镍基双金属复合三通内高压成型关键技术的学习体会

文献概况

本文发表于《中国化工装备》2020年第22卷第5期，作者陆恒平和问林先来自扬州市管件厂有限公司。该文系统研究了高腐蚀油气输送用镍基双金属复合三通的内高压成型工艺，提出了"热处理与内高压冷成型相匹配"的研究思路，通过基础试验、理论解析、有限元仿真与实验相结合的方法，对成型工艺进行了系统优化。这是管件制造领域一项具有工程实用价值的研究成果。

技术背景与需求分析

在油气输送领域，高腐蚀性环境（如含H₂S、CO₂、酸性水等介质）对管道及管件提出了极高的耐蚀要求。传统方案通常采用整体镍基合金管材，但成本高昂。镍基双金属复合管材通过在内层使用耐蚀镍基合金（如 Hastelloy C-276、Inconel 625 等）、外层使用经济性管线钢（如 X65、X70 等），实现了耐蚀性与经济性的平衡。

然而，双金属复合管材在管件成型过程中面临特殊挑战：

挑战因素	具体表现	技术影响
层间结合强度	内外层材料热膨胀系数差异大	成型过程中易出现层间剥离
镍基合金冷加工硬化	镍基合金加工硬化速率高	成型极限受限，回弹量大
管线钢的塑性	管线钢塑性较好但强度较低	内外层变形不协调
热处理匹配	不同材料热处理制度差异大	需协调两层的组织和性能

内高压成型工艺分析

内高压成型（Internal High Pressure Forming, IHF）是管件成型的重要工艺之一，其原理是利用管材内部的高压液体使管材在模具作用下发生塑性变形，从而获得所需的管件形状。与传统的热挤压成型相比，内高压成型具有材料利用率高、成型精度高、残余应力分布均匀等优势。

本构模型与成型极限研究

该文对管线钢、镍基合金及双金属复合管材分别建立了本构模型，这是内高压成型工艺优化的基础。双金属复合管材的本构模型需要考虑内外层的变形协调条件：

内外层在变形过程中保持位移连续（无层间滑移）；
内外层在界面上满足应力连续条件；
变形过程中需校核层间剪切应力是否超过结合强度。

成型极限的确定是工艺设计的关键。对于镍基双金属复合管材，成型极限主要受以下因素制约：

镍基合金层的应变硬化：镍基合金的n值（硬化指数）较高，随着变形量增大，所需变形力急剧增加；
层间结合强度：当层间剪切应力超过结合强度时，将发生层间剥离，这是双金属复合管件成型中最常见的缺陷；
管线钢层的屈服：管线钢层过早屈服将导致管件壁厚减薄不均，影响使用性能。

工艺优化路径

该文提出了"热处理与内高压冷成型相匹配"的核心思路，这一思路具有重要的工程指导意义。具体而言：

热处理工艺优化：通过对复合管材进行适当的固溶处理或去应力退火，降低镍基合金层的加工硬化程度，提高其冷成型性能，同时保证管线钢层的力学性能不受影响。
内高压成型工艺参数优化：通过有限元仿真，优化液压曲线、模具形状、成型速度等关键参数，使内外层的变形协调，避免层间剥离。
模具表面仿生微织构设计：在模具表面加工微织构，减少摩擦系数，改善润滑条件，降低成型力，同时有助于改善管件表面的质量。

关键技术参数对比

工艺参数	优化前	优化后	改善效果
液压峰值	较高	降低15-20%	减少设备需求
成型温度	室温	适当预热	降低变形抗力
模具表面粗糙度	Ra 0.8-1.6 μm	Ra 0.2-0.4 μm（微织构）	减少摩擦，改善表面质量
层间结合强度	基准值	提高20-30%	增强成型可靠性

工程实践启示

该文的研究方法体现了现代管件制造技术发展的趋势——多学科交叉融合。材料科学（本构模型、热处理）、力学（有限元仿真、成型极限）、制造工程（模具设计、加工工艺）的综合应用，是解决复杂管件成型问题的必要途径。

在实际生产中，双金属复合三通的成型良率往往受到层间剥离和壁厚不均两大缺陷的制约。该文提出的工艺优化方案，为提升成型良率提供了系统性的技术路径。特别是模具表面仿生微织构的应用，是近年来先进制造技术在管件行业的新应用，值得进一步推广。

对于从事管件制造的技术人员而言，该文提示我们：面对新材料、新工艺的引入，不能简单地套用传统工艺参数，而应建立系统的研究方法，从材料本构、变形机理、工艺参数等多个维度进行综合优化。