CN105290241B - 一种加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的这种加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺及系统，首先需要将基管加热，之后将基管与衬管穿套在一起，当基衬管穿套完成后，对衬管进行水压涨形，衬管首先发生弹性变形，当水压压力继续加大后，衬管发生塑性变形，衬管外表面与基管内表面紧密贴合，之后继续增加水压压力，衬管与基管同时发生变形，此时基管仅仅发生弹性变形；之后水压涨形压力降为0，冷却衬管；最后将复合好的复合管自然冷却至室温，复合工艺完成。此双金属复合管成形工艺，一方面提高了双金属复合管的成形质量，另一方面解决了衬管材质优于基管材质的双金属管的复合成形的难题，该方法更适用衬管材质较基管材质差的双金属管的复合成形。

Description

一种加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺及系统

技术领域

本发明涉及一种加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺及系统。

背景技术

近年来随着世界经济的迅猛发展，对能源需求日益增长，为满足市场需要，油气田的开采逐步向深井、海洋、偏远陆地等高腐蚀环境方向发展，因此需要开发高品质耐高酸性管材。双金属复合管是由两种不同材质的金属管构成：基管为高强度碳钢管材，内衬层为耐腐蚀性合金，管层之间通过各种变形和连接技术形成紧密结合，双金属复合管材既具有良好的强度和耐腐蚀性，而且成本低，得到了国内外市场的广泛认可，发展迅速。

双金属复合管有冶金式复合管和机械式复合管两种形式。冶金式复合管主要是利用冶金复合板通过JCOE 等方法成形，或者通过加热成形方式使内外两种金属结合成一体，其结合界面为冶金结合状态。冶金式复合管成形后剪切分离强度高，性能优，但是制造成本高，成形受材质限制，仅有少数合金可以制成冶金复合板，并且制造工艺复杂。机械式复合管是通过特定冷成形方法使内外两层金属形成过盈配合，产生一定的接触压力，从而实现内外层金属紧密配合的金属复合管。机械式复合方式有冷拉拔法、水压胀接法、机械胀接法等。机械式复合方式制造成本低、虽然受钢管材质影响比冶金复合小，但是一般只能成形基管材质优于衬管材质的双金属复合管，但是实际生产中，为节约成本，并为满足特殊使用工况的需要，往往要求衬管的材质要优于基管的材质，甚至要远超基管的材质，因此采用传统意义上的机械成形法复合后双金属管的剪切分离强度较少，甚至为0，从而不能满足实际需要，所以需要发明一种全新的双金属复合管机械成形方法，不仅可以解决上述难题，而且成形后的双金属复合管性能更优。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的双金属复合管成形工艺及系统，一方面提高双金属复合管的成形质量，另一方面解决现有的机械成形法只能满足衬管材质较基管材质差的双金属管的复合成形，本发明提供的方法更适用衬管材质优于基管材质的双金属管的复合成形。

为此，本发明提供了一种加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺，包括如下步骤：

步骤一：将衬管套在与地面平行的支撑杆上，支撑杆上安装有冷却涨形装置，打开冷却涨形装置的冷却水入口阀门和冷却水出口阀门，对衬管进行循环冷却；

步骤二：将基管置入中频加热炉进行加热，加热3～10min 后，基管进入电阻保温炉保温2～5min；

步骤三：基管随电阻保温炉一起移动至支撑杆处，将位于电阻保温炉内的基管穿套在的衬管的外表面；

步骤四：关闭冷却涨形装置的冷却水入口阀门和冷却水出口阀门，打开增压水入口阀门，对穿套好的基管和衬管进行水压涨形，使压力升高到基管发生最大弹性变形的85%的水压压力，在水压涨形过程中，基管始终在电阻保温炉内进行保温；

步骤五：卸压，通过冷却涨形装置将水压压力降至0，电阻保温炉后退；

步骤六：基管和衬管同时空冷至室温；

步骤七：完成加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺。

所述步骤二中基管在中频加热炉中加热的温度范围是250℃～400℃，在电阻保温炉进行保温的温度范围是250℃～400℃。

所述步骤四中的基管发生最大弹性变形的85%的水压压力是30MPa～200MPa。

一种适用于加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺的系统，包括中频加热炉、电阻保温炉和冷却涨形装置，电阻保温炉位于中频加热炉和冷却涨形装置之间，所述的电阻保温炉固定在移动装置上，电阻保温炉上还设置有可以装载冷却涨形装置的放置孔；

