CN101087665B - 多层管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及借助于弯曲压辊机生产多层管(5)的方法。基于所述方法将将要结合形成多层管(5)的材料层(1，2)彼此重叠放置，放置好的多层材料借助于弯曲轧辊机形成多层管。在管成型的最后阶段，在弯曲轧辊机和/或后来会使用到的弯曲机中，每个作为内管的材料层(1)借助于压力被压进每个作为外管的材料层(2)中。

Description

多层管及其制造方法

发明领域：

本发明是关于多层管及其制造方法的。多层管主要应用于高抗腐蚀或抗磨损领域。

背景技术：

使用多层管来制造耐腐蚀的贮压器或者传压管比使用相应的材料更经济。它是通过将压力分解到一个薄的，耐腐蚀的内层(如抗锈抗酸的钢材)和一个高强度的压力系数稳定的外层上(例如偏细晶粒结构钢)。这样可以大大降低耗钢量，而所使用的大部分钢材也可以用价格较低的材料代替。

持久磨损管路可以通过采用(例如使用机械连接)多层管从而达到一定的产品质量等级，这种材料(高强度、高硬度)作为内层将不会很困难地加工成管材。

多层管的材料层之间的连接有很多种可能形式，原则上材料的可连接性只是通过每种相对应的加工技术来限定的。

在管罩的生产中有如下区别：

-内管和外管之间采用完全的冶金性连接(这需要采用半成品类型的金属板)，

-内管和外管之间采用完全的机械连接(如摩擦连接)，主要是指边缘焊接在一起的内金属板和外金属板之间的连接。

根据现有的技术条件，这两种多层管的制备方法如下：

这种制造方法是通过JP-A-60111791而著名。

对于各层之间冶金性连接的多层管，可以使用半成品的相连接的金属板(金属板是由两种不同(钢)材料组成)。多层管将按照如下步骤生产出来：

-首先是通过轧板机或者喷洒电镀机来生产连接一金属板。

-然后按照通常的步骤，例如借助弯曲轧辊机或压弯机进行管定型。

-然后是焊接，多层管的外壁根据所使用的材料按照一般的管焊接步骤进行，内壁的焊接同样根据所使用的材料进行。

在现有技术条件下，这种的方法的缺点在于，一方面制作半成品的成本较高，由此带来的最终产品成本也较高；另一方面由于半成品的性能极其有限，限制了在世界范围内的生产量。据发明者及申请人所知，目前世界上只有极少有轧板机这种生产多层板的设备，如在奥地利和日本，而在德国没有这样的设备。同样，也极少有喷洒电镀机，只有在德国布尔巴赫(Burbach)有少数这种设备，但其使用的生产技术复杂性并且成本过高。另外值得注意的是，只有非常小的生产批量才可以使用这种方法。此外通过这种方法加工的原材料的数量是有限的。如果磨损系数一定的钢材由于其高含碳量而不能或者很难被焊接，那么就不适合做内管。

而对于机械连接的多层管，多个(优选两个)高质量成品管作为生产多层管的半成品来使用。这一过程借助于两个管子的示例说明如下：

-两个已抛光管由可以彼此结合且无摩擦移动的原材料制备成适当契合，并且外管必须显示出比内管更高的屈服强度。

-通过膨胀(机械的，例如膨胀压或液压，交错排列的管子通过这种压力被压进一个包着外管的冲模中)内管在外管的弹性扩张下被压进外管中。膨胀力消失后，外管由于其更高的回弹压力，从而包住内管。

最后，这两种材料在正面被焊接起来。

在现有技术条件下，这种方法的缺点在于：外管必须具备比内管更高的屈服强度，否则，与内管加紧所需要的由于外管的高伸缩性而导致的回弹将会不起作用。这也是一个非常致命的弱点，因为高屈服强度材料，比如高强度钢，其对于抗侵蚀的多层管的内管非常有好处，但却有高或非常高的强度使得不适合用于这种制造。

发明内容：

基于上述分析，在现有技术条件下，本发明的目标是提供一种多层管及其生产方式，以便于一方面既能够避免上述使用轧板机和喷洒电镀机机器时需要用到半成品的缺点，另一方面，可以摆脱现有技术条件下，多层管制造过程中各层之间摩擦形成的机械连接带来的诸多限制。

