CN101403450B - 制造加铜衬里的盘绕管件的方法 - Google Patents

Abstract

一种制造管件的方法包括共同成形基材带和衬里材料带而形成内置衬里的管件以及结合基材带边缘以形成所述边缘间的接缝。

Description

制造加铜衬里的盘绕管件的方法

技术领域

本发明公开的内容总体上涉及到制造加衬管件。更具体的是，本发明公开的内容涉及到一种制造加铜衬里的盘绕管件的方法。

背景技术

套管接头(casingjoints)、衬管和其他石油工业用管材(“OCTGs”)频繁地用于钻孔、完井和开采油井。例如，套管接头可以安装在井筒内，以稳定和保护地层抵抗高的井筒压力(例如，超过地层压力的井筒压力)，否则会毁坏地层。

钢管可以制造成多种结构形式，其中一种是无缝的，另一种是有缝的或焊接管。无缝管典型的是重量更轻，壁厚薄，而焊接管更重、更具刚性。焊接管还具有更好的一致性，也更直。焊接管典型地被用到管子不是处于高应力的情形。

管子的某些特性在制造过程可以控制。例如，管子的直径或壁厚可以根据管子的应用而被调整。通常钢的类型也会影响到管子的强度和挠性。其他可控的特性包括：长度、涂层材料和最终的管端加工要求(endfinish)。

焊接钢管一般由称为制管钢板的、设置成长料或螺旋卷料形的热轧钢厚带或厚板形成，当把制管钢板制成圆柱形时，使长料或螺旋卷料的纵向边缘适当地对焊在一起。这种将制管钢板变形成管状的成形步骤可以通过适当的轧辊装置完成，如连续凹面轧辊，通过该轧辊使得制管钢板在前进的同时围绕纵向轴线逐步弯曲，以形成成品管件。对于直径非常大的管子(例如大约25英寸或更大直径)，可以使用一组在平行于所要管子的轴线的轴线上的长而重的轧辊，它们将部分弯曲的被横向接收的制管钢板的整个长度弯曲成想要的形状。

在这些或其他方法中，制管钢板被逐步或作为一整块地被制造成圆柱形，该圆柱形制管钢板的两边缘之间形成一窄、长缝隙。然后在通过焊接或进行焊接工序时进一步用轧辊或其他装置压迫管坯料的外侧以闭合缝隙，并将对接的边缘焊接在一起。对于大直径管子，电焊可以是缝隙外侧用埋弧焊，紧接着的第二步是沿内侧用另一自耗电极(consumableelectrode)焊接。

参见图1，制造焊接管100的设备和工艺如图所示。在制造前，用于制造焊接管的材料可以以薄板形式(即，制管钢板)储备，并且卷绕在辊子上(未显示)。起先，制管钢板被展开，进给至轧辊102。然后，制管钢板通过一系列的有槽轧辊，使得薄板的边缘开始向一起“卷曲”104，最后形成未焊接管。未焊接管接着通过感应焊接设备和高压轧辊106，这些设备使管边缘密封在一起并形成紧固的焊接。最后，管子被切割成所希望的长度，并且被堆叠以备后续工序108使用，或保持非切割状态并盘绕起来形成盘绕管件。

美国专利No.7,012,217(“Titze”)公开了一种制造大直径焊接管的方法和设备。热带材的前端可以连接至先导带材的尾端，然后进行两阶段的平整，实现带材在横向上的平坦和带材在纵向上的平坦。热带材的整个表面(包括带材边缘)可以通过超声波检测，并且在预弯曲前分四个阶段准备带材边缘。然后，热带材变形成有槽管件，并且带材边缘用激光沿内侧和外侧焊接而形成管子。另外，美国专利号4,410,369(“Waid”)公开了一种将板材轧制成管形的方法，轧制后板的边缘区域通过电对焊而被焊接在一起。

引入将被轧制的第二衬里层可能在制造焊接管时引起新层次的困难。所需要的是一种制造加衬管的方法，该方法可以计算衬里材料的宽度。这种方法有助于从制造工艺中省略试验步骤和消除误差，将会为工业制造很好的接受。

发明内容

一方面，这里公开的实施例涉及到一种制造管件的方法，所述方法包括将基材带和衬里材料带共同成形为内置衬里的管件以及接合基材带边缘形成所述边缘间的接缝。

另一方面，本公开的实施例涉及到一种制造管件的方法，方法包括将基材带和衬里材料带重叠放置，将被重叠的基材带和衬里材料带辊轧成内置衬里的管件，和焊接基材边缘形成所述边缘间的接缝。衬里材料大致填充内置衬里的管件的内径。

