CN102553961B - 特种合金衬里与管线钢外套冶金结合的复合管制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石油天然气用复合管道加工领域,具体为一种耐蚀特种合金衬里与管线钢外套冶金结合的复合管制备工艺,解决复合管存在的综合机械性能差、界面结合力低和加工复杂的问题,适用于液体或气体输送高强耐蚀复合管道。先制备复合管坯,将耐蚀特种合金内管坯放置入管线钢外管坯中,然后通过滚胀心轴回转挤压,实现复合管坯的管线钢外管坯内壁与复合管坯的耐蚀高温合金内管坯外壁的紧密贴合;再在防护涂层保护下将复合管坯加热到挤压温度,通过复合管坯热挤压成最终复合管,通过高温高压条件下内外管坯界面处形成的扩散层,实现内外管界面处良好的冶金结合,适合对结合强度和力学性能要求高的耐蚀高温合金衬里石油天然气钻井用复合管的制造。

Description

特种合金衬里与管线钢外套冶金结合的复合管制备工艺
技术领域
本发明涉及石油天然气用复合管道加工领域,具体为一种特种合金衬里与管线钢外套冶金结合的复合管制备工艺,适用于液体或气体输送高强耐蚀复合管道。
背景技术
在腐蚀恶劣的环境中,不锈钢、高温合金等是常用的防腐蚀材料,然而纯不锈钢、高温合金等合金管道材料的成本较高,特别是在压力较高工况下,由于管壁较厚,所需成本就更高。
目前,国内碳钢不锈钢管复合管的生产方法主要有:机械胀接成形、爆炸成形、液压胀合等方法。这些方法的过程各不相同,但原理相似,通过外力使复合管的内管塑性变形、外管弹性变形,从而获得复合管的外管对内管产生压应力状态,以达到复合管外管内壁与复合管内管外壁的紧密贴合。这些方法一般可以保证复合管内外管的物理结合,但在恶劣的外部条件下,其界面处会发生腐蚀失效。同时,由于这些方法生产的复合管界面非冶金结合,在外力作用下其协调变形能力差,而且结合力不高,复合管会发生脱离分层,其力学性能和界面结合强度难以满足石油天然气钻井用复合管的需求。另外,这些方法生产的复合管一般一个为变形组织,另一个为铸态组织,力学性能较差。这些复合管的内衬一般采用不锈钢,虽然具有一定的抗腐蚀能力,但对于一些特殊腐蚀环境,其抗腐蚀能力有限。因此,现有的碳钢不锈钢难以满足对耐蚀性能、结合强度和力学性能要求高的石油天然气钻井、核电、石化等特殊领域的需求。
发明内容
针对目前石油天然气钻井用复合管的迫切需求,本发明的目的提供一种特种合金衬里与管线钢外套冶金结合的复合管制备工艺,解决复合管存在的综合机械性能差、界面结合力低和加工复杂的问题。
为达到上述目的,本发明的技术方案是:
一种特种合金衬里与管线钢外套冶金结合的复合管制备工艺,先制备复合管坯,将特种合金内管坯放置入管线钢外管坯中,然后通过滚胀心轴回转挤压,实现复合管坯的管线钢外管坯内壁与复合管坯的特种合金内管坯外壁的紧密贴合;再在玻璃防护涂层保护下将复合管坯加热到挤压温度,通过复合管坯热挤压成最终复合管,通过高温高压条件下内外管坯界面处形成的扩散层,实现内外管界面处冶金结合;特种合金是指高温合金、不锈钢、耐蚀合金、双相钢或钛合金;
制备复合管坯时,特种合金内管坯和管线钢外管坯之间形成复合前内管坯和外管坯间隙,通过滚胀心轴伸至特种合金内管坯回转挤压,滚胀心轴回转速度为20~250转/分钟,实现复合管坯的特种合金内管坯塑性变形、管线钢外管坯弹性变形,从而复合管坯的外管对内管产生压应力状态,以达到复合管坯外管内壁与复合管坯内管外壁紧密的物理结合;
复合管坯加热时,在玻璃防护涂层的保护下,将复合管坯加热到挤压温度,复合管坯加热的升温速度为5~30℃/分钟,加热温度范围为1100~1300℃,时间范围为30~60分钟;