这一目标首先基于本发明的多层管的制造方法在轧辊帮助下来实现的，其中，将要结合形成多层管的材料层彼此重叠放置，然后材料层之间形成第一处连接，这样多层材料利用弯曲轧辊机形成管，其中由于轧辊从上到下的压力在材料层之间产生恒定紧摩擦，在成形过程中材料层相互运动的部分，由于内管和外管不同的弯曲半径在相应的成形步骤中相互移动，在一定的成形步骤完成后，材料层)之间至少另一处连接通过如下形成，即所述材料层在至少另一位置上被相互连接起来，然后多层管利用弯曲轧辊机和/或弯曲机最终成型，其中在最后成型过程中材料层相互之间不再运动，作为内管的材料层被压进作为外管的材料层中。

根据上述的发明能够避免轧板机和/或喷洒电镀机使用半成品，这是由于，作为内管的材料层在管成型过程中，在弯曲轧辊机和/或在一般情况下管最终成型所必需的弯曲机中，受力均匀的被压进作为外管的材料层中，并且在每个外管中由于摩擦作用使其固定，不需要将多层管扩大，因此也就避免了前述缺点。需要指出在个别情况下在弯曲轧辊机中完成最终成形也是可能的，如在短一些的弯曲轧辊机中，就可以完成管的最终形状。在这种情况下，上述发明的步骤中就不再使用弯曲机。

如果在上文中指的是沿一条边或者沿一条(优选只是假想)线的连接，那么它就指代了沿边或线的每种连接方式，不管是沿整条边或整条线，或者只沿一段边或线，或者只是单个的点(如焊接点)或两个点(主要是边或线的终点，或者边或线上单独的点)的连接是否存在，这些连接方式都是相同的。

上述发明所述的，借助于弯曲轧辊机的多层管生产方式另一种优选实施方式中，

材料层之间的第一处连接通过材料层沿位于上层材料层的一条纵向或横向边相互连接形成，

在一定的成形步骤后，沿位于静止上层材料层的第二纵向或横向边，材料层间的至少另一连接形成。

在一定的成形步骤进行到或超过50％但是不足100％时，在材料层之间形成至少另一处连接。

上述发明所述的，借助于弯曲轧辊机的双层管(包括内管和外管)作为多层管的制造方法的第二优选实施方式中，一定成形之后，材料层的再一连接出现。成形度——用F_for表示，以百分比的形式给出，计算如下：

$F_{\mathrm{for}}=(1-\frac{\frac{{\mathrm{\σ}}_I}{E}\·(\mathrm{DA}-2\·\mathrm{SA}-\mathrm{SI})\·\mathrm{\π}\·(Z_s+1)}{(\mathrm{DA}-\mathrm{SA})\·\mathrm{\π}-(\mathrm{DA}-2\·\mathrm{SA}-\mathrm{SI})\·\mathrm{\π}})\·100$

DA指外管外直径，单位mm

SA指外管壁厚，单位mm，

SI指内管壁厚，单位mm，

σI指内管屈服强度，单位N/mm2，

Zs指弹性附加值，以百分比的形式给出，

E指弹性系数(E-系数)，单位N/mm2。

上述Ffor表达式的推导过程如下：

外管中性纤维的长度——这里用Lnfa来表示，是

L_nfa＝(DA-SA)·π

内管中性纤维的长度——这里用Lnfi来表示，是

L_nfi＝(DA-2·SA-SI)·π

在管百分之百形成度的条件下任意片边的移动为：

L_fv＝L_nfa-L_nfi

达到弹性界限的内管的应力——这里用εst表示，则为

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{st}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_I}{E}$

达到屈服强度的弹性长度是

L_st＝ε_st·L_nft·(Z_s+1)