另一方面，本公开的实施例涉及到一种制造管件的方法，方法包括选定一宽度的基材带，其用于形成内置衬里的管件；选定一宽度的衬里材料，其用于形成内置衬里的管件；将衬里材料带和基材带形成通常的管状形状。方法还包括，将基材的边缘焊接成内置衬里的管件；所述衬里材料的宽度被选定为其边缘不会干扰形成在基材带边缘之间的焊缝。

另一方面，本公开的实施例涉及到一种制造加衬管件的设备，设备包括管件轧辊；供给装置，用以同时供给基材带和衬里材料带到该管件轧辊；对准装置，用以在基材带和衬里材料带进入管件轧辊时把衬里材料带对准基材带。管件轧辊构造为将碳钢带和铜带轧制成形为具有内铜衬里的碳钢管状。

另一方面，本公开的实施例涉及到内置衬里的管件，其包括包含钢的外基材、包含铜基合金的内衬里材料、接合包含钢的外基材的端部的焊缝，其中内衬里材料不干扰焊缝。

另一方面，本公开的实施例涉及到一种制造管件的方法，方法包括将基材带和衬里材料带共同形成为内置衬里的管件，在基材带上焊接接缝。基材带包含约为2.875英寸的宽度和约0.190英寸的厚度。

附图说明

图1是通常的管子制造工艺装配线图；

图2A是根据本发明公开的实施例的管子制造工艺流程图；

图2B是根据本发明公开的实施例的加铜衬里的钢管制造工艺流程图；

图3是根据本发明公开的实施例的制管装配线的轧辊部分的视图；

图4是根据本发明公开的实施例的扩展心轴的组成部分的视图；

图5是根据本发明公开的实施例的具有宽度为8.08英寸铜带的加铜衬里的钢管试样的构成视图；

图6A是根据本发明公开的实施例的具有宽度为7.34英寸铜带的加铜衬里的钢管试样的构成视图；

图6B是根据本发明公开的实施例的图6A中的加铜衬里的钢管试样的焊缝根部的显微照片；

图7A是根据本发明公开的实施例的具有宽度为7.38英寸铜带的加铜衬里的钢管试样的构成视图；

图7B是根据本发明公开的实施例的图7A中的加铜衬里的钢管试样的焊缝根部的显微照片；

图8A是根据本发明公开的实施例的具有宽度为7.08英寸铜带的加铜衬里的钢管试样的构成视图；

图8B是根据本发明公开的实施例的图8A中的加铜衬里的钢管试样的焊缝根部的显微照片；

图8C是根据本发明公开的实施例的图8A中的钢管试样中的焊缝显微照片；

图9A是根据本发明公开的实施例的具有宽度为7.14英寸铜带的加铜衬里的钢管试样的构成视图；

图9B是根据本发明公开的实施例的图9A中的加铜衬里的钢管试样的焊缝根部的显微照片；

图9C是根据本发明公开的实施例的图9A中的钢管试样中的焊缝显微照片。

具体实施方式

这里公开的实施例涉及到制造加衬管件。更具体的，这里公开的优选实施例涉及到制造加铜衬里的盘绕管件的方法和设备。

很多方面的应用需要加衬管件，例如井下电加热设备。制造加衬管件可能需要更复杂的方法，将两分离的带材结合形成焊接管的结构。特别是，确定正确尺寸的衬里材料以适当地装配到外部基材中是有益的。

反复应用不同的带构造可以确定合适宽度的铜带来制造具有铜衬里的盘绕钢管。这里提到的尺寸和材料并不是限制所公开的方法，而是为了阐明一种方法，该方法可以应用于大范围的钢管尺寸和可用的材料。

参见图2A，图中显示的是一般的轧制形成焊接管的管子制造工艺200。首先，钢被制成轧制重钢带或热轧钢板，称为制管钢板，提供长料或螺旋卷料，并且在进入轧制阶段以前经过平整或矫直(步骤202)。平整以后，钢带的中心部分通过预成型轧辊和开坯轧辊(breakdownroller)而弯曲，同时钢带的侧面通过边缘成型轧辊弯曲成想要的形状。笼式轧辊组(包括多个较小的轧辊)可以进一步弯曲钢带，同时不会引起其内部的径向变形，然后精加工轧辊完成管子成型获得想要的尺寸(步骤204)。

参见图3，更清楚地显示了管子制造工艺的轧制设备300。如图所示，钢带首先通过连续的开坯轧辊310，开始钢带的变形过程以形成想要的圆柱形结构。中间部分的笼式轧辊320包括多个连续的较小的轧辊，逐渐地、连续地将钢带变形为想要的圆柱形结构。最后，精加工轧辊330完成钢管的形成步骤得到想要的圆柱形结构。

