1国内外双金属管的发展现状
近年来，国内双金属复合管无论是在品种结构、质量、产量，还是在生产技术方面均取得了长足的进步。2011 年 9 月 8 日，历时 39 天，长约22.5 km 的崖城 13-4 海管项目提前铺设完工。这是我国海洋油气输送领域首条双金属机械复合海管线，也是第 1 次采用国内自己生产并自行施工的双金属复合管海洋油气输送管线。该项目的竣工标志着双金属复合管在我国海洋油气输送管线上的应用迈出了实质性步伐［1］。
国外双金复合管的生产工艺已日趋完善，有些国家还达到了专业化生产的水平，产品除满足本国需求外还大量出口。前苏联于 20 世纪 60 年代已能批量生产各种耐热耐蚀、有色金属、镍等复合管，以及用于动力、机械制造、造船等领域的特薄壁和大直径管，现在有许多钢管厂具有一定的生产能力或专业化生产能力。日本住友金属公司利用现有常规制管设备生产了 Φ25.4～406.4 mm 的多种不锈钢复合管。日本神户制钢公司近年建成的数条原子能用管生产线，专门生产核反应堆用锆复合管及高级不锈钢复合管，其特点是品种规格齐全、质量好、产量高，仅锆复合管的生产能力就达 65 万t。此外，美、英、德等国都有一定的生产双金复合管的能力。国外除进一步完善常规制管工艺外，还研究开发了一些特殊工艺及相应设备，如离心铸造、爆炸焊接、热膨胀焊接等，使双金属管的生产技术达到了更高的水平［2］，品种规格更加齐全。
2双金属复合管的复合类型和特点
按照复合管界面的结合方式，双金属复合管可分为机械结合型复合管［3］和冶金结合型复合管［4］，分别如图 1 所示。双金属复合管的成型特点和主要生产厂家见表 1。
2.1 机械复合
机械复合是第一代双金属复合管的生产方法，具体又可分为滚压、胀接、拉拔 3 种。通常复合用的 2 根金属管分别制造，一根套入另一根内，然后通过滚压、胀接、拉拔以达到机械配合。采用适当的胀形类成型工艺，卸载后不同材料的厚壁双层金属复合管材呈紧密配合状态［5］。此工艺生产的机械复合管没有扩散接合面，仅限于 250 ℃以下低导热工艺过程。
2.1.1 滚压复合
双金属复合管的滚压复合原理如图 2 所示［6］。滚压复合是以液压胀形或其他现有工艺，首先使双金属内外管套装在一起，达到小间隙配合。内外管的紧密配合则通过管内壁的滚压过程完成，且周向分布的滚压元件能自动进行径向位移补偿，同时滚压力保持稳定［7］。滚压复合的特点是：尺寸控制准确，可以获得较好的内、外表面质量，而且覆层厚度小，工艺灵活，可用于单件生产或批量生产；适用于生产Φ50～250 mm，长度小于 9 m 的双金属复合管；覆层厚度 0.5～2.5 mm，基层材料为普通碳钢，覆层可以根据需要选用不锈钢、铜、铝、钛合金等。缺点是：结合强度低，可用于简单的流体输送、煤矿用单体液压支柱和综采支架油缸，而对于要求较高的锅炉管和油井管、油套管则不适合。
2.1.2 胀接复合
胀接复合分机械胀接和液压胀接 2 种。机械胀接是利用滚胀心轴回转挤压，使复合管内管发生塑性变形，外管发生弹性变形，从而使复合管的外管对内管产生残余应力，以达到复合管内外壁的紧密贴合；液压胀接原理与机械胀接相同，只是用管内高压水施压代替滚胀心轴回转挤压［8-10］。机械胀接时胀接力大小难以确定，易发生欠胀或过胀，且多次滚胀易造成衬里开裂。液压胀接时胀接力均匀且大小可进行计算［10］，液压胀接生产的复合管内管壁表面无擦伤和破坏现象，也不出现加工硬化现象，因此更具优越性；但液压胀接存在的技术难点是如何解决两端口液压的密封问题［6，9］。
