CN104853859A - 多层管的高速生产方法 - Google Patents

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Abstract

利用金属片材成型机高速生产多层管(5)的方法，其中所述多层管(5)包括至少一个第一材料层(1)和与所述第一材料层(1)相邻的第二材料层(2)，其中所述相邻材料层(2)被至少轻微弯曲；待组合成所述多层管(5)的材料层(1,2)被重叠放置，其中所述第一材料层(1)作为覆盖材料层位于所述相邻材料层(2)的上方；将所述覆盖材料层(1)与所述相邻材料层(2)基本沿着所述覆盖材料层(1)的第一边(4a)或其平行线连接，以形成所述覆盖材料层(1)和所述相邻材料层(2)之间的第一连接(3a)；将所述覆盖材料层(1)与所述相邻材料层(2)基本沿着所述覆盖材料层(1)的第二边(4b)或其平行线连接，以形成所述覆盖材料层(1)和所述相邻材料层(2)之间的第二连接(3b)；因此而形成的多层材料(1,2)通过金属片材成型机形成所述多层管(5)，其中在该成型过程中，在一定程度的成型后，之后成为内管的所述覆盖材料层(1)在所述两个材料层连接(3a,3b)之间朝向(部分)圆周方向被压缩，并因此被压入之后成为外管的所述相邻材料层(2)。

Description

多层管的高速生产方法
技术领域
本发明涉及一种用于高速生产多层管的方法。多层管优选的用于对耐腐蚀性或耐磨损性要求较高的场合。
背景技术
使用多层管来生产耐腐蚀性压力容器或压力管路比使用对应材料制成的实心产品成本更低。这是通过轻薄耐腐蚀内层（如耐腐蚀和耐酸钢 ）和高强度耐压外层（如细粒结构钢）分担负荷来实现的。通过这种方式，可以显著的减少钢消耗量，而剩余钢消耗量中的大部分可以使用低成本材料替代。
特定质量等级的耐磨损管路只能以多层管（例如具有机械连接的，见下文）的方式实现，因为此种材料（即高硬度的高强度钢）可以作为内层，但是其不能或几乎不能单独制成管。
各种其它材料组合也是可能的，原则上来说材料组合的可能性仅受限于相应的可能处理技术。
关于管涂层的结构，有以下不同方式：
- 全表面冶金结合(这要求用镀覆片材材料作为起始半成品)，以及
- 内管和外管纯机械结合(如摩擦结合)，优选的在内部和外部片材之间、在所述片材的边进行焊接。
在各层通过冶金结合的多层管中，例如由金属片材制成的多层管，优选的由钢片制成的多层管，将两种不同(钢)材料构成的镀覆复合片材用作起始半成品。
所述根据本领域现有技术的方法的缺点一方面在于起始半成品材料的高成本以及由此导致的成品的高成本，另一方面在于由于所述起始半成品材料的全球产能有限，所述起始半成品材料的可用量不足。另外能够以所述方式处理的材料的量也是有限的。举例而言，某些耐磨损钢材无法用作内层，因为其高碳含量导致它们无法或很难被焊接。
当多层管根据某些在先技术进行机械结合时，使用多个，优选的为两个，成品管作为起始半成品。该方法可以基于下文所述的两根管的示例进行说明(如果层数更多，该说明必须进行相应的解释)：
- 以精确安装的方式制造待组合的两根成品材料管，将一根管放入另一根管不会导致摩擦，其中所述外管的屈服强度大于所述内管的屈服强度；
- 膨胀(机械膨胀，例如通过膨胀压膜(expansion stamp)或液压,在后一种情况下被定位好的管被压入包括所述外管的模具)所述内管，所述外管也被弹性扩大，使所述内管被压入所述外管。移除所述膨胀力后，所述外管由于其较高的回弹力以压紧配合(force-fitted)的方式位于所述内管的周围;
- 最后，所述两种材料在边表面被焊接在一起。
在先技术中的这种方法的缺点在于要求所述外管具有比内管更高的弹性屈服强度，由于要求回弹而导致压紧配合，这一点是很必要的，但是有时却不可能。这一点特别不利，因为高强度材料，特别是高强度钢材，具有高或者非常高的屈服强度，特别适于作为耐磨损管路的管内侧，因此不适用该制造方法。
同时已知的方法还包括WO2006/066814A1所公开的方法，它不具有以上缺点，用于通过弯曲辊将材料层机械结合以制造多层管，其中
- 待组合成多层管的单独材料层被重叠放置，并且
- 因此而形成的多层材料通过弯曲辊形成多层管，其中在弯曲辊中管成型的最终阶段，作为内管的材料层以压紧配合的方式被分别压入作为外管的材料层。
通过该方法，可以生产多层管，而不必使用滚动包边(rolled clad)和/或爆裂包边(explosive-cladded)半成品，这样在另一方面就不受上述的在先技术中利用各层之间的摩擦机械结合来生产多层管的方法存在的限制的影响。
避免使用滚动包边(rolled clad)和/或爆裂包边(explosive-cladded)半成品通过以下方式实现：首先在材料层之间形成第一连接，例如焊缝，然后，在管成型过程中，作为内管的各材料层在弯曲辊中以压紧配合的方式被压入对应的作为外管的材料层，在特定的成型进度后在各材料层之间形成进一步连接，其在各个外管中以摩擦接触的方式固定，这就没有必要将多层管扩大，也就不会招致上文所述的膨胀法的缺点。
但是该方法在生产技术方面仍有缺点，它需要在弯曲辊中的管成型过程达到特定的成型进度后在材料层之间形成进一步连接，这通常要通过焊接来完成。为了实现所述的连接，需要打断管成型过程从而使两个材料层在其它位置进行连接。为此，尚未成型的管必须从所述弯曲辊取出，然后形成所述连接，所述连接通常为焊缝。作为备选，焊接可以在所述弯曲辊中完成，然后在该过程中将弯曲辊封上。接下来，所述半成品管(也称为开缝管)可以被再次放入弯曲辊，以便继续制造过程。这样的步骤极其费时，在生产成本方面也存在显著的缺点。
但是，WO2006/066814 A1还提供了另外一种方法，根据该方法，
- 待组合成多层管的单独材料层被重叠放置，其中作为外管的各材料层提供基础片材，所述基础片材基本沿着其两条长边或与基本与所述两条长边平行的设置有限动边，其优选的为焊接限动边，上层覆盖的材料层被疏松的放置在所述限动边之间，并且
