CN101876383A - 复合金属管及制造方法以及由复合金属管形成的复合管道 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合金属管，包括外管和内管，其中，外管包括外层基体管以及与外层基体管端部相连的外端管；内管位于外管内，内管的长度大于外层基体管的长度而小于外管的总长度，并且内管相对于外层基体管定位为内管的两端分别超出外层基体管的两端而与外端管搭接；外端管和内管由耐蚀金属制成，而外层基体管由不同于外端管和内管的金属制成，并且所述金属复合管的内壁由内管的内壁和外端管的对应内壁构成。本发明还公开了该复合金属管的制造方法及由该复合金属管形成的复合管道。本发明的复合金属管大大地减少了耐蚀金属的用量，但仍能提供连续的耐蚀金属内壁，以满足输送强腐蚀性流体的需要。

Description

复合金属管及制造方法以及由复合金属管形成的复合管道

发明领域

本发明涉及一种新型的复合管道，特别是复合金属管、该复合金属管的制造方法及由该复合金属管形成的复合管道。

背景技术

我国大多数油气田含有CO₂、H₂S等腐蚀性介质，CO₂、H₂S腐蚀是井下油气管的主要腐蚀类型。由此类内腐蚀造成的停产停输、重大事故不胜枚举。输送腐蚀性很强的流体，往往采用特种金属材料管道，如不锈钢管、耐蚀合金管等。但是这些管材的造价高昂，增加了运营成本。为此发展了双金属管材，外管采用价格相对低廉的普通金属材料，内管采用造价高的材料，这种管材正获得逐步应用。这种常见的双金属复合管一般采用普通碳钢或低合金钢作为外层的基体管，耐蚀的不锈钢薄壁管作为内衬层。由此这种复合管兼有碳钢管和不锈钢管的优点，其外层的基体管提供强度支持，而内层的内衬管具有优良的防腐性能。复合管的制造包括机械复合(包括水压胀形、机械胀形、爆炸复合等)、冶金复合(包括离心铸造、堆焊复合)等。机械复合管内外层之间仅依靠内管残余张紧力和外管的弹性变形实现结合，冶金结合复合管的生产效率低，造价高，且上述两种类型的复合管不可避免在制造过程中将遇到内管甚至外管的热变形问题，制造过程复杂且设备多，生产成本仍然较高。

此外，制成的双金属复合管特别是机械复合法制成的双金属管，在现场安装对接时存在如下困难：(1)复合管由于内部空间小，接触介质的根部焊道必须先焊接，该层焊道不可避免受到多次加热，其耐蚀性受到影响。外管基层焊接时，由于前面焊缝金属为耐蚀合金，必须选择合金元素较高的过渡层焊接金属，增加了现场焊接操作难度；(2)现场焊接条件差，尤其是焊接时管子不能转动，一般为水平固定全位置焊接，母材对焊缝的稀释率受焊接位置影响很大，焊工操作难度大，质量不易保证。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中复合管制造过程复杂、成本高的技术问题，在降低生产成本的同时保证形成连续的耐蚀金属内层表面，以满足输送强腐蚀性流体的需要。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种复合金属管，该复合金属管包括外管和内管，其中：外管包括外层基体管以及与外层基体管端部相连的外端管；内管位于外管内，内管的长度大于外层基体管的长度而小于外管的总长度，并且内管相对于外层基体管定位为内管的两端分别超出外层基体管的两端而与外端管搭接；外端管和内管由耐蚀金属制成，而外层基体管由不同于外端管和内管的金属制成，并且所述金属复合管的内壁由内管的内壁和外端管的对应内壁构成。

本发明还提供了一种制造上述复合金属管的方法，该方法包括以下步骤：(1)制备外层基体管，在外层基体管的两端连接由耐蚀金属制成的外端管而形成外管；(2)将由耐蚀金属制成的内管装入外管内，并确保内管的两端分别超出外层基体管的两端而与外端管搭接；(3)所述内管和外管结合在一起，所述金属复合管的内壁由内管的内壁和外端管的对应内壁构成。