成形度用Ffor来表示，以百分比的形式给出(值在0和1之间)。在成形过程中，材料层间的另一连接会出现

$F_{\mathrm{for}}=1-\frac{L_{\mathrm{st}}}{L_{\mathrm{fv}}}$

换算成百分比的形式如下：

$F_{\mathrm{for}}=(1-\frac{L_{\mathrm{st}}}{L_{\mathrm{fv}}})\·100$

DA指外管外直径，单位mm

SA指外管壁厚，单位mm

SI指内管壁厚，单位mm

σI指内管屈服强度，单位N/mm²

Zs指弹性附加值，以百分比的形式给出

E指弹性系数(E-系数)单位N/mm²

这样就得到了开始时给出的F_for的计算公式，成形度以百分比的形式给出，在这一成形过程中材料层之间的另一处连接出现。引入弹性附加值，是考虑到在这一过程层材料层之间至少另一处连接的固定具有不确定性，并且可以通过相对于外管来说所需要的内管压力的实现得到平衡。

可以通过一些实例来说明上述内容，最大值和最小值以及典型取值都是与成形度相关，在成形过程中材料层的至少另一处连接会出现。

表1：材料层之间另一处连接的形成步骤的示例说明。

参数	单位	最小可能取值	典型取值	最大可能取值
					DA	mm	406	762	2500
SA	mm	25	20	12
					SI	mm	10	3	1
σ<sub>I</sub>	N/mm<sup>2</sup>	100	350	480
					Zs	％	0％	50％	15％
E	N/mm<sup>2</sup>	210.000	210.000	210.000

表2：表1中材料层之间另一处连接的成形度大小

根据本发明，借助于弯曲轧辊机的多层管制备方法的第二优选实时方式其特征在于：至少一个材料层是由不少于一个单元(主要是不少于一个的片材)组成。位于上方的单元能够使其纵向边与位于其下方的材料层的纵向边相平行，但这不是必须的。它们的纵向边也有可能是横向放置的。

如果这些单元的纵向边平行于(优选基本平行)位于其下方材料层的纵向边，那么材料层的第一处连接主要通过如下形成：这些单元(优选为片材)沿其对接处放置后，这一对接处，同时也是位于上方的材料层的单元(优选为片材)的纵向边，它与位于下方的材料层(优选为片材)连接起来。

基于本发明的这种方法多层管制造特别适用于大直径(优选为大于610mm(24″))的多层管，其中内层材料板(优选为钢板)宽度为较大管子提供一个完整的内管来说是不够的，两块板材也是不够的，所以这种方法可以通过放置三个或者更多的单元，优选为金属板从而得以改进。

基于本发明，在借助于弯曲轧棍机的多层管的制备方法中，多层管优选通过外管沿管缝焊接和内管的焊接闭合，形成多层管的管状主体。

材料层也可以在管子正面连接，以在连接处防止因为材料层之间不是完全平整焊接而导致的潮湿出现。

按本发明所述双层管的生产已经展示了本发明制造方法较好的一种使用情况，同时这个发明并非局限于此，三层、四层甚至多层的，适用于本发明的管子，原则上都是可以生产的。它根据技术条件会变得困难，如果技术达不到，则完全不能生产。

在上述发明的进一步的优选实时方式中，会使用到板材，优选为金属板，特别是较好的钢材作为材料层或材料层的单元。

根据上述发明，在借助于弯曲轧棍机的多层管的制造方法中，至少会有一处材料层的连接为焊接，这主要适用于前面提到的金属板，优选为钢板。

根据上述发明的生产步骤生产的多层管，可以这样形成：位于内部的材料层相对于位于外部的材料层有一个更高的屈服强度或伸展界限(见下)，其中至少一个材料层主要是由金属板(优选是由钢板)组成的。

根据本发明所得到生产的方法多层管的另一个优选实施形式主要其特征在于：多层管作为双层管被生产出来，其中两个材料层都是钢板，内管钢板层有一个高或非常高的含碳量，因此至少不再必须是可焊接的。

基于本发明所得到得多层管，与那些根据用其他各种方式生产出来的多层管是不同的，但是，没有必要将这些不同之处同时在基于本发明制备的多层管中展示出来，也能据上述特点相区分。这些不同点可以在不同的连接处更多地体现出来，虽然如此，但它不是必须的。