- 用此种方法形成的多层材料通过弯曲辊形成多层管，其中作为内管的各材料层被夹在所述限动边之间，以及在弯曲辊中管成型的最终阶段，作为内管的材料层以压紧配合的方式被分别压入作为外管的材料层。
因此，根据WO2006/066814 A1的该具体实施方式，此种材料，例如特种高强度钢，可以作为内层，但是其不能或几乎不能被焊接。同样根据该方法，在管成型过程中，所述作为内管的材料层在弯曲辊中以压紧配合的方式被压入对应的所述作为外管的材料层，并因此以摩擦结合的方式被固定在对应的外管中。该方法无需创建如焊缝之类的连接，因此也无需费时费钱的中断所述弯曲辊中的管成型过程。但是该制造方法也有一个缺点，就是所述管的内层没有完全向内封闭，因为所述管的内边的一部分是由位于基础片材上的限动边形成的，也就是说各个外材料层导致由所述管内层带来的有益效果，如耐腐蚀和耐磨损，无法奏效。该缺点也不能简单的通过在该区域进行堆焊(deposition welding)来解决，由于本方法的目的本来就是避免在内层和外层之间进行焊接，因此在本方法中将所述限动边的材料与所述内层之一进行焊接是不可行的。
同时，根据WO2010/145680A1的优化方法已为人所知，该方法既不用打断管的制造以连接材料层，也不用在后续过程中将材料层的一部分整合。所述方法包括：
- 待组合成多层管的单独材料层被重叠放置，其中至少一个所述单独材料层由多个覆盖元件构成；
- 然后，在覆盖材料层的边侧(rim-sided)元件和相邻材料层之间形成各自的第一连接；
- 用此种方法形成的多层材料形成管，在成型过程达到特定成型程度后，仍然可以相对彼此自由移动的所述覆盖材料层的所述元件的边，将由于所述内管和外管不同的周长朝向彼此自由移动；
- 然后，在达到特定成型程度后，所述朝向彼此自由移动的所述覆盖材料层的所述元件的边紧靠彼此；并且
- 然后所述多层管通过片材成型机最终成型，其中在所述最终成型过程中，所述覆盖材料层的所述元件的边现在不再能够朝向彼此自由移动，因此作为内管的各材料层以压紧配合的方式被分别压入作为外管的材料层。
在该在先方法中，通过后来形成内层的至少两个元件与后来形成外层的材料层之间的边侧连接，避免了打断片材成型机，如弯曲辊，中的管成型过程，所述边侧连接一般在一开始，即在管成型过程之前，通过焊接形成。在管成型过程中，以弯曲辊为例，这些元件的自由端由于所述内外管不同的弯曲半径(或周长，意思实际相同)朝向彼此自由移动并最终相互接触。由于在该时间点，片材正在被弯曲成管，所述边不会互相弹开，而是会保持相互接触，其中它们通过平滑的边向内材料层施加力，所述力随着成型进度而增加，通过所述力所述材料层被压向外层。因此，不再需要打断成型过程，例如对材料层进行进一步焊接，以通过专用材料形成全表面材料内层。
但是，该方法仍有缺点，即需要一个后续处理步骤，以将所述管内部的靠接边进行焊接。另外，根据该方法，会在管内部的靠接边处形成额外的第三焊缝，这是另一个会导致失败的原因。
因此，鉴于WO2010/145680A1的公开内容，本发明的目的是提供一种制造多层管的方法，所述方法避免了在管内部形成额外的焊缝，而同时保留了根据WO2010/145680A1中关于生产技术的方法的优点。这样既不用打断管的成型过程以连接材料层，也不用在后续过程中将材料层的一部分整合。
发明内容
根据本发明的方法是通过以下方法来实现的：一种利用金属片材成型机来高速生产多层管的方法，其中所述多层管包括至少一个第一材料层和与所述第一材料层相邻的相邻材料层，其中
- 所述相邻材料层被至少轻微弯曲，(“弯曲”应当被理解为弹性或塑性变形)；
- 待组合成所述多层管的材料层被重叠放置，其中所述第一材料层作为覆盖材料层位于所述相邻材料层的上方；
- 将所述覆盖材料层与所述相邻材料层优选的基本沿着所述覆盖材料层的第一边或其平行线连接，以形成所述覆盖材料层和所述相邻材料层之间的第一连接，所述覆盖材料层在管成型后作为内管，所述相邻材料层在管成型后作为外管；
- 将所述覆盖材料层与所述相邻材料层优选的基本沿着所述覆盖材料层的第二边或其平行线连接，以形成所述覆盖材料层和所述相邻材料层之间的第二连接；
- 因此而形成的多层材料通过金属片材成型机形成所述多层管，其中，在该成型过程中，在一定程度的成型后，之后成为内管的各所述覆盖材料层在所述两个材料层连接之间朝向(部分)圆周方向被压缩，并因此被压入之后成为外管的各所述相邻材料层。
需要强调的是，在实施根据本发明的方法时并不一定要照搬上文所列的方法步骤的顺序。在实施本方法时，除了必要的技术顺序外，例如上文最后一步的通过金属片材成型机形成管的过程要求在之前形成(生产)多层材料，其顺序是不重要的。因此，举例而言，所述材料层的两个连接可以同时(优选的为基本同时)形成，而不是先后形成。另一个例子是先在材料层之间形成两个连接之一，然后进行弯曲，再然后在材料层之间形成另一个连接。所述相邻材料层优选的置于下方并且在所述（多层）管成型后成为外层，通过弯曲所述相邻材料层使其边，如管剖面图所示，彼此靠近。根据本发明的方法避免了打断所述金属片材成型机中的管成型过程，也避免了管内部的额外焊缝，因为既不需要打断所述金属片材成型机中的管成型过程来连接材料层或是通过专用材料在管内部形成全表面材料内层，也不需要进一步(第三)焊缝。这是因为一方面所述内材料层可以形成单一整片，另一方面对所述相邻材料层进行弯曲，例如对材料进行“预载负荷(preloading)”，这使得所述两个材料层在所述金属片材成型机中的(进一步)管成型过程之前就已经彼此连接了。 所述材料层可以在所述金属片材成型机(管成型机)中的实际管成型过程之前进行连接，因此不用再打断该过程。