本发明又提供了一种由上述复合金属管连接而形成的连续的复合管道。

本发明提供的复合金属管及其制造方法减少了耐蚀金属的用量，简化了制造过程，在保证形成连续的耐蚀金属内层表面的前提下大大降低了制造成本。

附图说明

下面将结合如下附图详细地描述本发明：

图1为根据本发明的一个实施例的金属复合管的示意图；

图2为本发明一实施例的内管的示意图；

图3为根据本发明的又一实施例的金属复合管的示意图；

图4为沿图3中A-A线的剖面图；

图5为根据本发明的再一实施例的金属复合管的示意图；

图6为根据本发明的另一实施例的金属复合管在制造过程中的示意图；

图7为根据本发明形成的复合金属管道的示意图。

具体实施方式

图1示出了本发明的一个实施例。复合金属管10包括内管3和外管。外管包括外层基体管2和连接在外层基体管2两端的外端管1和1’。外层基体管2可以由低成本的金属材料构成，如普通碳钢和低合金钢，或其它相对不耐蚀的金属。外端管1和1’可以由相对耐蚀金属构成，如不锈钢、镍基合金、镍铁基合金、钛合金或者其它耐蚀合金。外层基体管2与外端管1和1’之间可以采用本领域公知的连接技术连接在一起，如图所示可以采取焊接的方式。在连接处的内径应与外管其它部分的内径相同，以保证内管与外管的接合。内管3由与外端管1和1’材料相同或相近的耐蚀金属构成。内管3和外端管1和1’所采用的耐蚀金属根据防腐性能要求由高到低的顺序可以选自钛合金、镍基合金、镍铁基合金或不锈钢。内管3位于外层基体管2与外端管1和1’连接而形成的外管中，内管3的长度要大于外层基体管2的长度而小于外管的总长度，从而使内管3相对于外层基体管2定位为内管3的两端分别超出外层基体管2的两端而与外端管1和1’分别搭接。之所以如此选择内管3的长度，其目的是与内管与外端管外端平齐的情况相比，这样做可以节省制造内管的耐蚀金属材料，而与内管与外层基体管的两端平齐的情况相比，简化了现场施工复合管对接的难度，可以保证形成连续的耐腐蚀内壁，提高了接头质量。

为减少耐蚀金属的用量，可以使外层基体管2的长度远远大于外端管1和1’的长度，例如，外层基体管2的长度可以是每个外端管的长度的至少2倍。

在制造图1所示的复合金属管时，首先制备外层基体管2，在外层基体管2的两端分别连接由耐蚀金属制成的外端管1和1’而形成外管，例如通过焊接的方式；将由耐蚀金属制成的内管3装入外管内，并确保内管3的两端分别超出外层基体管2的两端而分别与外端管1和1’搭接；将内管3和外管结合在一起，所形成的金属复合管的内壁由内管3的内壁和外端管1和1’的对应内壁构成。

内管3可以通过板材预卷弯曲而形成。图2示出了在本发明的实施例中通过板材预制成的内管3的端视图，其中为了形成封闭的圆柱形内管并在后续的加工过程中内管可以形成连续的耐蚀金属内壁，在板材卷曲相接的两端要留有足够的搭接余量，即在预制成的内管圆周上形成搭接余量部分5。随后，将内管3放入外层基体管2与外端管1和1’连接而形成的外管中，内管3的长度要大于外层基体管2的长度而小于外管的总长度，从而使内管3相对于外层基体管2定位为内管3的两端分别超出外层基体管2的两端而与外端管1和1’分别搭接。可以通过本领域公知的内胀法(如机械、液压或气压胀形法)使内管与外管接合，即将胀形设备伸入内管中膨胀加压，将内管胀起，直到内管与外管贴合在一起，然后将胀形设备抽出，形成如图1所示的双金属复合管。由于搭接余量部分5的存在，避免发生内管3在膨胀后出现板材搭接处分离而漏出外层基体管内壁的情况。