回到图2，成型为钢管后钢带的两边缘形成可以焊接的接缝(步骤206)。高频电阻焊可以将接缝边缘焊接在一起。任选地，焊接工艺可使用阻抗芯棒以改善焊接效率。如果应用阻抗芯棒，则芯棒在焊接焊缝时通过管件中心。焊接后，钢管可以进行热处理(步骤208)，热处理包括焊成的接缝的接缝退火以改善焊接性能，同时对整个钢管进行热处理。钢管热处理后，可以进行空气或水冷却(步骤)209。钢管的热处理能得到最小的硬度，改善韧性以及材料的加工性能。接着，在步骤210可以在定径机中矫正钢管的不一致问题，所述定径机包括围绕在钢管外周上的轧辊，然后再将钢管剪切成所要长度尺寸。

另外，管件的质量可以通过多次测试进行检测，包括但不限于平整率测试、流体静力学测试、焊成的接缝的超声测试以及整个管体的旋转超声测试(步骤212)。一般说，测试和用于测试的适当的外形为本领域普通的技术人员熟知。更进一步，钢管端部可以削平，钢管表面印上规格标记以容易辨认，最后形成管成品(步骤214)。

加衬管件的制造方法

参照图2B，图给出了根据本发明公开的优选实施例的加铜衬里的管件的制造方法。应该可以理解，外部基材可以包括例如钢或其它本领域普通技术人员熟知的材料。而且，可以理解，内部衬里材料可以包括例如铜、黄铜或其它本领域普通技术人员熟知的材料。衬里材料的选择可以依据它们的塑性、或以其它性能为基础，例如电导率或电阻。

在一实施例中，为开始制造加衬管件，材料供给设备，或包含钢带252A的卷轴和包含铜带252B的卷轴配置成使两个带能以相同的进给速度进入轧制轧辊(millingroller)。进入轧制轧辊前，未轧制的铜带可以结合放在未轧制的钢带上并居中(步骤253)。铜带可利用带对准工具或其他本领域技术人员熟知的方法居中放在钢带上。如前述的制造无衬里焊接管的轧制轧辊可以用来制造加衬管件，并且在制造不同尺寸的管件时进行适当的调整。铜带在成形前应尽可能定位在接近钢带的中心位置上，这样在完成轧制时铜带的边缘会定位在与外部钢带边缘相同的圆周位置上。而且，轧制轧辊可以考虑到附加的铜的厚度而被进行调整，以让两层带能通过。钢带/铜带的结合体可以进给通过轧辊，以制造具有内衬里的有缝钢管(步骤254)。

钢带的边缘形成的接缝可以应用高频电感电阻焊(HFI-ERW)进行焊接，也可以是本领域技术人员熟知的其他工艺进行焊接(步骤256)。应说明的是，在本实施例中只有外部钢管的接缝被焊接，而内部铜衬里的接缝没有焊接。这样的话，在钢管的内外表面会形成焊缝。火焰清理工具用来去除突出超过钢管表面的焊缝(焊珠)。

在优选的实施例中，在形成了加衬管件时用到扩展心轴257A。参照图4，是本发明公开实施例中的扩展心轴400。在通过轧制轧辊(步骤254)和焊接机(步骤256)后，加衬管件已具有形状，需通过扩展心轴，该扩展心轴安置在加衬管件内部以沿径向向外扩展内部铜衬里，使其充分抵靠在钢管内表面。在一优选的实施例中，加衬管件也可以在焊接工艺前通过扩展心轴。而且，扩展心轴也可以用例如工具钢或其他本领域技术人员熟知的材料构造形成。扩展心轴还可以具有圆柱外表面、多面或多边形外表面或其他本领域技术人员熟知的形状。

在一实施例中，钢管可以制成尺寸稍大，这样在钢管的内表面和铜衬里的外表面之间形成小间隙。钢管可以通过反复通过定径轧辊(sizingroller)257B减小直径。在一实施例中，定径轧辊每次在钢管通过时能减小管件直径大约0.005英寸。本领域技术人员可以确定钢管的初始的“过尺寸”量，并且可以使用各种方法(包括“圆周率”带、测径器或自动测量系统)来计算钢管的初始的“过尺寸”量。