根据本发明对相邻材料层沿其边（例如一条或两条）进行的任何可能的弯曲都优选的弯曲至待生产的多层管的最终半径 ，因此为这样可以避免后续处理，而这种后续处理常常与边破碎等制造问题相关。弯曲成最终半径可以优选的按照WO2010/118759A2所公开的方法将片状金属板进行弯压(bending press)实现。
在根据本发明的利用金属片材成型机高速生产多层管的方法的一个优选具体实施方式中:
待组合成多层管的单独材料层被重叠放置；
然后，将所述覆盖材料层与所述相邻材料层基本沿着所述覆盖材料层的第一边或其平行线连接，以形成所述覆盖材料层和所述相邻材料层之间的第一连接；
此时，因此而形成的多层材料，所述相邻材料层也同样，在所述材料层基本沿着所述边或其平行线通过所述第一连接彼此相连的区域中被至少轻微弯曲（“弯曲”应当被理解为弹性或塑性变形，请见上文与相邻材料层相关的说明）；
所述覆盖材料层的仍未连接的第二边相对于所述相邻材料层放在所述相邻材料层同样仍未连接的边的方向；以及
此后，将所述覆盖材料层与所述相邻材料层基本沿着所述覆盖材料层的所述仍未连接的第二边或其平行线连接，以形成所述覆盖材料层和所述相邻材料层之间的第二连接；并且
因此而形成的多层材料通过金属片材成型机形成所述多层管，其中，
在该成型过程中，在一定程度的成型后，之后成为内管的各所述覆盖材料层朝向(部分)圆周方向被压缩，并因此被压入之后成为外管的各所述相邻材料层。
在上述根据本发明的方法的具体实施方式中，再一次避免了打断所述金属片材成型机中的管成型过程，也避免了管内部的额外焊缝，因为同样既不需要打断所述金属片材成型机中的管成型过程来连接材料层或是通过专用材料在管内部形成全表面材料内层，也不需要进一步(第三)焊缝。这些需求通过以下方式避免：通过初始的各层单侧连接来向所述多层材料“预载负荷”；通过在该区域的所述弹性或塑性弯曲；通过向另一端“移动”，优选的为“拉动”；以及最终通过再次连接将所述预载负荷固定在另一端。上述的根据本发明的制造方法的具体实施方式提供了有益效果，因为不需要对所述相邻材料层进行初始(开始)塑性或弹性变形。所述弯曲仅在实施根据本发明的制造方法的过程中实现，即在弯曲这一步骤进行时同时定位(优选的为拉动)所述覆盖材料层。优选的，如所述管的截面图所示的位于材料层两个连接之间的作为内管的各材料层的周长(宽度)Bi通过以下条件选定：
,
其中Bi为如所述管的截面图所示的位于材料层两个连接之间的作为内管的各材料层的(部分)周长(管成型前为宽度)，示例性测量单位为mm；
Lnfa为如所述管的截面图所示的作为外管的各材料层的周长(管成型前为宽度)，示例性测量单位为mm；
SA为作为外管的各材料层的壁厚度，示例性测量单位为mm；
SI为作为内管的各材料层的壁厚度，示例性测量单位为mm；
d1为沿着所述覆盖材料层的第一边或其平行线的第一连接与所述相邻材料层的对应第一边在所述材料层之间的第一连接形成时的距离，示例性测量单位为mm；以及
d2为沿着所述覆盖材料层的第二边或其平行线的第二连接与所述相邻材料层的对应边在所述材料层之间的第二连接形成时的距离，示例性测量单位为mm。
这个条件等同于以下事实：如所述管的截面图所示的位于材料层两个连接之间的作为内管的各材料层的(部分)周长大于亦如所述管的截面图所示的内层的(部分)周长，所述内层是将(根据本发明的制造方法形成的管中的)两个材料层(在所述两个材料层连接之间)无应力同心放置所得。该比上述比值更大的所述两个材料层连接之间的(部分)周长导致所述内层在周长方向被压缩，使得所述内层径向膨胀(radial decompression)进入所述外层。
根据WO2006/066814A1已知的几何条件，取决于期望的压力，来选择所述覆盖材料层(即后来的内层)元件的尺寸以及所述覆盖材料层(即后来形成所述内层(或内管)的材料层)和所述相邻材料层(即后来形成所述外层(或外管)的材料层)之间的连接的位置。以下关于几何关系的概述用于说明此处的操作，具体的说明将各所述内材料层压向各所述外材料层的所述压力的来源。
除了上文介绍的变形，优选的为两层，即在管成型后形成内层或内管的一个覆盖材料层和在管成型后形成外层或外管的一个相邻材料层，还可以使用以下变形：
σI为所述覆盖材料层（内层)，即（后来的）内管的抗拉屈服强度(通常大致和压缩屈服强度对应，特别是在用于轧制金属时)，单位基本为 N/mm2；
E为所述覆盖材料层（内层)，即（后来的）内管的弹性模量(杨氏模量)，单位基本为 N/mm2。
(后来形成的)外管被弯曲成圆形时的中性轴的长度Lnfa为
,
其对应于平均(参见所述管的剖面图)周长，在此指(后来形成的)外管的周长，(因此也对应于作为外管的各材料层的宽度)。如果有人希望不经压缩就将内管装入外管，那么其中性轴的长度（内层不加压缩），在此由LnfiOS表示，由于不同的弯曲半径按照下式计算：
,
其仍然对应于平均周长，但是是内管的平均周长。
假设管几何成型过程以理想的方式进行，即形成理想的圆形(如所述管的截面图所示)，那么如果有人使用宽度为LnfiOS的材料层作为内层而将宽度为Lnfa的材料层作为外层，则所述内层能够在管成型过程中恰好装入所述外层，即所述外层和内层各自的长边在所述管成型过程结束的同时彼此邻接。内管的压缩也不会发生，所述内管的压缩会由于制造材料的压力及其的向外弯曲导致所述内管对各所述外材料层产生额外压力。
但是这就是根据本发明的方法所期望达到的目的。因此问题就来了：如形成的管的截面图所示，所述内层应该具有多大的(部分)周长(=在成型前所述覆盖材料层的宽度)以在压缩后获得期望的材料层周长Bi，或者与其实质上相同的所述管成型过程中的覆盖材料层的宽度。
根据上述说明，在管成型过程中所述内管的边相对于所述外管的边能够在圆周方向自由移动的长度为：
。
因此
实际上等同于
这样就清楚了，基本规则就是，每当作为内管的各材料层的宽度大于作为外层的各材料层的宽度与两个相邻材料层的厚度之和与π的乘积之差，所述作为内管的各材料层就会被压缩，这使得所述作为内管的材料层的宽度Bi适用于下式：