图3示出了本发明的另一个实施例，在该实施例中，在内管3和外管之间还包括一个中间层4。可以在将内管3插入外管之前，在预制内管3的外周上涂敷胶黏剂。在随后胀形过程中，胀形设备保持对内管3的内壁的压力，使胶黏剂固化后在内、外管之间形成中间层4，内管3、中间层4和外管紧紧贴合到一起。胶黏剂形成的中间层4使得在图1所示的实施例中内、外管之间的机械复合变成黏胶复合，提高了内外金属管的结合强度，同时中间层4使得复合金属管10的耐压强度得以提高。在本发明的另一个优选方案中，中间层4是包括黏胶剂和纤维布(未示出)的纤维复合材料层。在内管3由板材预制成管状后，先在预制内管3的外表面涂敷胶黏剂，然后在内管3的外表面缠绕纤维布，这之后再在缠绕好的纤维布上再涂敷胶黏剂，为避免形成气泡，最好在纤维布上用力刷涂胶黏剂。这之后重复如图3所示的实施例的步骤，从而形成纤维复合材料的中间层4。纤维布的加入一方面起到增强的作用，另一方面也可以承载更多的胶黏剂，使得胶黏剂的附着性更好。

为取得更好的黏合效果，在内管3由板材预制成管状时，在搭接余量部分5之间也可以涂有胶黏剂。此外，最好在搭接余量部分5与内管3内壁之间采用含有耐蚀金属的焊条点焊形成不连续的焊点或焊接而形成耐蚀的连续焊缝(图中未示出)。为避免由胶黏剂固化形成的中间层从内管3与外端管1和1’的搭接处露出，如图5所示，最好在内管3与外端管1和1’的搭接处进行密封，如图5中7和7’所示。密封方法可以采用含有耐蚀金属的焊条焊接而形成耐蚀的焊缝，也可以采用专用密封胶或者其它方法。本发明实施例所使用的黏胶剂最好采用热固性的黏胶剂，包括但不限于：酚醛树脂胶、环氧树脂胶、聚酯树脂胶、聚酰亚胺树脂胶。纤维布可以采用玻璃纤维布、碳纤维布、硼纤维布、芳纶纤维布、氧化铝纤维布、玄武岩纤维布或碳化硅纤维布，但并不限于此。

上述采用胶黏剂的各复合金属管的实施例具有如下优点：(1)避免内管制造过程中的焊接，如不锈钢薄壁管的焊接。(2)当复合金属管的内外管之间形成包括胶黏剂的中间层时，提高了内外金属管的结合强度，此外，中间层能承受来自内管的压力，增强了复合管的承压能力。(3)这种复合管的内胀法压力低，容易成形，简化了双金属复合管的制造设备及工艺。(4)采用这种成形方法制造的复合管规格范围基本不受限制，既可以适应机械胀形法成形难度大的小管径管，也适用于需要采用大型机械或密封设备才能制造的大口径管。此外，复合管的长度基本不受成形设备的限制，同时解决了耐蚀复合管最薄弱的管接头防腐蚀问题，保证了内衬管的完整性。(5)能对一般材质的外管甚至铸管加衬，提高原管材的耐磨或防腐等性能。

本发明形成的复合金属管大大地减少了成本较高的耐蚀金属的用量，但仍能提供连续的耐蚀金属内壁，以满足输送强腐蚀性流体的需要。在包括胶黏剂的中间层的复合金属管中，内、外管之间的机械复合变成黏胶复合，从而提高了内外金属管的结合强度。

在图6所示的本发明复合金属管的又一种制造方法中，内管3可以是耐蚀合金焊管，也可以是耐蚀合金无缝管。内管3与外端管1和1’的搭接处采用耐蚀金属材料焊接而形成焊缝7和7’。由于内管3除与外管焊接的搭接处以外，在内管3的外壁与外管的内壁之间可能存在空隙。利用钻孔等常见的加工方法在外层基体管2上形成的一个或多个通孔，作为气孔9(图中只示例性示出一个)。随后，利用本领域常用的管道试压机或其它密封加压设备对复合金属管内部密封加压而使内管3胀大，则空隙中的气体通过气孔9排出，从而使内管和外管紧密地贴合在一起，由此形成复合金属管的成品。

采用上述方法，还可以在最后的步骤中封堵外层基体管上的气孔9。

需要指出的是，由于本发明的复合金属管中内管不是与外管的两端平齐的，在向内管内壁加压时无需采用现有双金属复合管所采用的复杂密封结构，普通的管道试压机的结构就可以满足要求，使得制造成本降低。