双金属复合管的液压胀接复合原理如图 3 所示。机械胀接与液压胀接的共同缺点：内外管只是机械结合，在高温环境下会因产生应力松弛而分层失效［6，9］。
2.1.3 拉拔复合
拉拔复合的主要工艺流程：复合管接触表面清洁处理→配管→某一端热缩头冷拔（或拉杆带动拉挤模拉拔）→表面抛光。机械拉拔复合法分为缩径法和扩径法，原理如图 4 所示。
机械拉拔法的模具表面与管材的表面全接触，在拉拔过程中摩擦阻力大，因此与滚压法相比，所需要的成型力大，能耗高［11］。
2.1.4 旋压复合
机械旋压复合原理如图 5 所示［12］。复合过程中组合好的复合管坯旋转的同时，3 个呈锥形的旋轮反方向旋转并推进，使外层碳钢均匀地贴于不锈钢管体上，形成静配合的螺纹连接。这种方法适用范围比较有限，加工大直径钢管比较困难，而且层间界面机械结合强度低。
2.2 冶金复合
双金属复合钢管的冶金复合是用爆炸、堆焊、双熔体等工艺复合而成，复合界面是冶金熔合在一起的。其主要特点是：复合界面带宽，熔合两种金属，复合牢固，导热、导电和声音传导没有界限，冷热缩胀一致。
2.2.1 爆炸焊接
使用电雷管引爆炸药，在爆轰波的作用下完成爆炸复合。沿着爆轰方向，覆层（Al）与基层（Ti）依次产生撞击，并在 2 种材料表面产生塑性变形；由于动能转化成了热能，塑性变形后还会产生薄层金属熔化。由于界面上的高温、高压、金属塑性变形及熔化等的综合作用，导致了覆层（Al）与基层（Ti）之间的原子相互扩散，从而在界面上形成包括金属塑性变形特征、熔化特征和原子间相互扩散特征的结合区。Ti/Al 复合管爆炸焊接装置如图 6 所示［13］。
2.2.2 热轧和热挤压工艺
热轧复合工艺主要适用于有缝复合管的生产，热挤压复合工艺适用于无缝复合管的生产［9-10］。热轧复合是利用热轧复合板卷焊成复合管。热轧复合经常应用于壁厚小的管材加工，缺点是一次性投资大，而且很多材料组合不能通过轧制复合实现。目前应用最广泛的是利用热轧工艺进行碳钢、不锈钢焊管复合管的制造［6，10］。
热挤压是目前生产不锈钢和高镍合金无缝复合管的最好方法，其原理如图 7 所示［14］。该方法是将 2 种或 2 种以上的金属组成的大直径机械套装复合管坯加热到1 200 ℃左右，然后通过由模具和芯棒组成的环状空间进行挤压。当挤压前、后金属管环形截面面积比为 10 ∶ 1 时，极高的挤压压力和温度会在界面处产生“压力锻”的焊接效应，促进界面间的快速扩散和充分结合，使成品界面形成冶金结合的复合挤压管。
热挤压法的优点是：界面为冶金结合；挤压过程中涉及的力为三向应力，因此特别适合于热加工性不好、塑性低的高合金金属的加工。缺点是：由于结合决定于挤压过程中极短时间内的元素界面扩散，常会因氧化物膜的存在而受到影响，因此目前复合挤压限于碳钢、不锈钢和高镍合金几种材料间的复合［6，9-10］。
2.2.3 离心铸造和离心铝热剂法
离心铸造的优点是铸件结晶细密，铸造缺陷少，机械性能好，结合面牢固。缺点是铸出的内孔不准确，内表面质量较差，但一般能满足普通管道的使用要求［6，9-10］。离心铝热剂法，即自蔓延高温合成，实质是在离心力场中引起铝热反应［15］，其复合原理如图 8 所示。可以采用离心铝热剂法制造耐蚀耐磨涂层，也可以对安全性要求苛刻的工程组件进行快速焊接。管道复合时，先将金属铝粉与其他金属氧化物粉末混合均匀，浇入管内，然后将钢管高速旋转，在离心力作用下，粉末如液体一样流动，在整个内表面形成均匀涂层。点燃后，放热反应在几秒钟内就可达到焊接或堆敷的温度［9-10］，这些涂层与管基体结合形成冶金结合的堆敷层。