。
但是，如果所述作为内管的各材料层在管成型过程中宽度被压缩，也就是说被根据本发明的方法提供的两个连接所压缩，那么所述作为内管的各材料层会因此被压入各外材料层(即从管的内部空间看是向外紧邻)。因此，该压力可以被增加直至抗拉屈服点(压缩屈服点通常，特别是轧制金属片材板，基本等于所述抗拉屈服点)。如果没有明确的抗拉或压缩屈服点，也可以用技术抗拉屈服(technical tensile yield，也称为拉伸限制，是指在一定力的作用下塑料维持拉伸状态时张力的大小)或技术压缩限制。在称为胡克定律直线区域的上方，也就是大约处于所述塑性拉伸的范围内(例如在被称为吕德斯带的区域内)，该力无法被进一步显著提升(至少无法成比例提升)。如果知道该背景知识，人们就会希望超越上文所述的条件
,
该式基本上确保了压缩-最大压缩和最大压力，应当考虑以下方面：
利用所述内材料层的压缩程度达到所述压缩屈服点，在此以εSt表示，我们根据胡克定律获得下式：
。
根据该式，如果所述内材料层对所述外材料层的压力即将达到最大值，此时适用下式：
。
关于宽度，其决定了内材料层的带材，因此适用下式：
其中可达到的最大压缩程度适用于。
出于实用目的，应当注意如果有人希望以最可靠(至少一定程度的可靠)的方式使所述内层对所述外层的压力确实达到最大，应当确保确实达到所述压缩屈服点(≈抗拉屈服点)。这可以通过向基于材料常数所得的最大压缩程度添加一定额外抵消力达到，所述一定额外抵消力可以广泛的选自以下范围：优选的为不超过800%的最大压缩程度，更加有选的为不超过600%或300%或200%或100%的最大压缩程度。
优选的，为了使内层对外层的压力尽可能的大，出于实用目的，关于根据本发明的多层管制造方法中的作为内管的材料层的宽度适用于下式：
, 其中 。
如果所选的内层宽度大于上述等式右边的结果，就可以考虑引入上文所述的压缩抵消力，所述压缩抵消力能够补偿制造中的误差，例如在位置中和/或引导材料层带材向彼此移动中产生的，通过这种方法可以，至少基本上，安全地得到内管向外管施加的期望最大压力。
通过添加压缩抵消力，可以抵消由于内管对外管的径向作用的压力而导致的外管的弹性扩大，这种弹性扩大会在管成型后通过各材料层中间的中性轴的任意非精确中心位置影响所述方法。
上述说明假设内层的压缩是由材料层之间的两个连接所提供的，其中所述，如(后来形成的)管的截面图所示的，相邻材料层彼此对应的各边在分别形成材料层之间的第一和第二连接的时候彼此对齐，优选的基本对齐；优选的基本沿着各自的边并优选的通过沿着所述边的形成焊缝来连接。但是，举例而言，如果覆盖材料层(内层)的仍未连接的第二边在根据本发明的该具体实施方式形成第二连接之前没有被充分拉入相邻材料层(外层)的仍未连接的边的方向从而与之对齐，就要考虑因此而导致的，沿着或平行于覆盖材料层的仍未连接的(第二)边延伸的，第二材料层连接与相邻材料层的对应(第二)边之间的距离d2。同样还要考虑，沿着或平行于覆盖材料层的另一(第一)边延伸的，第一材料层连接与相邻材料层的对应(第一)边之间的距离d1。
考虑到以上内容，适用于下式
并且因此得到：
,
作为压缩的条件。为了达到最大压缩，Bi的结果对应于：
，其中。
优选的，根据本发明的多层管生产方法的特征在于材料层之间的第一连接以以下方式形成：优选的基本沿着所述覆盖材料层的纵向或横向边之一或其平行线形成，但同时也沿着或平行于未来形成的纵向管缝。所述覆盖材料层的纵向边可以平行于相邻(例如下方的)材料层的纵向边，但是这不是必须的。所述覆盖材料层的纵向边也可以平行于相邻(例如下方的)材料层的横向边。与所述相邻(例如下方的)材料层的连接也可以优选的沿着或平行于未来形成的纵向管缝形成。
在该语境中，应当注意的是当在文中提及沿着一个边或沿着一条(优选的仅是假想的)线的连接时，沿着所述边或线的任何类型的连接都应被理解，无论该连接是覆盖了整个所述边或线，还是仅覆盖了所述边或线的一部分，还是仅仅覆盖了一个点(例如点焊)，例如两点焊接，优选的在所述边或线的端点，或者仅仅在所述边或线上的一个点。
作为内管的材料层也可以在成品多层管的横截面形成部分圆，这可以通过将后来形成管内层的覆盖材料层的元件仅部分覆盖后来形成外层的材料层实现。
优选的，作为内管并在成品多层管中形成部分圆的材料层在所述多层管的底部形成槽。
在完成开缝管后，即完成所述，优选的必须的，管成型过程后，例如在弯曲辊中，优选的使用根据本发明的多层管的高速生产方法，沿着所述管缝对所述外管进行焊接，从而将所述多层管封闭。优选的，这也可以通过沿着所述管缝对内管进行堆焊来实现。优选的，所述多层管的管体以此种方法完成。
另外，材料层可以在所述管的端面进行连接，从而防止例如从冶金角度来说没有全表面连接的材料层之间有湿气侵入。
根据本发明的方法的优选应用是双层管的生产。但是本发明并不仅限于此，三层、四层乃至更多层的管都可以根据本发明的方法进行一般生产。
在根据本发明的另一个优选具体实施方式中，使用片材，优选的为金属片，更加优选的为钢片，作为材料层或材料层的元件。
在根据本发明的多层管生产方法中，优选的至少一个材料层连接通过焊接实现，其特别适于上述的使用金属片的场合，以及使用钢片的场合。
金属片材成型机可以为弯曲辊，所述弯曲辊可以为三辊弯曲机，但压模装置也是合适的，例如用于现有技术中UOE(U形管、O形管和膨胀管)管成型方法(如需了解UOE方法，请参见Hiersig, Heinz M., Lexikon Maschinenbau, Heidelberg 1997, S. 704f.，中心词为„Längsnaht-Großrohrherstellung“)或JCO管成型方法所使用的压模装置。但是还要考虑到，如果材料层彼此的挤压由于内层对相应外层的材料屈服强度比变化过大，根据本发明的方法，取决于所使用的材料组合，膨胀的最后一步可以被略过。