在优选的实施例中，铜衬里可以通过轧辊心轴257A附加地进行径向扩展膨胀。钢管的减小和铜衬里的扩展可以同时进行，或一步骤在另一步骤前进行而不论次序。

更进一步，加衬管件可以经过一系列的热处理，包括焊成的接缝退火和整个加衬管件的热处理(步骤258)。接缝退火，如前面提到的，可以改善性能，减小焊接脆性。应说明的是，应用于制造管件的焊接温度和接缝退火温度可以按照无铜钢管的情况设置。可以理解的是，焊接温度和接缝退火温度应为本领域普通技术人员所熟知。更进一步，加衬管件可以经过加热操作，例如使用加热线圈对整个加衬管件进行热处理。在热处理后，加衬管件可以进行如本领域技术人员熟知的空气或水冷却。

更进一步，依照计划或用户的意愿，加衬管件可以切割成不同长度的管子，或盘绕到卷轴上配置成盘绕管件(步骤210)。一旦构造成形后，加衬管件可以进行应用前的适当的测试(步骤212)。各种测试程序是本领域普通技术人员知道的。

实验测试

对于特定尺寸的加衬管子，为了确定基材(如碳钢)和衬里材料(如铜)的最佳结合，在制造条件下进行多种概念试验。在一种这样的测试中，碳钢钢管具有接近2-7/8英寸的外径(OD)管和0.190英寸壁(基材)厚。具有0.125英寸的厚度、约7英寸到8英寸的宽度的多种铜带试样被用作碳钢钢管的衬里，以包括一定的测试尺寸范围。

在一个测试中，基于内圆周为2-7/8英寸×0.190英寸钢管减去焊缝根部的厚度和一任意的0.06英寸的间隙，选用7.76英寸宽的铜带材料。接下来，基于中间壁圆周为0.125英寸厚的铜带紧贴在内径(ID)减去焊缝根部的厚度和一任意的0.06英寸的间隙，7.34英寸和7.38英寸宽的铜带被用来测试。另外，8.08英寸，7.08英寸和7.14英寸宽的铜带被用来获得在7.76英寸，7.34英寸和7.38英寸宽的铜带样品附近的额外的数据。

前面提到的每个铜带宽度都用于制造加铜衬里的钢管。从每10英尺长的加铜衬里的材料和钢铁基材的测试部件中，取18英寸的内衬里钢管样品进行拉伸实验，取6英寸的样品进行挤压和鉴别(flair)测试，取36英寸样品进行流体静力学测试，以及四个6英寸样品进行目测。

从样品的测试看，下列因素用于评估后面制造加铜衬里的碳钢钢管的步骤。目测铜衬里在碳钢管内的配合，检查在铜衬里和碳钢钢管之间不存在间隙。然后，检查铜衬里确认铜衬里没有妨碍到在碳钢钢管的接缝的内部部分。通过目测焊成的接缝的宏观形貌，评估铜衬里对焊成的接缝退火的影响。接着，利用拉伸实验评估钢管的拉伸性能，通过拉伸实验测量屈服强度、抗拉强度和延伸率。再接下来，通过轴向将铜衬里推出试样评估铜衬里在碳钢钢管内的静配合。还有，评估纵向焊成的接缝的焊接质量。

参见图5，是根据本发明公开实施例的加铜衬里的钢管的第一测试样品500。测试样品500包括外部钢管510和具有8.08英寸的原始宽度的、形成内部衬里的内部铜带520。如图所示，铜带520在成形工艺过程中扩展加宽，直至铜带520的边缘525相互挤压引起变形。而且，由于变形，在进行焊接工艺的时候，铜衬里冲击焊接工艺中用到的阻抗芯棒，使得阻抗芯棒脱离其支撑。由于破坏了阻抗芯棒，测试样品500的钢管接缝515就不能被适当地焊接。

再参见图6A，根据本发明公开实施例的加铜衬里的钢管的第二测试样品600使用的是原始宽度为7.34英寸的铜带。测试样品600包括外部钢管610和已经形成为内部衬里的内部铜带620。在制造过程中，铜带620毫无困难的通过成形工艺步骤，虽然铜带会轻微地接触到阻抗芯棒。在成形步骤完成后，铜带620完全填充了钢管610的内径，铜带620的边缘625在钢管610内焊缝615处被压合在一起。

图6B显示的是测试样品600上焊缝615(图6A)的焊缝根部616的显微照片。测试样品600经过抛光并且腐蚀后显示出焊缝的微观形貌。如图所示，焊缝根部616由于与铜带接触受到干扰而引起焊接裂纹617的发展。焊缝根部616与邻接的铜带接触而被以导热的方式“淬火”，或突然冷却，因而引起焊接裂纹617形成。