所述的冷却涨形装置包括循环水出口管线和循环水入口管线；

衬管固定穿套在支撑杆上，衬管的两端分别设有套设在支撑杆上的密封圈，支撑杆的外壁与衬管的内壁之间形成循环水通道，循环水出口管线和循环水入口管线沿轴向埋设在支撑杆内；

循环水出口管线的一端与循环水通道连通，另外一端延伸出支撑杆外，循环水入口管线的一端与循环水通道连通，另外一端延伸出支撑杆外；

冷却水出口阀门设在循环水出口管线伸出支撑杆的一端，冷却水入口阀门设在循环水入口管线伸出支撑杆的一端，增压水入口阀门设在与循环水入口管线连通的增压水输入管线上。

所述增压水输入管线上设有增压器。

所述密封圈是U 型密封圈。

所述移动装置由支撑板和安装在支撑板底面的滚轮组成。

本发明的有益效果：本发明提供的这种加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺及系统，一方面提高了双金属复合管的成形质量，另一方面解决了现有的机械成形法只能满足衬管材质较基管材质差的双金属管的复合成形，本发明提供的方法更适用衬管材质优于基管材质的双金属管的复合成形。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1 是加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺流程图。

图2 是基管准备就位，衬管固定在冷却涨形装置上的示意图。

图3 是基管在中频加热炉内，衬管进行水循环冷却的示意图。

图4 是基管在电阻保温炉内进行保温，衬管进行水循环冷却的示意图。

图5 是基管和衬管进行穿套工艺的示意图。

图6 是中频加热炉后退，水压涨形工艺结束的示意图。

图7 是冷却涨形装置的示意图。

附图标记说明：1、基管；2、中频加热炉；3、电阻保温炉；4、移动装置；401、支撑板；402、滚轮；5、衬管；6、支撑杆；7、冷却涨形装置；701、冷却水入口阀门；702、冷却水出口阀门；703、增压水入口阀门；704、循环水通道；705、循环水出口管线；706、循环水入口管线；707、增压器；708、增压水入口管线；8、密封圈。

具体实施方式

实施例1：

如图1 所示，本发明提供了一种加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺，包括如下步骤：

步骤一：将衬管5 套在与地面平行的支撑杆6 上，支撑杆6 上安装有冷却涨形装置7，打开冷却涨形装置7 的冷却水入口阀门701 和冷却水出口阀门702，对衬管5 进行循环冷却；

步骤二：将基管1 置入中频加热炉2 进行加热，加热3～10min 后，基管1 进入电阻保温炉3 保温2～5min；

步骤三：基管1 随电阻保温炉3 一起移动至支撑杆6 处，将位于电阻保温炉3 内的基管1 穿套在的衬管5 的外表面；

步骤四：关闭冷却涨形装置7 的冷却水入口阀门701 和冷却水出口阀门702，打开增压水入口阀门703，对穿套好的基管1 和衬管5 进行水压涨形，使压力升高到基管1 发生最大弹性变形的85%的水压压力，在水压涨形过程中，基管1 始终在电阻保温炉3 内进行保温；

步骤五：卸压，通过冷却涨形装置7 将水压压力降至0，电阻保温炉3后退；

步骤六：基管1 和衬管5 同时空冷至室温；

步骤七：完成加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺。

该加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺，一方面需要对基管1进行加热，利用基管1 加热产生热胀变形，当基管1 冷却后，这部分热胀变形冷缩后将使基管1 紧紧箍在衬管5 上，因此需要中频加热炉2 和电阻保温炉3；另外，为了避免基管1 与衬管5 穿套过程中使衬管5 温度升高，从而使衬管5 发生热胀变形，因此必须要冷却涨形装置7，从而确保衬管5不会随基管1 升温而升温；另一面，为了满足基管1 与衬管5 穿套过程顺利进行，虽然基管1 加热后内径增加，但是由于衬管5 椭圆度、基管1 壁厚不均匀度等的影响，要求衬管5 外径小于基管1 内径，一般情况下，衬管5 外径比基管1 内径小4~8mm，此间隙远大于基管1 热胀冷缩所产生的内径变化量，因此需要在基管1 热胀后，将衬管5 紧贴于基管1 内表面，这样基管1 冷却后才会紧箍在衬管5 上，产生一定接触压力，因此需要依靠水压涨形压力使衬管5 发生塑性变形，并使衬管5 外表面紧贴基管1 内表面，因此需要冷却涨形装置7 实现上述工艺。

