В современной промышленности и при строительстве инфраструктуры трубы служат основными компонентами для транспортировки сред и обеспечения конструкционной поддержки. Их производительность напрямую влияет на качество проекта и эксплуатационную эффективность. С учетом непрерывного технологического прогресса однородные по материалу трубы всё чаще не способны удовлетворять разнообразным требованиям сложных рабочих условий. Композитная стальная труба, обладающая ключевыми характеристиками «взаимодополняющих преимуществ и объединённых свойств», за последние годы стала важным направлением развития в трубной промышленности. Изготавливаемая путём сочетания двух или более различных металлических или неметаллических материалов с использованием специализированного процесса, композитная стальная труба сохраняет высокую прочность и удобство обработки исходного материала, одновременно обладая такими важными свойствами, как коррозионная стойкость и износостойкость наплавляемого слоя. Она широко применяется в самых разных областях, включая нефтегазохимическую отрасль, городское водоснабжение и энергетические системы транспортировки.

I. Определение и классификация композитной стальной трубы

Композитная стальная труба представляет собой не единственный продукт, а скорее система продуктов, основанная на «композитной структуре». В академическом плане это трубчатый продукт, образованный прочным соединением двух или более материалов с различными свойствами с использованием физических, химических или механических методов. Часть, обеспечивающая структурную поддержку, называется «основным материалом», тогда как часть, обеспечивающая устойчивость к коррозии и износу, — «облицовкой». В зависимости от сочетания материала основного слоя и облицовки композитные стальные трубы можно разделить на три основные категории, каждая из которых соответствует определённому сценарию применения.

(Я) Металл-металлические композитные стальные трубы

В настоящее время это наиболее широко используемая категория, основной принцип которой заключается в «прочности, гарантированной недорогим базовым материалом, и долговечности, повышаемой за счет высококоррозионностойкой оболочки». Распространёнными сочетаниями являются композитные трубы из нержавеющей стали (углеродистая сталь/низколегированная сталь в качестве базового материала, медь/латунь — в качестве оболочки), а также композитные трубы из сплавов на никелевой основе (углеродистая сталь в качестве базового материала, хастеллой и монель — в качестве оболочки). Например, композитные трубы из нержавеющей стали: их углеродистая стальная основа обеспечивает механическую прочность и ударопрочность, отвечая требованиям транспортировки под высоким давлением; в то же время нержавеющая стальная оболочка обеспечивает устойчивость к коррозионным средам, таким как кислотные и щелочные среды, а также морская вода, что позволяет решить проблему высокой стоимости и склонности к коррозии чистых нержавеющих труб. Эти трубы широко применяются для транспортировки химических сточных вод и в коммунальных трубопроводах прибрежных районов. (2) Металло-неметаллические композитные стальные трубы
Этот тип труб сочетает в себе прочность металлов с коррозионной стойкостью неметаллов, что делает его пригодным для применений с высокой коррозией и низким давлением. Типичными примерами являются сталь-пластиковые композитные стальные трубы (основной материал — углеродистая сталь, облицовка из полиэтилена или полипропилена) и сталь-стекло-композитные стальные трубы (основной материал — углеродистая сталь, облицовка из армированного стекловолокном пластика). Сталь-пластиковые композитные стальные трубы объединяют жесткость углеродистой стали с химической устойчивостью пластика, обеспечивая при этом гладкую внутреннюю стенку, низкое сопротивление потоку жидкости и минимальное обслуживание. Они уже стали предпочтительным материалом для устройства водоснабжения и канализации, а также для транспортировки химических жидкостей. Сталь-стекло-композитные стальные трубы дополнительно повышают термостойкость и теплоизоляцию, что делает их подходящими для специализированных применений, таких как транспортировка высокотемпературных коррозионных газов и изолированные трубопроводы в энергетической отрасли.
(3) Композитные стальные трубы «непроводящий-непроводящий»
В первую очередь удовлетворяя требованиям к эксплуатации в экстремальных условиях, они объединяют различные неметаллические материалы, чтобы компенсировать недостатки однородных неметаллических труб. Примеры включают стальные трубы из композитного материала стекловолокно-углеродное волокно (стекловолокно в качестве основного материала обеспечивает ударную вязкость, а углеродное волокно в качестве армирующего слоя повышает прочность) и стальные трубы из композита полиэтилен-политетрафторэтилен (полиэтилен обеспечивает структурную поддержку, тогда как политетрафторэтилен обладает устойчивостью к сверхвысоким и низким температурам, а также к сильной коррозии). Эти трубы легки, устойчивы к воздействию погодных условий и обладают превосходными изоляционными свойствами. Они широко используются в высокотехнологичных областях, таких как облегчённая авиационная и космическая трубопроводная арматура, транспортировка высокочистых сред в полупроводниковой промышленности, а также трубопроводы для оборудования полярных исследований.