2.2.4 消失模真空吸铸法
消失模真空吸铸法工艺是用钢管作外管，用EPS（聚苯乙烯泡沫塑料）制作内管的模型管。将制好的模型管放入外管内，在该模型管内壁刷上耐火涂料并烘干，然后安装浇注系统，最后将它们埋入砂型，浇注耐磨材料，即制成外管为钢管、内管为耐磨材质的双金属管。消失模真空吸铸法复合原理如图 9 所示［16］。
用该工艺也可制造其他不同形状、不同管径及壁厚的各种双金属管，如双金属弯管、双金属三通管、四通管及异形管等［6，9，17］。
2.2.5 中频感应加热钎焊法
中频感应加热钎焊法工艺先对外管和内管表面进行清洁处理，在内管外表面涂覆钎料，把内管与外管套装在一起后进行冷拔复合，使外管与内管界面间获得一个适合于钎焊的毛细间隙，且使外管内表面与内管外表面涂覆的钎料紧密贴合，然后把冷拉拔复合后的复合管坯放在中频感应加热钎焊装置中进行钎焊，需要时还可对焊后的复合管进行后续热处理。
中频感应加热钎焊法克服了双金属复合管层间存在大量导致结合不牢固的间隙，在外管与内管间形成一层钎焊，填满层间间隙，使两者形成 100％的冶金结合。
2.2.6 堆焊成型法
堆焊是较早使用的制作复合金属的方法，是一种用熔焊、钎焊、热喷涂、喷熔等方法在工件表面堆敷一层具有特定性能材料的工艺过程。狭义上的堆焊即指熔化焊方法堆焊。
采用堆焊法制造复合管的主要缺点是：大面积堆敷时成本太高；可生产的材料组合仅限于熔化焊下具有相容性的材料之间，不能复合两种熔点相差太大的材料，也不能复合在焊接时产生脆性金属化合物的材料。堆焊常用于不锈钢与碳钢的复合。
2.2.7 其他冶金复合成型法
（1） 爆炸复合板卷焊复合管。文献［18］的研究针对油田集输管线对抗腐蚀性能的特殊要求，开发了大面积 2205/Q235 双相不锈钢复合板材。采用直缝双面埋弧焊（JCOE）成型技术和氩弧焊+CO2保护焊复合焊接技术，成功试制了 Φ426 mm×14 mm 覆层 2205 双相不锈钢的复合管。
（2） 双金属复合喷涂技术。文献［19］针对长庆靖边气田部分高含水、高矿化度气井腐蚀严重，油管寿命短，导致气井停产，修井频繁、费用高，给气田生产带来安全隐患等问题，提出了底层 13Cr不锈钢、面层 Al 合金的双金属复合喷涂技术。该方法采用超音速电弧喷涂技术对外壁喷涂，利用 2根连续送进的金属丝作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源，用压缩空气将熔化了的丝材雾化，并以超音速喷向工件表面形成结合强度高、孔隙率低、表面粗糙度低的涂层。
（3） 电磁成型法。电磁成型工艺属于高能加工范畴，它是利用瞬间的高压脉冲磁场迫使金属产生塑性变形。当高压直流电流对高压脉冲电容器充电，电压达到隔离开关的临界击穿电压时，隔离间隙被击穿，电容器将储存的全部能量加在线圈上，几微秒内在线圈上通过很大的电流，瞬间产生强脉冲磁场。放置在线圈外的管材金属就会感应反方向电流，而产生的反向磁通阻止磁通穿过管材金属，迫使磁力线密集在线圈和管材金属的间隙内，密集的磁力线具有扩张的特性，使管材金属表面各部分受到巨大的冲击压力，在几微秒内就可与模具或另外一管材进行撞合，在结合界面处产生塑性流动，形成冶金结合。电磁成型法效率高、安全，可连接性质迥异的两种金属；但限于其工艺特殊，目前只适合用于加工强度低、导电性能好的材料，如Cu、Al 等［6，9-10］。
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