所以根据上述发明，一方面板状金属材料(在开始时已经指出了其缺点，即长的供应时间和有限的使用性以及高价格)的使用并不是必须的，另一方面，多层管，特别是由钢板组成的双层管被生产出来，其每个作为内管的材料具有高屈服强度，同时每个作为外管的材料具有较低的屈服强度，这些特性对于多层管的使用来说是必须的，而它取决于内管是否具有尽量高的抗磨损性，因为高的抗磨损性i.d.R和高硬度以及高屈服强度是相辅相成的。而作为内管的材料具有有比外管高或与外管相同屈服强度的多层管，其在相邻两层没有平整的焊接，到目前为止由于技术水平还无法生产，目前也不存在。然而，基于本发明则可以实现。需要指出的是，如果在没有较高的屈服强度的情况下(例如只是加强了弹性成形)那就不是屈服强度而是伸展界限作为在一定受力下的现有成形延伸率的张力值出现。

独立于上述说明，用本发明所述的方法，能够不使用高价和难以提供的板材而生产出几乎任意直径的多层管，这一点目前技术条件同样不能实现，因为所使用的冲模尺寸或者在液体膨胀力情况下相同成形所需要的钢模尺寸(它包住生产完成得多层管)限制了所必需的膨胀。反之，本发明的弯曲轧辊机的方法可以使多层管不再局限于上述限制，因为弯曲轧辊机总是在管子弯曲半径的一个位置进行对接，这样本发明所述的多层管的半径就不再受限制。如此不用金属板，多层管也可以生产了。它也跨越了现有技术所带来的限制，即直径约610mm(24″)(优选为宽)

上述发明可以还使得只有部分内层的多层管的生产成为可能，也就是说在横截面上只能形成一个圆弧形的内管，如在管底的沟形槽，这一点目前现有的技术条件同样也无法实现。

在此总结中必须说明：根据上述发明的生产步骤，即使生产少量管，甚至是单个管，也是非常经济的。因为使用该发明进行多层管的生产，一方面避免了高成本的板材和板材所必需的最小的生产批量，另一方面避免了膨胀必须安装的专门的设备。

附图说明：

基于附图下述实施例可以更清楚，其中：

图1.将要结合形成多层管的两个彼此重叠放置的材料层的透视图；

图2.将要结合形成多层管的两个彼此重叠放置的材料层及第一处连接的透视图，所述连接为沿与位于上层材料层纵边平行的(假想)线的焊接；

图3.将要结合形成多层管的两个彼此重叠放置的材料层的透视图，其中一个材料层由两个沿管子纵向放置的单元(优选为片材)组成；

图3a.将要结合形成多层管的两个彼此重叠放置的材料层的透视图，其中一个材料层，也就是位于上层材料层，由多个沿管纵向放置的单元(优选为板材)组成；

图4.将要结合形成多层管的两个彼此重叠放置的材料层的透视图，其中一个材料层由多个，此处为两个放置的单元(优选为片材)组成，并且材料层之间的第一处连接通过如下实现：即单元在放置后沿其对接处(这一对接处同时也就是位于上层材料层的单元的纵向边)与位于下方的材料层连接(优选是焊接)起来；

图5.基于本发明的多层管的制备工艺的正面透视图，也就是在生产某一阶段，借助于弯曲轧辊机(在此没有示出)所加工过的多层材料形成管。在这一过程中，由于弯曲轧辊机从上到下的压力在材料层之间形成恒定紧摩擦，并在成形过程中，自由活动的材料层的部分，由于内管和外管不同的弯曲半径运动到适合成形的位置；

图6.为基于本发明所述的生产工艺中，多层管的正面透视图，也就是在生产某一阶段，经过一定的成形过程，材料层之间至少会有另一处连接出现，也就是位于上层的材料层在至少另一处地方相互连接起来；

图7.基于本发明的有内层和外层的多层管成品的剖面透视图；

图8.有内管外管的多层管临近焊接逢处的细节剖面透视图；

具体实施方式：

图1为自透视图可以看到将要结合形成多层管的两个彼此重叠放置的材料层1，2。

图2自透视图可看到两个叠放材料层的叠放点，这两个材料层结合形成多层管且在材料层1，2之间具有第一处连接3a和3b，优选为焊接(在点3a和3b)，所述材料层沿与位于上层材料层1的纵向边4相平行的线(假想)被结合。