在JCO方法中，管是在压床中通过卷刃将片状金属卷成卧J形再卷成卧C形，之后再弯曲成UOE方法中的O形。
附图说明
接下来，将结合附图对非限制性具体实施方式进行说明。其中：
图1至图6为使用金属片材成型机高速制造多层管的方法各个步骤的立体图，其中这些步骤无需描述使用相同材料层的相同成型过程，而是以示意的方式显示成型过程的特定步骤或阶段，而各个步骤和各个阶段的各材料层可以不同，这可以从在先或在后步骤或阶段看出来，从而基于图1至图6的示例来显示根据本发明的方法的各种变形；
图7是具有内层(也称为内管、内管道、内片材等)和外层(也称为外管、外管道、基底片材等)的成品多层管的截面立体图；
图8是图7所示的具有内层和外层的多层管的截面放大立体图，放大的部位是靠近管的纵向焊缝的(焊接)连接的区域；
图9是根据本发明的方法利用UO(E)压模装置进行金属片材成型时的状态图；
图10是然后形成U形的步骤的状态图；
图11是然后形成O形即形成开缝管的步骤的状态图；
图12是示例性应力-应变图，用于解释如何通过相对于圆周边压缩内层来获得期望的最大压力。
本发明具体实施方式
图1用立体图来显示根据本发明使用金属片材成型机高速制造多层管的方法的一个具体实施方式的第一和第二步(所述金属片材成型机未示出)。
在第一步中，待组合成多层管的单独材料层，即覆盖材料层1和相邻材料层2，被重叠放置。
在第二步中，沿着所述覆盖材料层1的第一边4a将所述覆盖材料层1与相邻材料层2连接，优选的为焊接，来形成所述覆盖材料层1和所述相邻材料层2之间的第一连接3a，所述覆盖材料层1与相邻材料层2优选的基本沿着所述覆盖材料层1的第一边4a连接，所述第一连接3a优选的为焊接连接。对应于所述覆盖材料层的第一边4a的所述相邻材料层2的(第一)边6a从所示两个材料层1和2的第一连接3a相对于所述覆盖材料层1和所述第一边4a向外位移距离d1。即所述材料层1和2的第一连接3a也从与所述覆盖材料层1的所述第一边4a相对应的所述相邻材料层2的(第一)边6a相对于所述相邻(在此为下层的)材料层2及其第一边6a向内位移距离d1。
图2显示了根据图1-6的方法的第三步，其中在之前步骤形成的所述多层材料在所述材料层1和2沿着边4a通过第一连接3a相连的区域被弯曲，这可以通过弯曲辊，如三辊弯曲机，或通过压床，如弯板机(press brake)来实现，但是也可以通过任何其它合适的机器或任何其它合适的工具(也可以人工)来实现。在此，所述覆盖材料层1的第一边4a以及其在所述相邻材料层2上的对应边6a彼此对齐。图1所提及的所述材料层1和2之间的第一连接3a与所述相邻材料层2的边6a之间距离d1，为互相对齐的边4a和6a之间的距离，因此等于0。
图3显示了根据图1-6的本发明方法的第四步，其中所述覆盖材料层1上仍未连接的边4b相对于所述相邻材料层2朝同样未连接的(第二)边6b所在的方向移动。这可以优选的以下述方式实现：所述边4b被一对夹钳之类的抓握装置(未示出)抓住，所述抓握装置通过一个或多个握爪(未示出)抓牢所述覆盖材料层1，然后，例如通过所述抓握装置，将所述边4b朝所述相邻材料层2上仍未连接的(第二)边6b所在的方向10拉动。但是也可以通过任何其它合适的机器和/或任何其它合适的工具(也可以人工)来实现。原则上，为了使本发明将所述材料层1和2及其仍未连接的(第二)边4b和6b分别向彼此移动，可以将所述覆盖材料层1，优选的向下，沿着所述覆盖材料层1的(第二)边4b的朝向向所述相邻材料层2移动。类似的，所述边4b和6b也可以朝向彼此移动。在此很重要的一点是所述覆盖材料层1上仍未连接的（第二）边4b与所述相邻材料层2上仍未连接的(第二)边6b存在相对移动，其减少了仍未连接的(两个)边4b和6b之间的距离，优选的距离降为0，此时两者之间就不再有距离。然后，在所述材料层1和2之间沿着所述材料层1上仍未连接的(第二)边4b形成第二连接3b，所述连接优选的为焊接连接，例如焊缝。所述材料层之间的所述(第二)连接3b与所述相邻(下方)材料层的(第二)边6b之间的距离d2也已指明。与所述覆盖材料层1的第二边4b相对应的所述相邻(下方)材料层的(第二)边6b从所示两个材料层1和2的第二连接3b相对于所述覆盖材料层1和所述第二边4b向外位移距离d2。即所述材料层1和2的第二连接3b也从与所述覆盖材料层1的所述第二边4b相对应的所述相邻材料层2的(第二)边6b相对于所述相邻(下方)材料层2及其(第二)边6b向内位移距离d2。
图4显示了根据图1-6的方法的第五步，其中可见两个材料层1和2，其中所述覆盖材料层1上原先未连接的边4b已经相对于所述相邻材料层2朝向原先未连接的边6b所在的方向10被移动，优选的被拉动。在所述材料层1和2因此移动而最终所在的位置形成所述覆盖材料层1和所述相邻材料层2之间的第二连接3b，所述第二连接3b优选的为焊接连接，例如焊缝。此前已经沿着所述材料层1的第一边4a形成了第一连接3a。在当前所示的具体实施方式中，所述材料层1和2上的两组对应边，即4a和6a以及4b和6b，分别（基本）互相对齐，在每条对齐线上分别形成所述两个材料层连接之一，即3a或3b。根据该具体实施方式，如本图所示，所述材料层1上的原先未连接的边4b朝所述(下方)相邻材料层2上原先也未连接的边6b所在的方向10的移动以及之后所述材料层1和2沿所述材料层1上的未连接边4b形成的第二连接3b已经使整个管体形成了拱形。
另一方面，图4还显示了根据本发明的方法的另一个具体实施方式的第一步，其中所述相邻材料层2已经被通过例如用于金属片材板的弯曲压床(如WO2010/118759A2所提供的)弯曲，其使得在相邻材料层2的边6a和6b所在区域已经实现了待生产的多层管的最终半径。但是，弯曲所述相邻材料层2也可以通过以下方式来实现，例如通过将片材2压入对应形状的模具，或是简单的将其放在所述模具中，使其由于自身重量而导致的压力被弯曲。
待组合成多层管的材料层1和2被重叠放置，其中所述第一材料层1作为覆盖材料层1置于相邻材料层2之上。