复合管坯热挤压时,将已预热的复合管坯放入热挤压机内,挤压比范围为(2:1)~(20:1),挤压速度范围为20~150mm/s,进行热挤压。
所述的特种合金衬里与管线钢外套冶金结合的复合管制备工艺,复合管中,管线钢外管的外径Φ50mm~600mm,管线钢外管的壁厚4mm~50mm,特种合金内管的壁厚2mm~20mm。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、复合管内外管界面处良好的冶金结合。热挤压过程的高温高压条件,使内外管坯界面处元素发生互扩散,形成一层薄但高强扩散层,实现了良好的冶金结合,显著提高了界面处的结合能力和复合管材的协调变形能力。
2、复合管综合机械性能优异。通过热挤压变形,细化了管材的晶粒和组织,显著了提高复合管的力学性能。
3、减小壁厚和重量。外层挤压态碳钢具有优异的机械性能,可以减小壁厚和重量,节约成本。
总之,本发明采用外层为普通碳素钢,内层为不锈钢、高温合金等特种合金的复合管,来代替纯不锈钢、高温合金等特种合金管道,可节省不锈钢、高温合金等合金,大大降低管道成本,用于大口径管道的生产经济效益尤为显著,因此复合管在石油、天然气、核电等行业有广阔的应用前景。
附图说明
图1为复合管坯的制备示意图。
图中,1管线钢外管坯;2耐蚀高温合金内管坯;3滚胀心轴;4复合前内管坯和外管坯间隙。
图2为复合管坯热挤压示意图。
图中,5定位针;6压头;7复合管坯;8模具;9复合管。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1-2所示,本发明先制备复合管坯,将耐蚀高温合金内管坯2放置入管线钢外管坯1中,然后通过滚胀心轴3回转挤压实现复合管坯的管线钢外管坯1内壁与复合管坯的耐蚀高温合金内管坯2外壁的紧密贴合,然后在防护涂层保护下将复合管坯加热到挤压温度,然后将复合管坯热挤压成最终复合管,通过高温高压条件下内外管坯界面处形成的扩散层,实现内外管界面处良好的冶金结合,具体步骤如下:
1、复合管坯的制备
如图1所示,先将耐蚀高温合金内管坯2放置入管线钢外管坯1中,耐蚀高温合金内管坯2和管线钢外管坯1之间形成复合前内管坯和外管坯间隙4,通过滚胀心轴3伸至耐蚀高温合金内管坯2回转挤压(滚胀心轴回转速度为20~250转/分钟),实现复合管坯的耐蚀高温合金内管坯2塑性变形、管线钢外管坯1弹性变形,从而复合管坯的外管对内管产生压应力状态,以达到复合管坯外管内壁与复合管坯内管外壁紧密的物理结合。
本发明中,通过滚胀心轴回转挤压实现复合管坯的制备,其加工方式保证耐蚀高温合金内管坯产生较大的塑性变形,而外部的管线钢外管坯产生较小的弹性变形,从而使得复合管坯的外管对内管产生了压应力,以保证复合管坯的管线钢外管坯内壁与复合管坯的耐蚀高温合金内管坯外壁的紧密贴合。
2.复合管坯的加热
在常用玻璃防护涂层的保护下,将复合管坯加热到挤压温度,以防止内外管坯表面产生氧化,促进热挤压过程中管坯界面冶金结合层的形成,同时要控制加热速度和时间,以防止复合管坯内外管的脱离。本发明中,复合管坯加热的升温速度为5~30℃/分钟,加热温度范围为1100~1300℃,时间范围为30~60分钟。
3.复合管坯的热挤压
如图2所示,复合管坯7置于热挤压机内的模具8中,压头6中心穿设有定位针5,压头6上的定位针5伸至复合管坯7中,在压头6和定位针5作用下,进行热挤压,形成复合管9。
将已预热的复合管坯7放入热挤压机内,根据复合管的材料和尺寸,选择合适的挤压比和挤压速度,挤压比范围为(2:1)~(20:1),挤压速度范围为20~150mm/s,进行热挤压。在高温高压条件下,内外管坯界面处元素发生互扩散,形成一层薄但高强扩散层,实现冶金结合,通过热挤压变形,显著了提高复合管的力学性能。
