大口径双金属复合管材制造工艺及扩径成形装置
技术领域
本发明涉及新材料先进制造技术领域,尤其是一种可用于特殊油气输送、化学反应物输送、复杂服役条件下单相或多相物料输送等多个领域的大口径双金属复合管材制造工艺及用于该工艺的扩径成型装置。
背景技术
随着各类管材部件服役环境的日趋复杂化和恶劣化,对在其中服役的各类管材与管部件的性能、品种、质量稳定性、绿色制造以及延寿等方面都提出了越来越高的要求,要求采用价格相对昂贵的高钢级和高合金钢管材及管部件的场合日渐增多,特别是对用于包括湿气输送在内的特殊油气输送、高温高压或超低温反应物输送和复杂服役条件下的单相或多相物料输送等大口径高钢级和高合金钢管材的研发与生产,市场关注度和学术关注度越来越高。然而,单质的大口径高钢级和高合金钢管材的车间生产成本高,突破技术“短板”难度大,货源和资源有限且不甚稳定,使用所述管材的工程造价显著增加。国内外生产、应用金属与金属复合管材已经有相当长的时间,不过,产品均局限于中低端品种,对环境相容性要求不甚苛刻。在复合工艺上主要采用双层管套拔或内扩的塑性加工来完成层间复合,通称为机械复合。目前采用所谓的冶金复合的双层复合管材所占比重还相当有限。这里既有经济性问题,也有质量稳定性问题。这些问题不可避免地削弱了所述传统复合管材的市场竞争力。尽管所述机械复合的技术具有工艺方法简易,生产成本较低,一次性投资有限等优点,但所生产的复合管材往往因为层间复合质量可靠性较差,也就是所谓的“两层皮”问题而难以进入高端制造领域。这一切在客观上就加快催生了一种新技术、新工 艺开发的需要,制造出比现有冶金复合管材更具竞争力、比传统机械复合管材具有更可靠层间结合质量的复合管材,以满足能源、海洋、现代煤化工等重大装备高端制造领域的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:克服现有技术中之不足,提供一种大口径双金属复合管材制造工艺以及该制造工艺所用的扩径成形装置,本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种大口径双金属复合管材制造工艺,应用于管材外径范围在400~1500mm、内外层均为金属管材之间的复合加工,具有如下步骤:
(1)、备料:按技术要求下料制备待复合的内层管、外层管,其中外层管为金属管,内层管为金属管;
(2)、套合:按要求将内层管套入外层管内,套合后双层管件的内层管外壁与外层管内孔之间的单边间隙量保持在5~20mm;
(3)、预热:对套合好的双层管件的外层金属管通过加热器进行预热处理,使一定长度的外层金属管被快速加热至500~900℃;
(4)、内扩径复合成型:将扩径成型装置的扩径芯模从双层管件一端伸入加热好的双层管件的内层管内,从双层管件另一端推动双层管件向扩径芯模方向移动,依靠扩径芯模作用对内层管进行内扩径成型,扩径时双层管件相对扩径芯模的推进速度为0.5~1.5m/min;
(5)、冷缩复合:扩径成型好的复合管件由安装在相距该复合管件变形区出口端150mm处的喷雾冷却器进行快速冷却至80℃以下,以实现通过物理收缩使复合层间再次得以进一步贴紧而获得高密度的复合结构;
(6)、精整处理:对冷却完毕的复合管件进行矫直精整、切头处理,检测完 毕下料送入后续工序进行管体加工成最终产品。
具体说,所述的外层金属管预热处理的加热方式为中频感应加热方式。
优选地,所述的内扩径复合成型时内层管壁的减薄量为0.1~0.8mm。
一种用于上述制造工艺的扩径成形装置,包括传送辊道、扩径前对双层管材的外层金属管进行预热处理的加热器、扩径后对复合管材进行快速冷却的冷却器,所述的传送辊道一端设有采用液压控制的支撑杆座,传送辊道另一端设有采用液压控制的顶推座,待复合的双层管件置于传送辊道上,支撑杆座上通过可拆卸芯杆连接有伸入内层管内的球状的扩径芯模,顶推座上连接有推动双层管件向扩径芯模方向移动而实现扩径芯模对内层管进行扩径复合的顶杆。
为方便扩径完成后扩径芯模退出双层管件,所述的芯杆包括可拆卸连接的基体段和工作段,基体段与支撑杆座固定,工作段连接扩径芯模。
所述的芯杆的工作段长度为所连接扩径芯模球径的1.5倍,且工作段端部具有与芯模球径相配的球面。
所述的传送辊道具有支撑双层管件的支承辊,对应支承辊上方位置设有调节双层管件与扩径芯模、芯杆三者同轴的定心辊。
本发明的有益效果是:本发明采用推进式扩径成形工艺和易于对心且寿命更高的空心球状扩径芯模,并在线实施扩径成形复合和物理收缩复合的双重复合机制,以获得高质量的复合界面,内外层管通过特种成形机制被相互紧固为一体并被赋以新的性能优势和性价比优势,实现了管材质量稳定、服役延寿、资源节约的目的。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的工艺流程示意图。
