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1 冶金雙金屬復合管的特點
離心鑄造冶金復合管兼備了兩種金屬的優點,具有良好的綜合性能:
.根據不同的應用環境,選擇不同的內外層材質,使其在最經濟的情況下獲得最佳的耐腐蝕、耐磨損、溫、高強度等特性;
.較高的沖擊性能;
.冶金界面(過渡層)結合強度高于現有的其它復合工藝;
.良好的抗爆破撕裂能力;
.良好的低界面應力性能。
2 雙金屬冶金復合管綜合性能分析
(1) 良好的結合層特性
離心鑄造雙金屬冶金復合鋼管內外層界面完全實現了冶金結合,克服了其它復合方式,因結合層結合強度低,以及存在較大熱應力等不足,導致高溫和交變溫度環境下因應力作用而分層的致命缺陷。
由于生產工藝的特點,離心澆注而成的復合鋼管在兩層金屬的結合部位出現了一段成分由外層向內層逐漸變化的平滑過渡層,與其他具有冶金結合復合管相比(堆焊復合、擴散復合等)過渡層寬度達到70靘 ~140靘。
離心澆注+擠壓工藝生產的復合鋼管較熱擴散+擠壓復合管具有更寬的成分過渡區。較寬的過渡區可以有效地減少由于兩層金屬熱脹系數不同帶來的結合層應力,進而防止復合管在交變熱應力工作條件下帶來的分層破壞。
通過對20Cr/1Cr18Ni9Ti冶金復合管冶金結合層進行拉伸試驗表明,整體復合管的力學性能超過了基體的力學性能。其研究同時表明,即使經過機加工過程(高溫、變形大)和高溫疲勞試驗,復合管的冶金結合層仍無分層現象。
界面過度層良好的合金化,其結合層強度往往高于基層或復層強度,以304L/20G的復合管為例,按照ASTM 264標準進行剪切試驗,剪切強度達到440MPa 實際剪斷發生在304L層。按該檢測標準,常規爆炸焊復合管達到120MPa、常規爆炸焊+熱軋復合板達到196MPa即可。高的結合強度對復合管冷變形加工性至關重要。
(2) 良好的力學性能互補
以強度較低的耐蝕鋼與高強度管線鋼復合后,與同壓力級別壁厚的純耐蝕鋼相比,可較大幅度的降低整體壁厚,或同厚度下管線具有更高的安全性。
(3) 抗裂紋擴展能力
雙金屬無縫管重要的用途在于輸送腐蝕性的高壓流體,這就要求復合管既具有高的耐腐蝕性能,又得具有足夠的耐壓能力。同樣,作為高壓輸送的管線鋼,人們希望鋼管屈服強度越高越好,但高強度鋼材往往塑性和沖擊韌性較低,在管線因意外情況破裂時,破口迅速擴展幾米甚至數十公里,從而造成災難性事故。為此,管線鋼在考慮選用強度時,更加注重塑性指標,因此眾多可達千兆帕級的鋼種不能作為高壓管線鋼使用。由此極大制約了管線的輸送壓力和效率。
采用特殊復合管,即:外層采用千兆帕級的高強度鋼種,內層采用高塑性的奧氏體不銹鋼或低碳鋼則可緩解這一矛盾,新興鑄管股份公司成功開發了X52/825、X60/825等內層具有高塑性、抗腐蝕性,外層具有高強度的雙金屬薄壁復合管,既降低了貴重金屬的成本,又滿足了高抗腐蝕性、高抗壓性的性能要求。
為研究其在高壓情況下,抗裂紋擴展的能力,實驗室做了X60/825的斷口試驗。
采用內層高韌性、外層高強度,具有平滑過渡層的冶金雙金屬復合管做高壓輸送管線時,在同樣的裂紋缺陷條件下,可以有效的防止裂紋擴展的能力,防止管網長線破裂的重大事故。
1)內層的韌性材料可以使裂紋尖端的應力集中通過塑性變形得到釋放而松弛下來,即使復合管線發生爆裂時,內層的韌性材料可以使裂紋尖端的應力集中通過內層塑性變形的阻尼作用得到釋放,從而防止了管線的長距離災難性爆裂。
2)內層金屬的存在降低了彈性狀態下外層受到的實際工作應力,從而外層允許的裂紋尺寸增大。
(4) 抗應力腐蝕
應力腐蝕破裂是指材料在外加或殘余應力和腐蝕介質聯合作用下發生的破裂。這是一種及其危險的低應力破壞形式,這種破壞具有滯后性。金屬材料在特定的腐蝕環境中,應力水平越高,發生應力腐蝕破裂的時間愈短,發生裂紋的傾向越大。
經爆炸成形的雙金屬復合管的殘余應力明顯高于離心澆注雙金屬冶金復合管,過渡層殘余應力呈直線突變,大大減低了其抗應力腐蝕性能。而離心澆注雙金屬冶金復合管過渡層殘余應力變化緩慢,不易形成應力集中,提高了其抗應力腐蝕性能。
3 結論
(1)冶金結合復合管的冶金結合層較其它復合管(堆焊符合、擴散復合等)可有效防止交變熱應力工作條件下帶來的分層破壞;
(2)冶金結合復合管的抗裂紋撕裂能力明顯優于同等基體材質的單金屬管材;
(3)在抵抗應力腐蝕方面,離心澆注雙金屬復合管較爆炸成形復合管具有更為明顯的優勢。
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