图7示出本发明的多个复合金属管10、10’彼此连接而形成的耐腐蚀管道。连接方式可以使本领域公知的任何方式，如附图中所示的焊接。

上述实施例中所述的胶黏剂，黏胶剂与内衬管和外管的粘结强度越高，内管和外管的结合强度就越高，效果越好。胶黏剂的弹性模量越接近钢效果越好。另外黏胶剂的防腐性能越好，效果越好。胶黏剂最好能在低温、高温下都能具有较好的性能，如粘结强度、防腐性能、弹性模量等。或者在不同的温度选择不同的胶黏剂。

在上述各实施例中，除非特别说明的特征，各实施例可以采取与其它实施例相同的特征。

以上已详细描述了本发明的实施方案，对本领域技术人员来说很显然可以做很多改进和变化而不会背离本发明的基本精神。所有这些变化和改进都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合金属管，该复合金属管包括外管和内管，其中：

外管包括外层基体管以及与外层基体管端部相连的外端管；

内管位于外管内，内管的长度大于外层基体管的长度而小于外管的总长度，并且内管相对于外层基体管定位为内管的两端分别超出外层基体管的两端而与外端管搭接；

外端管和内管由耐蚀的金属制成，而外层基体管由不同于外端管和内管的金属制成，并且所述金属复合管的内壁由内管的内壁和外端管的对应内壁构成。

2.如权利要求1所述的复合金属管，其特征在于，所述复合金属管还包括位于外管和内管之间的中间层，该中间层包括胶黏剂，且该中间层与外管、内管紧密地贴合在一起。

3.如权利要求2所述的复合金属管，其特征在于，所述中间层还包括纤维布，所述纤维布缠绕内管的外表面并与涂覆的胶黏剂结合在一起。

4.一种制造如权利要求1所述的复合金属管的方法，该方法包括以下步骤：

(1)制备外层基体管，在外层基体管的两端连接由耐蚀金属制成的外端管而形成外管；

(2)将由耐蚀金属制成的内管装入外管内，并确保内管的两端分别超出外层基体管的两端而与外端管搭接；

(3)将所述内管和外管结合在一起，所述金属复合管的内壁由内管的内壁和外端管的对应内壁构成。

5.如权利要求4所述的制造复合金属管的方法，其特征在于，在步骤1和步骤2之间还包括步骤1a：

(1a)将用作内管的耐蚀金属板料预卷弯曲成管状并在圆周方向上形成搭接余量部分；

步骤3包括以下子步骤：

(3a)胀形设备深入内管将内管胀起，直到内管与外管贴合在一起；和

(3b)抽出内管中的胀形设备，制成所述的复合金属管。

6.如权利要求5所述的制造复合金属管的方法，其特征在于，在步骤2和步骤3a之间包括如下步骤2a：

(2a)在内管的搭接余量部分涂敷胶黏剂，并在内管的外表面涂敷胶黏剂；

并且在步骤3a和3b之间包括如下步骤3a’：

(3a’)胀形设备保持对内管内壁的压力，使所述胶黏剂固化后在内管、外管之间形成中间层，且外管、中间层和内管紧紧贴合到一起。

7.如权利要求6所述的制造复合金属管的方法，其特征在于，在步骤2a和步骤3a之间还包括如下步骤2b：

(2b)在涂敷了胶黏剂的内管的外表面缠绕纤维布，并在缠绕的纤维布的外表面上再次涂敷胶黏剂。

8.如权利要求4所述的制造复合金属管的方法，其特征在于，步骤3包括以下子步骤：

(3a)内管与外端管的搭接处采用含有耐蚀金属的焊条或焊丝焊接而形成焊缝；

(3b)设置穿透外层基体管的气孔；

(3c)在复合金属管内部密封加压而使内管和外管贴合在一起。

9.如权利要求8所述的制造复合金属管的方法，其特征在于，在步骤3c后还包括封堵外层基体管上的气孔的步骤。

10.一种由权利要求1-3中任一项所述的复合金属管连接而形成的连续的复合管道。

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