图2是本发明所述扩径成形装置的结构示意图。
图中1.传送辊道1-1.支承辊1-2.定心辊2.加热器3.冷却器4.支撑杆座5.顶推座6.芯杆6-2.基体段6-1.工作段7.扩径芯模8.顶杆9.双层管件
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图,仅以示意方式说明本发明的基本结构,因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示的一种大口径双金属复合管材制造工艺的流程示意图,应用于管材外径范围在400~1500mm、内外层均为金属管材之间的复合加工,具有如下步骤:
(1)、备料:按技术要求下料制备待复合的内层管、外层管,其中内层管、外层管为具备不同使用功能和综合性能的金属管材,它们可以是碳素钢管、合金钢管、不锈钢管以及各类有色金属管,可以是焊接钢管或无缝钢管;
(2)、套合:按要求将内层管套入外层管内,套合后双层管件9的内层管外壁与外层管内孔之间的单边间隙量保持在5~20mm,其中长径比高和高径壁比大口径管料采用所述间隙范围的中上限;
(3)、预热:对套合好的双层管件9的外层金属管在扩径成型前,使用加热器2采用中频感应加热方式进行预热处理,使一定长度的外层金属管被快速加热至500~900℃;
(4)、内扩径复合成型:将扩径成型装置的扩径芯模7从双层管件9一端伸入加热好的双层管件9的内层管内,从双层管件9另一端推动双层管件9向扩径芯模7方向移动,依靠扩径芯模7作用对内层管进行内扩径成型,扩径时双 层管件9相对扩径芯模7的推进速度为0.5~1.5m/min,扩径过程中采用易于清洗的专用润滑剂;
(5)、冷缩复合:扩径成型好的复合管件由安装在相距该复合管件变形区出口端150mm处的冷却器3进行快速冷却至80℃以下,以实现通过物理收缩使复合层间再次得以进一步贴紧而获得高密度的复合结构;
(6)、精整处理:对冷却完毕的复合管件进行矫直精整、切头处理,检测完毕下料送入后续工序进行管体加工成最终产品。
上述待扩径成形内层管尾部在套合之前应事先进行端面平整加工,内层管尾端应超出外层管尾端的长度为LM;LM是内层管扩径量即单边间隙量(J)和减薄量(ΔS)的函数,其数学表达式如下:
L0外——外层管长度(mm)
D0内——内层管外径(mm)
S0内——内层管原始壁厚(mm)
ΔS——扩径成形引起内层管壁的减薄量(mm)
J———内外层管之间的单边间隙量(mm)
扩径成形过程中导致内层管壁的减薄量大于0.2mm,优先地为0.2-0.8mm。
如图2所示,一种用于上述制造工艺的扩径成形装置,包括传送辊道1、扩径前对双层管件9的外层金属管进行预热处理的加热器2、扩径后对复合管材进行快速冷却的冷却器3,其中加热器2为电感应式加热器,采用中频感应加热方 式进行预热处理,冷却器3为环状喷雾型,利用喷出的环形水雾快速冷却复合管材。
所述的传送辊道1一端设有支撑杆座4,传送辊道1另一端设有采用液压控制的顶推座5,待复合的双层管件9置于传送辊道1上,支撑杆座4上通过可拆卸芯杆6连接有伸入内层管内的球状的扩径芯模7,该扩径芯模7为球状空心体,其扩径量可大体按照K=2J(1+ρT)进行计算,此公式中的J为两层套合管料之间平均单边间隙量,ρ为外层金属管料的膨胀系数,T为外层金属管料在扩径前的加热温度,而顶推座5上连接有推动双层管件9向扩径芯模7方向移动而实现扩径芯模7对内层管进行扩径复合的顶杆8,顶杆8采用液压控制推动。
所述的芯杆6包括通过锁扣可拆卸连接的基体段6-2和工作段6-1,基体段6-2与支撑杆座4固定,工作段6-1连接扩径芯模7。其中芯杆6的工作段6-1长度为所连接扩径芯模7球径的1.5倍,工作段6-1端部具有与扩径芯模7相配的、且球面积为扩径芯模7球面积30%-45%的球面。
所述的传送辊道1具有支撑双层管件9的支承辊1-1,对应支承辊1-1位置设有定心辊1-2,依靠定心辊1-2作用,在确保双层管件9、芯杆6中心线重合且双层管件9、扩径芯模7、芯杆6三位同轴调整到位的前提下,启动扩径成形过程。
在扩径接近完成且双层管件9的尾端尚处于加热器2入口端外约500mm长度时,须立即中断扩径成形过程,关闭加热器2的电源,快速退回顶杆8,并将新一根待扩径成形的双层管件9送入传送辊道1,使之与前面双层管件9的尾部端面准确对接,以实施新一轮的扩径成形复合过程。
