鋼管的硬度值應(yīng)低于327HB的要求，硬度試驗合格。
3.3晶間腐蝕實驗
將試樣表面用砂紙進行研磨，之后放入加銅屑的微沸硫酸+硫酸銅+水溶液中連續(xù)腐蝕16h，然后對焊縫部位彎曲180。，在10倍放大鏡下觀察是否有裂紋產(chǎn)生，試樣腐蝕試驗結(jié)果如圖3所示，由圖3可以看出，經(jīng)16h腐蝕后，樣品表面無紅銅，彎曲后無裂紋產(chǎn)生，符合SY/T 6623-2005標準要求，晶間腐蝕實驗合格。
3.4鐵素體／奧氏體比率檢測
對2根雙相不銹鋼鋼管進行鐵素體／奧氏體比率測試，試驗按照SY/T 6601-2004《耐腐蝕合金管線鋼管》中第8.1節(jié)進行，雙相不銹鋼鋼管鐵素體／奧氏體比率（以下簡稱F/A）應(yīng)在0.35～0.65之間，見表4。F／A的測定應(yīng)在耐腐蝕層的3個點上進行，三組讀數(shù)的平均值應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。
3.5粘結(jié)力試驗
根據(jù)ASME A264《鉻-鎳不銹鋼復(fù)合鋼板進行粘結(jié)力試驗》中7.2.1條的相關(guān)規(guī)定進行粘結(jié)力測試，覆層合金和基體合金的最小剪切強度應(yīng)為20000psi(140MPa)，詳見表5。
3.6金相組織
復(fù)合管基材、復(fù)材及其焊縫金相組織如圖4所示，可以看出基材母材和焊縫均由鐵素體和珠光體組織構(gòu)成，復(fù)材母材的金相組織為奧氏體和鐵素體雙相組織；復(fù)材焊縫金相組織為奧氏體和鐵素體雙相鑄態(tài)組織。試樣基材的母材和焊縫的晶粒度均為11.0，由于相關(guān)標
準中沒有金相組織合格指標，數(shù)據(jù)僅供業(yè)內(nèi)同行參考。
3.7極限承載能力及抗大變形能力
選取3根復(fù)合管，按SY/T 6623-2005中第8.4節(jié)要求進行水壓試驗，直至復(fù)合管爆破，測定復(fù)合管爆破時的壓力值，受壓管的最小長度為鋼管外徑的6～8倍，但需不超過12 .19m。試驗前測量試樣的外徑和壁厚。1）試驗時，先將空氣排凈再加壓，升壓速率控制在34MPa/min以下；2）試驗中，全程采集內(nèi)壓和體積應(yīng)變，屈服和爆破時的體積應(yīng)變值反映復(fù)合管的極限應(yīng)變能力。
將抽樣產(chǎn)品在20.7MPa的水壓下保壓10s，未發(fā)生泄漏或變形，符合SY/T 6623-2005中的相關(guān)規(guī)定。圖5為極限承載能力現(xiàn)場實驗圖，由圖5 (b)壓力一時間曲線圖可以看出隨著時間的延長，管內(nèi)水壓不斷增大，當(dāng)壓強增大到119.6MPa時，管體沿縱向發(fā)生開裂，超過計算爆破壓力值；表明鋼管極限承載能力符合SY/T 6623-2005中第8.4節(jié)中關(guān)于測試值應(yīng)不小于63.3MPa的規(guī)定。在室溫條件下對抽樣產(chǎn)品進行抗大變形能力試驗，由圖5 (c)進水量一時間曲線圖可以看出，結(jié)果顯示在屈服壓強為85.1MPa下的進水量為10.971m3，體積變化率為6.73%；在爆破壓力為119.6MPa下的進水量為18.490m3，體積變化率為11. 35%。由于抗大變形能力沒有合格指標，數(shù)據(jù)僅供業(yè)內(nèi)同行參考。
4結(jié)論
1)根據(jù)TSG D2001-2006的相關(guān)要求，該規(guī)則所規(guī)定的許可項目中沒有直接針對金屬復(fù)合管的制造許可項目，建議針對該類產(chǎn)品的型式試驗，應(yīng)包括基層、復(fù)合層分別進行，同時還應(yīng)考慮對基層和復(fù)合層之間的粘結(jié)力進行測試，主要進行的型式試驗項目至少包括：檢驗和試驗的內(nèi)容主要包括：外現(xiàn)檢查、幾何尺寸檢測，基層母材和焊縫的化學(xué)成分分析、金相組織、硬度，基管力學(xué)性能（縱向拉伸、橫向拉伸、壓扃、斷裂韌性），基管焊縫焊接接頭力學(xué)性能（焊接接頭拉伸試驗、延性試驗）、復(fù)合管耐壓（靜水壓）強度、復(fù)合管及焊縫無損檢測、復(fù)合管殘余應(yīng)力檢測、復(fù)合管極限承載能力[或者補充耐壓（靜水壓）]強度測試、復(fù)合管抗變形能力測試，襯管晶間腐蝕試驗、襯管雙相不銹鋼鐵素體／奧氏體比率測試和復(fù)合管粘結(jié)力試驗等。
2)型式試驗結(jié)果顯示采用爆炸焊接技術(shù)生產(chǎn)的X70/S31803內(nèi)襯不銹鋼雙金屬復(fù)合鋼管，力學(xué)性能良好，耐腐蝕性能優(yōu)異，復(fù)材組織為鐵素體和奧氏體雙相組織，相比例合適，各項性能指標均達到型式試驗方案要求標準，確認試驗結(jié)果符合TSG D7002-2006試驗單元I -1的要求。型式試驗覆蓋的型號規(guī)格產(chǎn)品為：基管材質(zhì)鋼級不高于L485MB (X70)，壁厚≤23mm，復(fù)材材質(zhì)為雙相不銹鋼，按照SY／T6623-2012標準制造的雙金屬復(fù)合鋼管，建議允許該企業(yè)進行工業(yè)化生產(chǎn)。