同样，所述覆盖材料层1和所述相邻材料层2之间的第一连接3a也已经通过将所述覆盖材料层1基本沿着所述覆盖材料层1的第一边4a与所述相邻材料层2相连形成。所述覆盖材料层1和所述相邻材料层2之间的第二连接3b也已经通过将所述覆盖材料层1基本沿着所述覆盖材料层1的第二边4b与所述相邻材料层2相连形成。其中这些连接可以依次形成，也可以，优选的基本，同时形成。当使用合适的运送装置将所述覆盖材料层1在相邻材料层2被弯曲后立刻放在相邻材料层2上的正确位置时，就可能(基本)同时生成两个连接。
用此方法形成的多层材料1和2然后可以通过金属片材成型机(未示出)制成多层管5，其中当所述覆盖材料层1的成型进展到一定程度时，后来成为内管的所述覆盖材料层1在两个材料层连接3a和3b之间被朝向(部分)圆周方向，参见(后来形成的)(多层)管的截面，压缩，并因此被压入后来成为外管的所述相邻材料层2。
附图5和6显示了图1-6所示的根据本发明的方法的一个优选具体实施方式的最后一步，其中在之前步骤形成的多层材料通过金属片材成型机(未示出)被制成管5(更确切的说是开缝管)，即形成多层管(更确切的说是多层开缝管)，其中在该成型过程中，所述材料层1和2，由于之前形成的连接3a和3b，(优选的在特定成型进度后)在所述两个连接3a和3b之间被朝向(部分)圆周方向，参见(后来形成的)(多层)管的截面，压缩，使得后来作为内管的材料层1被压入，优选的被摩擦压入，后来作为外管的材料层2。
图7显示了成品多层管5的截面立体图，其具有内层(还可以被称为例如内置材料、材料内层、内管、内管道、内部片材等)1和外层(还可以被称为例如外材料层、材料外层、外管、外管道、基板等)2，其中所述多层管5优选的在外管2上沿着管缝8通过焊点7被封闭。优选的，为了封闭所述管，也可以在内管1上进行堆焊9，如本图所示。当然这样的堆焊9并非强制。本图还显示了所述覆盖材料层1和所述相邻材料层2之间的第一(焊接)连接3a和第二(焊接)连接3b。
图8是图7所示的具有内层1和外层2的多层管的截面放大立体图，放大的部位是所述(焊接)连接(例如焊缝)3a和3b以及焊点(例如焊缝或堆焊)7和9的区域。
图9是根据本发明的方法利用例如UO(E)压模装置进行金属片材成型时的状态图。后来置于外侧的材料层2此时位于下方，而后来的内层1此时位于上方。在所述第一连接3a与所述相邻层2焊接后，所述上层1通过其未连接的边4b朝向所述相邻(此时位于下方)材料层2的未连接边6b所在的方向10被拉动直至边4b和6b的距离为0(边4b和6b直接靠接)，在此位置，所述边4b和所述相邻(此时位于下方)材料层2的边6b被沿着边4b边侧(rim-sided)焊接，从而形成材料层1和2之间的第二连接3b。朝向所述相邻(下方)材料层2的原先未连接边6b所在方向10拉动所述覆盖材料层1的原先未连接边4b同时导致材料层1和2另一端，即所述第一连接3a的区域，弯曲(或是塑性弯曲，或是弹性弯曲)，这再一次证明了没有必要在初始步骤就进行弯曲。
图10是然后形成U形的步骤的状态图，即通过压床(未示出)向下驱动合适形状的冲压器11，其中所述材料层1和2被一起压入模具(同样未示出)。作为内管的所述材料层1，优选的在一定成型进度后，（所述内管1具有合适的宽度）在所述材料层1和2的两个连接3a和3b之间被压缩，并被压入(压紧配合)作为外管的所述材料层2。
图11是然后形成O形即形成开缝管的步骤的状态图，即通过压床(未示出)驱动半圆形冲压器12和13朝向待成型的管体，其中所述材料层1和2被一起压制形成圆形，参见截面。在该图中也一样，所述内材料层1位于所述两个材料层连接3a和3b之间的部分被压缩并被压入外层2。因为已经被弯曲，所述内层1不会从所述外层2中弹出，而是会适配于所述外层2，所述弯曲还可以通过其它用于管成型的金属片材成型机，或其它管成型工具，或其它管成型方法，例如利用弯曲辊的管成型方法，又例如使用三辊弯曲机。
应当注意的是根据本发明的方法也可以利用适于JCO方法的压模装置以类似的方式进行。在本实施例中，是根据JCO方法进行的，但是进行了一些修改,即同样形成了材料层1和2，这与根据本发明修改的UO(E)方法类似。同样在本实施例中，所述覆盖材料层1与后来形成外层的材料层2至少通过两个连接3a和3b相连，然后在使用JCO方法后形成开缝管。同样在本实施例中，实现了以下期望的效果：(优选的在一定成型进度后)，所述内层1，其具有相应宽度，位于所述两个材料层连接3a和3b之间的部分发生压缩，从而使内层1被压入外层2。
在任何情况下，即在根据本发明修改的UO(E)方法和根据本发明修改的JCO方法中，所述两个材料层1和2的连接3a和3b可以通过焊接形成，例如通过焊缝。
图12是示例性应力-应变图，用于解释如何通过相对于圆周边压缩内层来获得期望的最大压力。
本发明的目的是将多层管的内层材料压缩至该应力-应变图中区域S的范围，从而可以最大程度的将内层压入外层，以确保内管在外管内紧密配合。
如果作为内管的各材料层在管成型过程中宽度被压缩，例如被两个材料层之间的第一和第二连接挤压具有足够长度Bi的内层，那么作为内层的各材料层被压入各外(即从管内部看向外邻接的)材料层。因此，所述压缩力可以被提升至屈服点σι (对应于压缩屈服点，其通常，特别是轧制金属片材，基本等于所述屈服点)。如果没有明确的抗拉或压缩屈服点，也可以用技术抗拉屈服(technical tensile yield，也称为拉伸限制，是指在一定力的作用下塑料维持拉伸状态时张力的大小)或技术压缩屈服。在称为胡克定律直线区域的上方-图中的H区域，也就是处于所述塑性拉伸的范围内(例如在被称为吕德斯带的区域内)，图中的S区域，该力无法被进一步显著提升(至少无法成比例提升)。
条件
,
或等同条件
,