图7A显示的是加铜衬里的钢管的第三测试样品700，其应用的铜带原始宽度为7.38英寸。测试样品700包含外部钢管710和已经形成为内部衬里的内部铜带720。在制造过程中，铜带720毫无困难地通过成形步骤，虽然铜带轻微地接触了阻抗芯棒。完成成形后铜带720完全充满钢管710的内径，铜带720的边缘725在钢管710内焊缝715处被压合在一起。

图7B显示的是测试样品700上焊缝715(图7A)的焊缝根部716的显微照片。测试样品700经过抛光腐蚀后显示出焊缝的微观形貌。如图所示，焊缝根部716由于与铜带接触受到干扰而引起钢管外径上焊接裂纹717的发展。

在使用测试样品600和测试样品700并观察到两个试样品所形成的钢管内的紧配合后，可以认为应用7.76英寸宽度的铜带的测试将会导致更坏的结果，因而没有实施。当然，这也许只是与使用的2-7/8英寸直径的钢管而言。

再看图8A，其显示的是应用7.08英寸原始宽度的铜带作为衬里的加铜衬里的第四钢管测试样品800。测试样品800包括外部钢管810和形成为内部衬里的内部铜带820。在制造过程中，铜带820可以不出意外的通过成形步骤。完成成形之后，铜带820并不能完全充满钢管810的内径。而且，铜带820的边缘825接触焊缝根部815。

图8B显示的是本发明公开的实施例中的测试样品800上焊缝815(图8A)的焊缝根部816的显微照片。测试样品800经过抛光和腐蚀后显示出焊缝的微观形貌。如图所示，焊接根部816由于与铜带接触受到干扰而在钢管外径上引起焊接裂纹817。铜带820的边缘825接触焊接根部816会使焊缝815淬火，破坏焊接根部816的形成。而且，参见图8C，焊缝815通过钢铁材料，沿着钢管壁厚的方向的形貌显示出“S”图案。微观形貌显示焊缝815是在钢管外径850处开始的，通过中间部分855到达钢管内径860。这种微观形貌图案可能是铜带820的边缘825接触焊接根部816引起，如前面所述。

参见图9A，其显示的是应用7.14英寸原始宽度的铜带作为衬里的加铜衬里的钢管的第五测试样品900。测试样品900包括外部钢管910和已经形成为内部衬里的内部铜带920。在制造过程中，铜带920不出意外的通过了成形步骤。完成成形后，铜带920不能完全充满钢管910的内径。而且内部铜衬里920的边缘925更好地关于焊缝根部915居中，并且显示不接触焊缝根部。

图9B显示的是本发明公开的实施例中的测试样品900的接缝915(图9A)的焊缝根部916的显微照片。测试样品900经过抛光和腐蚀后显示出接缝的微观形貌。如图所示，裂纹没有在焊缝根部916处发展，因为在铜带和钢管的焊缝之间没有形成接触。而且由图9C，通过钢铁材料的焊缝915沿着钢管壁厚的方向的形貌是直线，而不是前面所述的“S”形状。这可能是因为铜带不接触焊缝。

测试样品的评估和显微形貌说明使用7.08和7.14英寸宽的铜带可能是所公开的工艺中应用于钢管中的最合适的尺寸。其中重要的原因是，7.08和7.14英寸宽的铜带当其不接触钢管中的焊接线缝时不会引起裂纹在焊缝中发展。

测试样品800和900(图8和9)的机械性能用来与无铜带的用相同材料轧制的钢管的参考值对比。两测试样品和参考管件材料的屈服强度、抗拉强度和延伸性能基本一致。测试样品800的硬度值接近参考管件材料的硬度值，但测试样品900的硬度值比测试样品800和参考管件材料的硬度值更高。参见表1，其显示了本发明公开的实施例中的测试样品800和900和参考钢管的机械性能。所列的机械性能包括退火温度、轧制速度、屈服强度以及抗拉强度等。

表1-机械性能

性能	测试样品800	测试样品900	参考钢管
				整体退火温度(°C)	1080	1080	1120
轧制速度(fpm)	60	60	80
				外径(最小/最大英寸)	2.873/2.877	2.873/2.877	2.883/2.883
标准规格(gauge)(最小/最大英寸)	0.193/0.195	0.193/0.195	0.191/0.191
				失配(最小/最大英寸)	0.203/0.203	0.203/0.203	0.195/0.197
屈服强度(ksi)	74.5	73.3	74.9

抗拉强度(ksi)	85.2	84.7	84.7
				延伸率(％)	26	27	26
焊接硬度(HRB)	95.5	24.2HRC	95.0
				HAZ硬度(HRB)	90.4	98.6	92.2
基体硬度(HRB)	90.8	97.2	91.6
				挤压测试	通过	通过	通过
鉴别测试(flairtest)	通过	通过	通过