图3自透视图可以看到，将要结合形成多层管的两个彼此叠放的材料层1a，1b，2，其中之一的材料层可被结合以形成多层管，也就是位于上方的材料层，由两个沿管纵向放置的单元1a，1b(优选为片材)组成。

图3a显示另一个将要结合形成多层管的两个彼此重叠放置的材料层1a，1b，......1n，2，其中一个材料层，也就是位于上方的材料层，是由多个(这里有一定数量，用n来表示)沿管子四周放置的单元1a，1b，......1n(优选为片材)组成。图中用点连成的线11表示以n的任意数值放置在上方的单元1a，1b......1n。位于上方的单元1a，1b......1n以其纵向边4与位于下方的材料层2的纵向边垂直放置，那么，他们的横向边4a都与位于下放的材料层2的纵向边相平行。在这个过程中材料层2上的单元1a，1b...1n的每个第一处连接3a₁，3a₂，3b₁，3b₂，3n₁，3n₂也可以看到。

图4可以看到将要结合形成多层管的两个彼此重叠放置的材料层1a，1b，2的透视图，其中一个材料层由多于一个，这里指是两个放置在上方的单元1a，1b(优选为片材)组成，并且材料层之间的第一处连接3通过如下实现：即单元1a，1b，在放置后，沿其对接处，所述对接处同时就是每个单元1a，1b，的纵向边，与位于下方的材料层2相连接(优选为焊接)。通过沿对接边全长形成闭合连接3(优选为焊接)。也可为部分(一段)连接(优选为焊接)。

图5可以看到基于本发明的方法制备的多层管的正面透视图，在生产的某一阶段，经过加工的多层材料，借助于弯曲轧辊机(未示出)形成管5，在这一过程中由于机器的压力，多层材料1，2之间上下恒定形成摩擦契合，在成形过程中材料层间由于内管1和外管2不同的弯曲半径而相互移动的部分：1c与2a，以及1d与2b相互运动到适应成形步骤的位置。两材料层1，2之间的第一处连接已经出现(在点3a和3b)，它们沿一条(假想)平行于内管2的纵向边，并位于管子的两端。在材料层1，2第一处连接3a，3b的地方，由于它们之间的连接3a，3b，两材料层不能相互运动，而是相互固定。

图6可以看到本发明的多层管5的正面透视图，在发明所述的制造方法中，在这里指某一生产步骤，在一定的成形步骤后材料层1，2之间的至少另一处连接，这里是另两处连接6a，6b，(在此为连续或部分焊接)通过如下形成：放置的材料层1在至少另一处地方(这里是两处)相互连接起来。然后多层管5借助于弯曲轧辊机和/或弯曲机最终形成(图中未标出)，在最终成形的过程中由于的其他连接处6a，6b的存在，材料层不再相互运动，这样每个作为内管的材料层1，1c，1d也就被压进了材料层2，2a，2b中。

图7可以看到按本发明制作完成的多层管5的剖面透视图，多层管包括内层1(也称内管，内管线，内板等)和外层2(也称外管，外管线，基板等)，其中多层管5由沿管缝8的外管2的焊接处7与内管1的焊接处9形成闭合。

图8展示了图7中多层管的剖面透视图，包括多层管内层1和外层2在两处焊接处7，9附近的细节图。

Claims (14)

1.利用弯曲轧辊机制造多层管(5)的方法，其特征在于：

将要结合形成多层管(5)的两个材料层(1，2)彼此重叠放置，

然后材料层(1，2)之间形成第一处连接(3，3a和3b，3a1和3a2，3b1和3b2，3n1和3n2)，

其特征是：

这样多层材料利用弯曲轧辊机形成管(5)，其中由于轧辊机从上到下的压力在材料层(1，2)之间产生恒定紧摩擦，在成形过程中材料层(1，2)相互运动的部分(1c，1d，2a，2b)，由于内管(1)和外管(2)不同的弯曲半径在相应的成形步骤中相互移动，