当需要完全中止扩径成形作业时,应快速退回顶杆8,关闭电热器2的电源, 装上脱芯管并与已成形的复合管件尾端精准接触到位,再次启动顶杆8将已接近完成扩径成形的复合管件推出变形区,并松开芯杆6的基体段6-2和工作段6-1之间的连接,收回扩径芯模7。上述脱芯管的外径、壁厚与外层管相同,其长度略大于加热器2进口端面中心点到扩径定位后扩径芯模7球心位置的直线距离;当已接近完成扩径成形的复合管件尾部尚余留未进行扩径管段长度接近扩径芯模7直径约三分之一时,立即退回顶杆8并装入所述脱芯管,以便再次通过顶杆8和所述脱芯管段将推出复合管件变形区并同时回收扩径芯模7。
实施例一:生产产品为用于长距离煤浆输送的耐磨蚀大口径双金属复合管材,规格为φ813×23×8000mm(内层10mm)的20号优质碳素钢与含铬合金钢的复合管。具体工艺过程包括以下工艺步骤:
(1)、备料:同时下料制备好Q235碳素钢、规格为φ813×13×8500mm单质管料作为待复合的外层管;尺寸为φ767×10.5mm的含铬合金钢管料作为待复合的内层管;在双层料管尾端含铬合金钢内层管应伸出外层管,内层管伸出部分的长度ΔL按照公式计算结果为52mm,乘以1.2的调整系数,取值64mm,因此内层管的下料尺寸为φ767×10.5×8564mm;
(2)、套合:在料台上将内层管套入外层管中,组成带有单边间隙量为10mm的待复合的双层管件9,内芯尺寸为φ767mm;
(3)、预热:对套合好的双层管件9通过加热器2采用中频感应加热方式进行预热处理,使一定长度的外层管被快速加热至780-820℃;
(4)、内扩径复合成型:通过专门的小车和带有对应球面的芯杆6将扩径芯模7送入待复合双层管件9头部端口对中并定位;液压推动顶杆8,顶杆8按每分钟1.0米的速度持续稳定推动内层管移动,内层管通过扩径芯模7扩径成形并与外层管内壁贴紧而实现机械复合,与此同时伴随有内层管管壁的减薄现象, 该减薄量设定为0.2mm;
(5)、冷缩复合:扩径成型好的复合管件通过安装在复合管件变形区出口端150mm处的冷却器3,采用环状喷淋方式快速冷却至80℃以下,扩径后的复合管件相应一段的外层金属被快速冷却,进而使内外两层之间在塑型加工复合基础上再次通过物理冷缩机制而获得具有高紧密度的复合界面;
(6)、精整处理:对冷却完毕的复合管件进行矫直精整、切头处理,检测完毕下料送入后续工序进行管体加工成最终产品。
实施例二:生产产品为用于酸性油气长距离输送的抗H2、CO2腐蚀的大口径双金属管材。规格为φ914×42.9×8000mm(内层壁厚20mm)的X65钢管与内层高级含铌含铬合金钢管的复合管材。具体实施工艺过程包括以下工艺步骤:
(1)、备料:同时下料制备好X65钢、规格为φ914×22.9×8500mm单质管料作为待复合的外层管,尺寸为φ846.2×22.5mm的含铌、铬合金钢管料作为待复合的内层管料;在双层料管中含铌铬合金钢内层管应伸出外层管尾端,伸出部分的长度ΔL按照公式计算结果118mm,乘以1.2的调整系数,取值142mm,内层管的下料尺寸为φ846.2×22.5×8642mm;
(2)、套合:在料台上将所述含铌铬合金钢内层管套入X65钢外层管中,组成带有单边间隙量为11mm的待复合的双层管件9,采用的内芯尺寸为φ828.2mm;
(3)、预热:对套合好的双层管件9通过加热器2采用中频感应加热方式进行预热处理,使一定长度的外层管被快速加热至800-840℃;
(4)、内扩径复合成型:通过专门的小车和带有对应球面的芯杆6将扩径芯模7送入待复合双层管件9头部端口对中并定位;液压推动顶杆8,顶杆8按每分钟0.7米的速度持续稳定推动内层管移动,内层管通过扩径芯模7扩径成形并与外层管内壁贴紧而实现机械复合,与此同时伴随有内层管管壁的减薄现 象,该减薄量设定为0.3mm;
(5)、冷缩复合:扩径成型好的复合管件通过安装在复合管件变形区出口端150mm处的冷却器3,采用环状喷淋方式快速冷却至80℃以下,扩径后的复合管件相应一段的外层金属被快速冷却,进而使内外两层之间在塑型加工复合基础上再次通过物理冷缩机制而获得具有高紧密度的复合界面;
(6)、精整处理:对冷却完毕的复合管件进行矫直精整、切头处理,检测完毕下料送入后续工序进行管体加工成最终产品。
本发明采用推进式扩径成形工艺和易于对心且寿命更高的空心球状扩径芯模7,并在线实施扩径成形复合和物理收缩复合的双重复合机制,以获得高质量的复合界面,内外层管通过特种成形机制被相互紧固为一体并被赋以新的性能优势和性价比优势,实现了管材质量稳定、服役延寿、资源节约的目的。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施,并不能以此限制本发明的保护范围,凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。