用36英寸长的测试样品800和900进行流体静力学压力测试。测试样品均加压到破裂，其中样品800在12,090psi压力下破裂，样品900在11,910psi压力下破裂。但是，两样品都不是在钢管的焊缝处破裂的。

通过检测加铜衬里的钢管测试样品，填充2-7/8×0.190英寸内径的钢管的铜带宽度范围希望在约7.38英寸到7.08英寸之间。而且填充钢管内径的铜带宽度更靠近7.08英寸。7.08英寸和7.14英寸宽度的铜带检测结果表明，如果铜带的边缘不互相接触或和其他表面接触，那样会在铜带上引起圆周压应力，那么钢管的内径不会完全充满，在钢管和内部铜衬里之间将会有一间隙。而当铜带的边缘相互接触或与其他表面接触，正如7.34英寸和7.38英寸宽的铜带那样，铜带完全填充了钢管的内径而没有间隙。

检测钢管中的焊缝可以提供有关应用了铜衬里的钢管的焊缝质量的焊信息。如果在焊接过程中铜带接触到了焊缝的任何部位，焊缝的合适的焊接过程被干扰，内径上的裂纹可能会形成。从测试样品600，700甚至800中铜带的一个边缘接触到焊缝时可以看到这种情形。因为铜带边缘和焊缝之间的接触，铜带可能会冷却焊接材料使其温度低于可接受的焊接温度。测试样品900，其铜带边缘与焊缝对齐且不互相接触，没有裂纹的形成，因而焊缝的质量没有降低。

再参考表1和测试样品的机械性能的比较结果，机械性能可能并不会受到铜带的影响。测试样品800和参考管件材料的硬度值比较表明适宜的硬度值是可以得到的。测试样品900的高硬度值可能是因为在钢管的焊接过程中钢管的焊缝没有放在退火炉中间。而在使用用于检查焊接中裂纹的涡流扇形线圈和环形线圈检测管件时，铜带的存在没有引起不利的影响。超声波检测实验也表明没有受到铜衬里的影响。在所有的测试样品中，铜衬里在钢管中的机械配合也都适宜。所有测试样品中的铜衬里都没有从样品中掉出来，但用较小的力用手就可以将铜带从短测试样品中推出。

可供选择的实施例中，制造加铜衬里的钢管包括在成形阶段用精加工轧辊(finpassroller)将铜带放在钢管中心(图3和4)并增加内部轧辊压迫铜紧贴钢管的内部。这种附加的方法证明是成功的，因为铜在共同成形和焊接过程中会被加热，可以保持形状而没有太多的弹性回复。

更进一步，可供选择的实施例中，制造加铜衬里的钢管包括初始轧制过尺寸钢管并进行焊接。在焊接完成后，钢管可以再精压到最终的尺寸。焊接的时候增加的间隙可以使铜带保持远离钢管而不会使铜管淬火，从而得到更坚固的焊接并且减轻对产生焊接裂纹的担心。

经验关系

用于共同成形步骤的给定钢管的尺寸和铜带的适宜宽度之间的经验关系可以适用于一定范围钢管尺寸。名义钢管外径，OD_tube，和壁厚，thk_wall，是依赖所要的钢管总体尺寸而定的。铜带的厚度，thk_cu，钢管焊缝厚度，thk_weld，可以作为确定适当宽度铜带的评估值。铜带形成的外部直径，OD_cu，可以用下式1计算：

OD_cu＝OD_tube-(2*thk_wall)(Eq.1)

铜带的外部直径邻接钢管的内部直径。而且，铜带的外周长，cir_cu，可以通过下式2计算：

cir_cu＝(π*(OD_tube-(2*thk_wall)))-thk_weld(Eq.2)

钢管轧制后的外径，OD_mill，可以通过铜轧制后的过公差，Cu_mill，加上钢管名义外径得到，OD_tube，如下面关系式3所示：

OD_mill＝OD_tube+Cu_mill(Eq.3)

钢管/铜轧制外径，OD_cs/cu，可以通过下面关系式4计算：

OD_cs/cu＝OD_mill+Cu_mill(Eq.4)

通过上面的初步计算，在钢管和铜衬里之间的理想的焊缝间隙，weld_clearance，可通过下面的关系式5计算：

${\mathrm{weld}}_{\mathrm{clearance}}=\frac{\mathrm{\π}*(({\mathrm{OD}}_{\mathrm{cs}/\mathrm{cu}}-2*\left({\mathrm{thk}}_{\mathrm{wall}}\right))-{\mathrm{cir}}_{\mathrm{cu}}-\mathrm{th}{k}_{\mathrm{weld}})}{2}---(\mathrm{Eq}.5)$