在一定的成形步骤完成后，材料层(1，2)之间至少另一处连接(6a，6b)通过如下形成，即所述材料层在至少另一位置上被相互连接起来，

然后多层管(5)利用弯曲轧辊机和/或弯曲机最终成型，其中在最后成型过程中材料层(1，2)相互之间不再运动，作为内管的材料层(1)被压进作为外管的材料层(2)中。

2.根据权利要求1所述利用弯曲轧辊机制造多层管(5)的方法，其特征在于：作为内管的材料层(1)在最终形成的多层管(5)的横截面上形成一个圆弧。

3.根据权利要求2所述利用弯曲轧辊机制造多层管(5)的方法，其特征在于：作为内管材料层(1)在最终形成的多层管(5)的横截面上形成一个圆弧，进而在多层管底部形成一个凹槽。

4.根据权利要求1所述利用弯曲轧辊机制造多层管(5)的方法，其特征在于：所述第一处连接通过沿位于上方的材料层(1)的纵向边(4)或者横向边(4a)，或者沿着与所述纵向边(4)或横向边(4a)平行的线互相连接。

5.根据权利要求4所述利用弯曲轧辊机制造多层管(5)的方法，其特征在于：所述材料层(1，2)之间至少另一处连接边(6a，6b)在成形过程后沿一个纵向边(4)或横向边(4a)或者沿着与所述纵向边(4)或横向边(4a)平行的线互相连接。

6.根据权利要求1所述的利用弯曲轧辊机制造多层管(5)的方法，其特征在于：

材料层(1，2)之间的第一处连接通过沿位于上方的材料层(1)的纵向边(4)或者横向边(4a)相互连接而成，

材料层(1，2)之间至少另一处连接边(6a，6b)在成形过程后沿位于上方的材料层(1)的另一条横向或纵向边形成。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的利用弯曲轧辊机制造多层管(5)的方法，其特征在于：在成形步骤进行到或超过50％但不足100％时，在材料层(1，2)之间形成至少另一处连接(6a，6b)。

8.根据权利要求1-6任意一项所述的利用弯曲轧辊机制造多层管(5)的方法，其特征在于：所述的多层管(5)具有外管(2)和内管(1)在成形步骤后，材料层(1，2)之间出现至少另一处连接(6a，6b)，塑形度用Ffor表示，计算公式如下：

$F_{\mathrm{for}}=(1-\frac{\frac{{\mathrm{\σ}}_I}{E}\·(\mathrm{DA}-2\·\mathrm{SA}-\mathrm{SI})\·\mathrm{\π}\·(Z_s+1)}{(\mathrm{DA}-\mathrm{SA})\·\mathrm{\π}-(\mathrm{DA}-2\·\mathrm{SA}-\mathrm{SI})\·\mathrm{\π}})\·100$

DA指外管外直径，单位mm

SA指外管壁厚，单位mm

SI指内管壁厚，单位mm

σ_I指内管屈服强度，单位N/mm²

Zs指弹性附加量，以百分比的形式

E指弹性系数(E-系数)，单位N/mm²。

9.根据权利要求8所述的利用弯曲轧辊机制造多层管(5)的方法，其特征在于：材料层(1，2)中至少有一个是由多于一个的单元(1a，1b，1n)组成。

10.根据第权利要求9所述的利用弯曲轧辊机制造多层管(5)的方法，其特征在于：所述单元的纵边与位于下方的材料层的纵边相平行放置，材料层(1，2)之间的第一处连接(3)由单元(1a，1b)，在沿其对接处放置后，与位于下层的材料层连接而成，所述对接处同时构成位于上层的材料层单元(1a，1b)的各纵向边。

11.根据权利要求1所述的利用弯曲轧辊机制造多层管(5)的方法，其特征在于：多层管(5)通过外管(2)的焊接(7)沿管缝(8)和内管(1)的焊接(9)闭合。

12.根据权利要求1所述的利用弯曲轧辊机制造多层管(5)的方法，其特征在于：所制造的多层管(5)为双层管。

13.根据权利要求1所述的利用弯曲轧辊机制造多层管(5)的方法，其特征在于：片材作为材料层的单元或材料层。

14.根据权利要求13所述的利用弯曲轧辊机制造多层管(5)的方法，其特征在于：材料层(1，2)的至少一处连接(3，3a和3b，3a1和3a2，3b1和3b2，3n1和3n2，6a，6b)为焊接。

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