本发明提供的加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺的工作原理是：

基管1 和衬管5 之间的接触压力主要由两部分组成：一部分是由基管1热胀冷缩产生的基管1 和衬管5 之间的接触压力；另一部分是由水压涨形作用所产生的基管1 和衬管5 之间的接触压力。由于水压涨形后基管1 的回弹量大于衬管5 的回弹量，因此在复合管的生产过程中，首先需要将基管1 加热，但为了确保基管1 冷却后的性能参数不受影响，需要严格控制基管1 的加热温度，一般情况下，基管1 加热温度小于400 摄氏度；当基管1加热完成后，将基管1 与衬管5 穿套在一起，在基管1 与衬管5 穿套过程中，一方面要求保证基管1 的温度不会降低，另一方面必须保证衬管5不会发生热胀变形，或者仅发生少量的热胀变形，否则由于衬管5 亦发生热胀变性，当基管1 和衬管5 冷却后，两者之间将无法形成过盈配合，也就无法形成复合管；当基管1 和衬管5 穿套完成后，对衬管5 进行水压涨形，衬管5 首先发生弹性变形，当水压压力继续加大后，衬管5 发生塑性变形，衬管5 外表面与基管1 内表面紧密贴合，之后继续增加水压压力，衬管5 与基管1 同时发生变形，此时基管1 仅仅发生弹性变形，水压涨形压力最大增加到基管1 发生最大弹性变形的85%的水压压力为止，需要说明的是，水压压力是按照钢管最小屈服强度计算所得，材质不同，压力不同；之后水压涨形压力降为0，冷却衬管5；之后将复合好的复合管自然冷却至室温，复合工艺完成。

本发明提供的加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺的工作过程是：

首先将需要复合的基管1 和衬管5 准备好，如图2 所示，之后将衬管5固定在冷却循环装置7 上，同时将基管1 进行加热和保温，如图3 和图4所示，使基管1 温度上升到设定温度；然后将加热后的基管1 与衬管5 穿套在一起，如图5 所示，在穿套过程中，基管1需要进行保温，防止基管1温度降低，同时衬管5 需要冷却，防止衬管5 温度升高；当基管1和衬管5穿套完成后，对衬管5 进行水压涨形；衬管5 首先发生弹性变形，当水压压力继续升高后，衬管5 发生塑性变形，之后压力继续升高，基管1 发生部分弹性变形；水压涨形工艺完成后，衬管5 水压压力降为0，然后将复合好的复合管进行冷却，如图6 所示。

需要说明的是，中频加热炉2、电阻保温炉3 均是现有的在市场上可以买到的产品。

本发明提供的这种加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺，一方面提高了双金属复合管的成形质量，另一方面解决了现有的机械成形法只能满足衬管材质较基管材质差的双金属管的复合成形，本发明提供的方法更适用衬管材质优于基管材质差的双金属管的复合成形。

实施例2：

在实施例1 的基础上，所述步骤二中基管1 在中频加热炉2 中加热的温度范围是250℃～400℃，加热的温度和钢管材质有关，同时和需要的复合力有关。为防止基管7 在加热后降温，基管7 在电阻保温炉3 进行保温的温度范围是250℃～400℃。所述步骤四中的基管1 发生最大弹性变形的85%的水压压力是30MPa～200MPa。

实施例3：

需要说明的是，如图7 所示，一种适用于加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺的系统，包括中频加热炉2、电阻保温炉3 和冷却涨形装置7，电阻保温炉3 位于中频加热炉2 和冷却涨形装置7 之间，

所述的电阻保温炉3 固定在移动装置4 上，电阻保温炉3 上还设置有可以装载冷却涨形装置7 的放置孔；所述的冷却涨形装置7 包括循环水出口管线705 和循环水入口管线706；衬管5 固定穿套在支撑杆6 上，衬管5 的两端分别设有套设在支撑杆6 上的密封圈8，支撑杆6 的外壁与衬管5 的内壁之间形成循环水通道704，循环水出口管线705 和循环水入口管线706 沿轴向埋设在支撑杆6 内；循环水出口管线705 的一端与循环水通道704连通，另外一端延伸出支撑杆6 外，循环水入口管线706 的一端与循环水通道704连通，另外一端延伸出支撑杆6 外；冷却水出口阀门702 设在循环水出口管线705 伸出支撑杆6 的一端，冷却水入口阀门701 设在循环水入口管线706 伸出支撑杆6 的一端，增压水入口阀门703 设在与循环水入口管线706连通的增压水输入管线708 上。

冷却涨形装置7 的工作过程是：步骤一中衬管5 需要冷却循环时，同时打开冷却水入口阀门701 和冷却水出口阀门702，冷却水由循环水入口管线706 进入循环水通道704，冷却水在循环水通道704 内循环流动，对衬管5进行冷却，最终由循环水出口管线705流出；