铜带的经验延伸因子可以对于一定范围的钢管尺寸进行计算。钢管的名义外径，OD_tube，和钢管的壁厚，thk_wall，的比率，D/t，用于联系一定范围内的钢管尺寸的测试管的测量特性。比率如下面关系式6所示：

$D/t=\frac{{\mathrm{OD}}_{\mathrm{tube}}}{{\mathrm{thk}}_{\mathrm{wall}}}---(\mathrm{Eq}.6)$

由前面所述的测试样品的结果，和测试样品的测试，选择一个适当宽度的铜带的方法可以以下面的方式适用于尺寸在一定范围内的管件。铜带延伸因子，stretch_cu，可以用D/t计算比率、2-7/8英寸的钢管的D/t^*值以及用于制造衬里钢管的方法所要的钢管尺寸的D/t值来计算。延伸因子以本领域普通技术人员熟知的方式用公式表达，即，关系式7中用到“X”的值和指数“e”。关系式7显示了铜带延伸因子计算法，stretch_cu：

${\mathrm{stretch}}_{\mathrm{cu}}=X*{\left[\frac{(D/t)}{(D/t*)}\right]}^e---(\mathrm{Eq}.7)$

铜带的宽度，width_cu，可以在前面一系列的预备的计算式的基础上进行计算，如下面关系式8所示：

${\mathrm{width}}_{\mathrm{cu}}=\frac{{\mathrm{cir}}_{\mathrm{cu}}}{{\mathrm{stretch}}_{\mathrm{cu}}}---(\mathrm{Eq}.8)$

本发明公开的实施例可提供一种改进的制造加衬管件的方法，有几个理由。本公开的确定适当的衬里带宽度方法可以在使用焊接管轧制工艺时让钢管制造商同时将外部基材和内部衬里带材料共同形成管件，管件具有内部衬里。该方法能制造具有内部铜衬里的钢管，例如通过该方法形成并设置铜衬里，以便铜衬里边缘直接邻接于钢管的内部焊缝。

有利的是，确定钢和铜带的宽度值、以让铜完全填充钢管的内径而不影响钢管中焊缝的方法被提出。铜衬里对焊接工艺的干扰对焊缝的完整性显示出不利的影响，其会导致焊接裂纹的形成。此外，钢管轧制形成参数可让铜完全填充管内径而且不影响钢管的焊缝，其中特别的是，提出在精加工轧辊进行较小的减小而在精压时进行更大的减小。

进一步，本发明公开的实施例其有益之处在于，可以选择多种钢管和铜衬里的直径和壁厚的组合，以满足制造商的需要和用户的设计需要。更具体的是，满足例如足够的铜横截面区域和对于包括但不限于陶瓷对中装置在内的部件的间隙的需要。

本发明公开的实施例将有利于确定测量加铜衬里的钢管的合适性的性能标准以进行正确的操作。这些标准包括，但不限于管的椭圆度、压力完整性、内部椭圆度/间隙度、焊缝完整性和钢管和铜衬里的过盈配合的强度。

本发明公开的实施例提供一种精确可靠的用于衬里钢管所需材料的计算方法。例如，该方法可以通过计算得到铜带宽度用于形成衬里钢管。最佳的轧制参数可以通过相应的性能标准确定，改善轧制装置，提高产量。方法的精确性还可以让衬里焊接管制造商能够在生产前计算合适的带宽度。准确地计算所需材料的能力，可以提高衬里钢管的生产力，降低由于估计所需材料出错而带来的材料浪费。而且，大批量商业生产的评估成本可以更加准确地确定，这随之带来更高的生产率和低的材料成本。

本发明通过所述的有限的实施例进行了描述，本领域的技术人员，在掌握所公开的技术后，应能认识到在不脱离本发明的范围的其他实施例。而本发明的范围由所附的权利要求以限定。

Claims (28)