如果考虑到材料层之间的两个连接的压力，其取决于d1和d2，优选的从所述相邻材料层的各边向内施压(即朝向所述相邻材料层的中间)(如果所述连接沿着所述覆盖材料层的各边形成并且与所述相邻材料层上的对应边分别对齐，那么d1+d2会等于0!)，首先就确保了压缩。如果还希望实现最大压缩以及因此(由于压缩)而得的最大压力，应当考虑以下方面：
利用所述内材料层的压缩程度达到所述压缩屈服点，在此以εSt表示，我们根据胡克定律获得下式：
,
其中E为当材料中存在这样(明显的胡克定律直线)时胡克定律直线在区域H中的斜率。因此，它适用于内材料层对外材料层的压力即将达到最大值的情况：
。
关于宽度，其决定了内材料层的带材，因此适用下式：
其中可达到的最大压缩程度适用于。
出于实用目的，应当注意如果有人希望以最可靠，至少一定程度的可靠，的方式使所述内层对所述外层的压力确实达到最大，应当确保确实达到所述压缩屈服点σι (≈屈服强度)。这可以通过向基于材料常数σι和 E所得的最大压缩程度添加一定额外抵消力达到，所述一定额外抵消力优选的为不超过800%的最大压缩程度，更加有选的为不超过600%或300%或200%或100%的最大压缩程度ε St 。
优选的，为了使内层对外层的压力尽可能的大，出于实用目的，关于根据本发明的多层管制造方法中的作为内管的材料层带材的宽度适用于下式：
, 其中 。
鉴于所选的内层宽度大于上述等式右边的结果这样一个事实，可以考虑引入上文所述的压缩抵消力，所述压缩抵消力能够补偿制造中的误差，例如在位置中和/或引导材料层带材向彼此移动中产生的，通过这种方法可以，至少基本，安全地得到内管向外管施加的期望压力。通过这种方法，所述内层的材料可以可靠的达到区域S的范围，这样能够确保内管对外管的期望压力达到最大值，因为从此处看，基本上，内层总是能达到最大反弹力。图中的100%、200%和300%的压缩抵消力仅用于举例。类似的，用于300%压缩抵消力的反弹路径R也仅仅是处于图示目的。它们遵循以下规则：由于内层的压缩产生的压缩力在区域S中至少不再显著增加。
但是考虑到材料层在两个材料层连接之间互相挤压的情况，其取决于d1和d2，优选的从所述相邻材料层的各边向内施压(即朝向所述相邻材料层的中间)，我们获取Bi作为两个材料层连接之间的内层的宽度：
, 其中
以使两个材料层连接之间区域的内层对外层的压力达到最大。关于压缩抵消力，可以适用上文已经论述的内容。

Claims (20)

1.一种利用金属片材成型机来高速生产多层管(5)的方法，其特征在于所述多层管(5)包括至少一个第一材料层(1)和与所述第一材料层(1)相邻的第二材料层(2)，所述方法包括不一定按照以下顺序进行的步骤：
所述相邻材料层(2)被至少轻微弯曲；
待组合成所述多层管(5)的材料层(1,2)被重叠放置，其中所述第一材料层(1)作为覆盖材料层位于所述相邻材料层(2)的上方；
将所述覆盖材料层(1)与所述相邻材料层(2)基本沿着所述覆盖材料层(1)的第一边(4a)或其平行线连接，以形成所述覆盖材料层(1)和所述相邻材料层(2)之间的第一连接(3a)；
将所述覆盖材料层(1)与所述相邻材料层(2)基本沿着所述覆盖材料层(1)的第二边(4b)或其平行线连接，以形成所述覆盖材料层(1)和所述相邻材料层(2)之间的第二连接(3b)；
因此而形成的多层材料(1,2)通过金属片材成型机形成所述多层管(5)，其中，
在该成型过程中，在一定程度的成型后，之后成为内管的所述覆盖材料层(1)在所述两个材料层连接(3a,3b)之间朝向(部分)圆周方向被压缩，并因此被压入之后成为外管的所述相邻材料层(2)。
2.根据权利要求1所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于所述相邻材料层(2)沿着至少其一条边弯曲至待生产的多层管(5)的最终半径。
3.根据权利要求1或2所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于
待组合成所述多层管(5)的材料层(1,2)被重叠放置；
将所述覆盖材料层(1)与所述相邻材料层(2)基本沿着所述覆盖材料层(1)的第一边(4a)或其平行线连接，以形成所述覆盖材料层(1)和所述相邻材料层(2)之间的第一连接(3a)；
此时，因此而形成的多层材料在所述材料层(1,2)基本沿着所述边(4a)或其平行线通过所述第一连接(3a)彼此相连的该区域中被至少轻微弯曲，其中；
所述覆盖材料层(1)的未连接的第二边(4b)相对于所述相邻材料层(2)朝向所述相邻材料层(2)上同样未连接的边（6b）放置；
此后，将所述覆盖材料层(1)与所述相邻材料层(2)基本沿着所述覆盖材料层（1）的所述未连接的第二边(4b)或其平行线连接，以形成所述覆盖材料层(1)和所述相邻材料层(2)之间的第二连接(3b)；并且
因此而形成的多层材料通过金属片材成型机形成所述多层管(5)，其中，
在该成型过程中，在一定程度的成型后，之后成为内管的所述覆盖材料层(1)在所述两个材料层连接（3a, 3b）之间朝向(部分)圆周方向被压缩，并因此被压入之后成为外管的所述相邻材料层(2)。
4.根据权利要求1或2或3所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于位于材料层(1,2)两个连接(3a,3b)之间的作为内管的材料层(1)的管成型前宽度Bi通过以下条件选定：
,
其中Bi为如所述管的截面图所示的位于材料层(1,2)两个连接(3a,3b)之间的作为内管的材料层(1)的(部分)周长(管成型前为宽度)，优选的以mm为单位；
Lnfa为如所述管的截面图所示的作为外管的材料层(2)的周长(管成型前为宽度)，优选的以mm为单位；
SA为作为外管的材料层(2)的壁厚度，优选的以mm为单位；
SI为作为内管的材料层(1)的壁厚度，优选的以mm为单位；