本发明中,挤压温度、挤压比和挤压速度由制备材料决定,而且考虑到挤压过程中的温度散失和变形热引起的温升,挤压速度和挤压比必须与挤压温度向匹配。
本发明获得的复合管中,管线钢外管的外径Φ50mm~600mm,管线钢外管的壁厚4mm~50mm,耐蚀高温合金内管的壁厚2mm~20mm。
实施例1
将内径Φ134.4mm,壁厚15.1mm的Inconel625耐蚀高温合金内管坯放入内径Φ165mm,壁厚90mm的L450管线钢外管坯中,通过滚胀心轴回转挤压(滚胀心轴回转速度为60转/分钟),将耐蚀高温合金内管坯内径塑性变形至Φ135mm,管线钢外管坯弹性变形,达到复合管坯的管线钢外管坯内壁与复合管坯的耐蚀高温合金内管坯外壁的紧密贴合。
在玻璃防护涂层的保护下,将复合管坯以升温速度为15℃/分钟,加热到1200℃,保温40分钟,然后将已预热的复合管坯放入热挤压机内,挤压比为10:1,挤压速度为50mm/s,制成外径为Φ168.5mm,壁厚为16.5mm复合管。
实施例2
将内径Φ99.4mm,壁厚10.1mm的Inconel825耐蚀高温合金内管坯放入内径Φ120mm,壁厚60mm的L450管线钢外管坯中,通过滚胀心轴回转挤压(滚胀心轴回转速度为80转/分钟),将耐蚀高温合金内管坯内径塑性变形至Φ100mm,外管弹性变形,达到复合管坯的管线钢外管坯内壁与复合管坯的耐蚀高温合金内管坯外壁的紧密贴合。
在玻璃防护涂层的保护下,将复合管坯以升温速度为10℃/分钟,加热到1180℃,保温40分钟,然后将已预热的复合管坯放入热挤压机内,挤压比为5:1,挤压速度为80mm/s,制成外径为Φ133mm,壁厚为16.5mm复合管。
本发明通过热挤压加工工艺最终制成内外管冶金结合的复合管,不但提高了复合管的结合强度,而且通过热挤压变形,显著提高了复合管的力学性能,特别适合对结合强度和力学性能要求高的耐蚀特种合金衬里石油天然气钻井用复合管的制造,也可生产不锈钢、铝、铜等其他金属材料衬里的复合管。

Claims (2)

1.一种特种合金衬里与管线钢外套冶金结合的复合管制备工艺,其特征在于:先制备复合管坯,将特种合金内管坯放置入管线钢外管坯中,然后通过滚胀心轴回转挤压,实现复合管坯的管线钢外管坯内壁与复合管坯的特种合金内管坯外壁的紧密贴合;再在玻璃防护涂层保护下将复合管坯加热到挤压温度,通过复合管坯热挤压成最终复合管,通过高温高压条件下内外管坯界面处形成的扩散层,实现内外管界面处冶金结合;特种合金是指高温合金、不锈钢、耐蚀合金、双相钢或钛合金;
制备复合管坯时,特种合金内管坯和管线钢外管坯之间形成复合前内管坯和外管坯间隙,通过滚胀心轴伸至特种合金内管坯回转挤压,滚胀心轴回转速度为20~250转/分钟,实现复合管坯的特种合金内管坯塑性变形、管线钢外管坯弹性变形, 从而复合管坯的外管对内管产生压应力状态, 以达到复合管坯外管内壁与复合管坯内管外壁紧密的物理结合;
复合管坯加热时,在玻璃防护涂层的保护下,将复合管坯加热到挤压温度,复合管坯加热的升温速度为5~30℃/分钟,加热温度范围为1100~1300℃,时间范围为30~60分钟;
复合管坯热挤压时,将已预热的复合管坯放入热挤压机内,挤压比范围为(2:1)~(20:1),挤压速度范围为20~150 mm/s,进行热挤压。
2.按照权利要求1所述的特种合金衬里与管线钢外套冶金结合的复合管制备工艺,其特征在于:复合管中,管线钢外管的外径Φ50mm~600mm,管线钢外管的壁厚4mm~50mm,特种合金内管的壁厚2mm~20mm。
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