1.一种制造管件的方法，所述方法包括：

将基材带和衬里材料带共同成形为内置有衬里的管件；

焊接基材带的相邻边缘并且在基材带中形成焊缝，其中衬里材料带的相邻边缘保持不焊接；和

沿径向扩展衬里材料带，

其中衬里材料带的外表面充分接触基材带的内表面。

2.如权利要求1所述的方法，还包括减小基材带的外径，其中基材带的内表面充分接触衬里材料带的外表面。

3.如权利要求1所述的方法，其中焊接步骤包括电阻焊。

4.如权利要求3所述的方法，其中衬里材料带的边缘邻近焊缝。

5.如权利要求4所述的方法，其中衬里材料带的边缘不影响焊缝的完整性。

6.如权利要求1所述的方法，还包括热处理焊缝。

7.如权利要求1所述的方法，其中衬里材料带的边缘邻近焊缝。

8.如权利要求1所述的方法，还包括将内置有衬里的管件形成为盘绕构造。

9.如权利要求1所述的方法，还包括相对于选定的性能标准测试所述内置有衬里的管件。

10.如权利要求9所述的方法，其中所选定的测试标准包括选自由外管椭圆度、压力完整性、内管椭圆度、缝焊完整性以及基材带和衬里材料带之间的过盈配合的强度组成的组中的至少一个。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述将基材带和衬里材料带共同成形的步骤包括用外轧辊形成内置有衬里的管件。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述将基材带和衬里材料带共同成形的步骤包括用内轧辊形成内置有衬里的管件。

13.如权利要求1所述的方法，还包括加工内置有衬里的管件的内径到最终尺寸。

14.如权利要求1所述的方法，还包括加工内置有衬里的管件的外径到最终尺寸。

15.如权利要求1所述的方法，其中所述基材包括钢。

16.如权利要求1所述的方法，其中所述衬里材料包括铜基合金。

17.一种制造管件的方法，所述方法包括：

将基材带和衬里材料带重叠放置；

将被重叠的基材带和衬里材料带辊轧成内置有衬里的管件；

焊接基材带的相邻边缘并且在基材带中形成焊缝，其中衬里材料带的相邻边缘保持不焊接；和

沿径向扩展衬里材料带，

其中衬里材料带的外表面充分接触基材带的内表面，以及

其中所述衬里材料带大致填充所述内置有衬里的管件的内径。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述衬里材料带的边缘邻近焊缝。

19.如权利要求17所述的方法，其中所述衬里材料带的边缘不影响焊缝的完整性。

20.一种制造管件的方法，所述方法包括：

选定将被用于形成内置有衬里的管件的基材带的宽度；

选定将被用于形成内置有衬里的管件的衬里材料带的宽度；

将衬里材料带和基材带形成为大致管状构造；

焊接基材带的相邻边缘并且在基材带中形成焊缝，其中衬里材料带的相邻边缘保持不焊接；和

沿径向扩展衬里材料带，

其中衬里材料带的外表面充分接触基材带的内表面，以及

其中所述衬里材料带的宽度被选定使得其边缘不会干扰形成在基材带边缘之间的焊缝。

21.如权利要求20所述的方法，还包括选定衬里材料带的宽度以使其边缘之间存在间隙，其中所述间隙基本上与焊缝对齐并且宽度与焊缝基本上一致。

22.如权利要求20所述的方法，其中所述选定衬里材料带的宽度的步骤包括：

计算所述大致管状构造的周长；和

用延伸因子除所计算的周长；

其中所述延伸因子与用于大约2.875英寸外径、0.190英寸壁厚的内置有衬里的钢管件中的衬里材料带的已知宽度相关，并且

延伸因子stretch_cu由下面的公式计算：

${\mathrm{stretch}}_{\mathrm{cu}}=X*[\frac{(D/t)}{(D/t*)}{]}^e$

其中D/t是对于所要的管件尺寸的名义外径与壁厚的比率，并且D/t*是对于大约2.875英寸外径、0.190英寸壁厚的内置有衬里的钢管件的名义外径与壁厚的比率。

23.一种内置有衬里的管件，包括：

包含钢的外基材；

包含铜基合金的扩展的内衬里材料；

接合包含钢的外基材的端部的、在外基材中的焊缝；

其中扩展的所述内衬里材料的相邻边缘保持不焊接，并且

其中扩展的内衬里材料的外表面充分接触外基材的内表面。

24.如权利要求23所述的管件，其中所述内衬里材料的壁厚是变化的。

25.如权利要求23所述的管件，其中所述外基材的壁厚是变化的。

26.如权利要求23所述的管件，其中所述内置有衬里的管件构造为用于井下加热器。

27.一种制造管件的方法，所述方法包括：

将基材带和衬里材料带共同成形为内置有衬里的管件；

焊接基材带的相邻边缘并且在基材带中形成焊缝，其中衬里材料带的相邻边缘保持不焊接；和

沿径向扩展衬里材料带以使衬里材料带接触基材带，

其中所述基材带包括约为2.875英寸的宽度和约0.190英寸的厚度。

28.如权利要求27所述的方法，其中所述衬里材料带具有7英寸到7.37英寸之间的宽度。