d1为沿着所述覆盖材料层(1)的第一边(4a)或其平行线的第一连接(3a)与所述相邻材料层(2)的对应第一边(6a)在所述材料层(1,2)之间的第一连接(3a)形成时的距离，优选的以mm为单位；以及
d2为沿着所述覆盖材料层(1)的第二边(4b)或其平行线的第二连接(3b)与所述相邻材料层(2)的对应第二边(6b)在所述材料层(1,2)之间的第二连接(3b)形成时的距离，优选的以mm为单位。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于位于材料层(1,2)两个连接(3a,3b)之间的区域作为内管的材料层(1)的管成型前宽度Bi通过以下条件选定：
, 其中
其中Bi为如所述管的截面图所示的位于材料层(1,2)两个连接(3a,3b)之间的作为内管的材料层(1)的(部分)周长(管成型前为宽度)，优选的以mm为单位；
Lnfa为如所述管的截面图所示的作为外管的材料层(2)的周长(管成型前为宽度)，优选的以mm为单位；
SA为作为外管的材料层(2)的壁厚度，优选的以mm为单位；
SI为作为内管的材料层(1)的壁厚度，优选的以mm为单位；
σI为所述覆盖材料层(1)(内层)，即后来的内管的抗拉屈服点或压缩屈服点，优选的以 N/mm2为单位；
E为所述覆盖材料层(1)(内层)，即（后来的）内管的弹性模量(杨氏模量)，优选的以 N/mm2为单位；
d1为沿着所述覆盖材料层(1)的第一边(4a)或其平行线的第一连接(3a)与所述相邻材料层(2)的对应第一边(6a)在所述材料层(1,2)之间的第一连接(3a)形成时的距离，优选的以mm为单位；以及
d2为沿着所述覆盖材料层(1)的第二边(4b)或其平行线的第二连接(3b)与所述相邻材料层(2)的对应第二边(6b)在所述材料层(1,2)之间的第二连接(3b)形成时的距离，优选的以mm为单位。
6.据权利要求2或3或4或5所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于所述材料层(1)的所述未连接的第二边(4b)与所述相邻材料层(2)之间朝向所述相邻材料层(2)上所述仍未连接的第二边(6b)所在的方向的相对移动是通过朝向所述相邻材料层(2)上所述仍未连接的第二边(6b)所在的方向拉动所述覆盖材料层(1)上所述未连接的第二边（4b）来实现的。
7.据权利要求1-6中任一项所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于所述材料层(1,2)之间的所述第一连接(3a)通过以下方式形成：基本沿着所述覆盖材料层(1)的纵向或横向边之一或其平行线，同时基本沿着或平行于未来形成的纵向管缝(8)，连接所述材料层(1,2)。
8.据权利要求1-7中任一项所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于所述材料层(1,2)之间的所述第二连接(3b)通过以下方式形成：基本沿着所述覆盖材料层(1)的纵向或横向边之一或其平行线，同时基本沿着或平行于未来形成的纵向管缝(8)，连接所述材料层(1,2)。
9.据权利要求1-8中任一项所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于作为内管的材料层(1) 在成品多层管(5)中的截面为圆形的一部分。
10.据权利要求9所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于如其截面所示，作为内管并在成品多层管(5)中形成部分圆的材料层在所述多层管的底部形成槽。
11.据权利要求1-10中任一项所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于当材料层(1,2)被同心放置时进行焊接形成第一连接(3a)或第二连接(3b)。
12.据权利要求1-11中任一项所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于在所述多层管(5)在外管(2)上沿着管缝(8)通过焊点(7)被封闭。
13.据权利要求12所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于还可以从内部在内管(1)上沿管缝(8)设置堆焊(9)。
14.据权利要求1-13中任一项所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于所述材料层(1,2)在多层管(5)的端面上连接，优选的通过焊接连接。
15.据权利要求1-14中任一项所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于所生产的多层管(5)为双层管。
16.据权利要求1-15中任一项所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于使用片材，优选的为金属片，更加优选的为钢片，作为材料层(1,2)。
17.据权利要求1-16中任一项所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于所述金属片材成型机为弯曲辊。
18.据权利要求17所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于所述弯曲辊为三辊弯曲机。
19.据权利要求1-16中任一项所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于所述金属片材成型机为UO(E)压模装置(13, 14, 15)。
20.据权利要求1-16中任一项所述的高速生产多层管(5)的方法，其特征在于所述金属片材成型机为JCO压模装置。
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