II. Основные производственные процессы для композитных стальных труб

Производительность композитных стальных труб критически зависит от «силы сцепления композитной интерфейса». Только прочное, безупречное соединение между базовым материалом и облицовкой предотвращает расслоение и отслаивание при эксплуатации, обеспечивая общую стабильную работу. В настоящее время основные производственные процессы можно разделить на три категории, каждая из которых имеет значительные отличия в своих принципах, преимуществах и применяемых сценариях.

(Я) Механические композитные процессы

Механические композитные процессы основаны на «физическом давлении», которое заставляет два материала плотно прилегать друг к другу, создавая механическую сцепку или посадку с натягом. К основным процессам относятся композитная прокатка в холодном состоянии, взрывная композиция и гидравлическая выдавливательная композиция. Холодная прокатка с облицовкой включает прокатку металлической полосы облицовки и стальной трубы-основы через несколько наборов валков, что приводит к пластической деформации облицовочного металла и его плотному обхвату вокруг основы. Этот отработанный процесс отличается низкой стоимостью и подходит для массового производства композитных труб из нержавеющей стали малого и среднего диаметра. Взрывная облицовка использует мгновенное высокое давление, возникающее при детонации взрывчатого вещества, чтобы пластически деформировать и соединить облицовочный металл с основной стальной трубой при высоких температуре и давлении. Это создаёт чрезвычайно прочное соединение и может применяться для композитных стальных труб большого диаметра с толстыми стенками, изготовленных из сплавов на основе никеля. Однако эффективность производства здесь низкая, а стоимость высока, поэтому данный метод преимущественно используется для труб, применяемых в специальных условиях. Гидравлическая выдавливательная облицовка заключается в нагнетании жидкости под высоким давлением внутрь заготовки двустенной трубы, что вызывает пластическое расширение внутренней трубы и её плотное прилегание к внешней трубе. Этот метод подходит для композитных стальных труб со специальными профилями поперечного сечения или тонкими стенками, обеспечивая высокую точность и гладкость внутренней поверхности.

(II) Металлургический композитный процесс

Металлургические композитные процессы используют нагрев при высоких температурах для инициирования металлургических реакций в материалах, образуя связь на атомном уровне между основой и наплавкой. Это создаёт чёткую границу раздела и обеспечивает общие эксплуатационные характеристики, близкие к свойствам одного сплава. К основным процессам относятся горячее погружение с наплавкой, наварка покрытия и лазерная наплавка. Горячее погружение с наплавкой включает погружение стальной трубы-основы в расплавленный металл наплавки (например, цинк, алюминий или сплавы нержавеющей стали), что приводит к образованию слоя сплава за счёт диффузионной реакции. Этот простой и экономичный процесс широко применяется для городских ограждений и водопроводных труб низкого давления, где требования к коррозионной стойкости невысоки. Наварка покрытия осуществляется с помощью источников тепла, таких как дуга и плазменная дуга, которые расплавляют порошок металла наплавки или сварочную проволоку и наносят их на внутреннюю или наружную стенку трубы-основы. Толщину наплавки можно регулировать в зависимости от потребностей, что делает этот метод подходящим для толстостенных труб химических реакторов и обсадных колонн нефтяных и газовых скважин, требующих высокой коррозионной стойкости. Лазерная наплавка использует лазер с высокой плотностью энергии для быстрого расплавления и последующего затвердевания материала наплавки и поверхности трубы-основы, образуя тонкое, однородное, высокопроизводительное покрытие с минимальной зоной термического воздействия и высокой чистотой наплавки. Она обычно применяется для трубопроводов прецизионного оборудования и радиационно стойких композитных стальных труб для атомных электростанций.

(III) Процессы химического покрытия
Процессы химического напыления основываются на химических реакциях или диффузии, обеспечивающих образование химических связей между материалом напыления и базовой трубой. К таким процессам относятся в основном химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и методы золь-гель. Химическое осаждение из паровой фазы — это процесс, при котором газ, содержащий элементы покрытия, подается в высокотемпературную трубу-подложку. Газ разлагается и осаждается на поверхности подложки, образуя покрытие. Этот метод позволяет получать сверхтонкие керамические или металлические покрытия высокой чистоты, которые подходят для высокочистых трубопроводов и термостойких антиокислительных трубопроводов в полупроводниковой промышленности. Метод золь-гель заключается в том, что материал покрытия превращается в золь, который затем наносится на поверхность подложки, после чего высушивается и спекается с образованием гелевого покрытия. Этот процесс отличается гибкостью и позволяет получать композитные покрытия на трубах сложной формы. Он часто используется при изготовлении неметаллических неметаллических композитных стальных труб, таких как керамико-стеклянные композитные трубы.