步骤四中穿套好后的衬管5 和基管1 需要进行水压涨形时，关闭冷却水入口阀门701 和冷却水出口阀门702，同时打开增压水入口阀门703，使增压水通过增压水输入管线708 进入循环水入口管线706，增压水在循环水通道704 内流动，对衬管5 和基管1 进行加压，衬管5 首先发生弹性变形，之后发生塑性变形，衬管5 外表面紧贴在基管1 内表面上，之后基管1 发生弹性变形，实现水压涨形。

实施例4：

在实施例3 的基础上，为了方便进行水压涨形，迅速升高水压涨形所需的加压水，所述增压水输入管线708 上设有增压器707，所述密封圈8 是U型密封圈，进一步的，本实施例中的密封圈8 采用耐高温的U 型密封圈。

实施例5：

在实施例1 的基础上，所述电阻保温炉3 固定在移动装置4 上，该移动装置4 由支撑板401 和安装在支撑板401 底面的滚轮402 组成。由于基管1和电阻保温炉3 需一起移动，使用该移动装置4 可以更加省力并准确的移动，提高作业效率。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (7)

1.一种加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将衬管（5）套在与地面平行的支撑杆（6）上，支撑杆（6）上安装有冷却涨形装置（7），打开冷却涨形装置（7）的冷却水入口阀门（701）和冷却水出口阀门（702），对衬管（5）进行循环冷却；

步骤二：将基管（1）置入中频加热炉（2）进行加热，加热3～10min后，基管（1）进入电阻保温炉（3）保温2～5min；

步骤三：基管（1）随电阻保温炉（3）一起移动至支撑杆（6）处，将位于电阻保温炉（3）内的基管（1）穿套在的衬管（5）的外表面；

步骤四：关闭冷却涨形装置（7）的冷却水入口阀门（701）和冷却水出口阀门（702），打开增压水入口阀门（703），对穿套好的基管（1）和衬管（5）进行水压涨形，使压力升高到基管（1）发生最大弹性变形的85%的水压压力，在水压涨形过程中，基管（1）始终在电阻保温炉（3）内进行保温；

步骤五：卸压，通过冷却涨形装置（7）将水压压力降至0，电阻保温炉（3）后退；

步骤六：基管（1）和衬管（5）同时空冷至室温；

步骤七：完成加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺。

2.如权利要求1 所述的一种加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺，其特征在于，所述步骤二中基管（1）在中频加热炉（2）中加热的温度范围是250℃～400℃，在电阻保温炉（3）进行保温的温度范围是250℃～400℃。

3.如权利要求1 所述的一种加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺，其特征在于，所述步骤四中的基管（1）发生最大弹性变形的85%的水压压力是30MPa～200MPa。

4.一种适用于如权利要求1～3 中任意一项所述加热与水压耦合作用的双金属复合管成形工艺的系统，包括中频加热炉（2）、电阻保温炉（3）和冷却涨形装置（7），电阻保温炉（3）位于中频加热炉（2）和冷却涨形装置（7）之间，其特征在于，所述的电阻保温炉（3）固定在移动装置（4）上，电阻保温炉（3）上还设置有可以装载冷却涨形装置（7）的放置孔；

所述的冷却涨形装置（7）包括循环水出口管线（705）和循环水入口管线（706）；

衬管（5）固定穿套在支撑杆（6）上，衬管（5）的两端分别设有套设在支撑杆（6）上的密封圈（8），支撑杆（6）的外壁与衬管（5）的内壁之间形成循环水通道（704），循环水出口管线（705）和循环水入口管线（706）沿轴向埋设在支撑杆（6）内；

循环水出口管线（705）的一端与循环水通道（704）连通，另外一端延伸出支撑杆（6）外，循环水入口管线（706）的一端与循环水通道（704）连通，另外一端延伸出支撑杆（6）外；

冷却水出口阀门（702）设在循环水出口管线（705）伸出支撑杆（6）的一端，冷却水入口阀门（701）设在循环水入口管线（706）伸出支撑杆（6）的一端，增压水入口阀门（703）设在与循环水入口管线（706）连通的增压水输入管线（708）上。

5.如权利要求4 所述的系统，其特征在于，所述增压水输入管线（708）上设有增压器（707）。

6.如权利要求4 所述的系统，其特征在于，所述密封圈（8）是U 型密封圈。

7.如权利要求4 所述的系统，其特征在于，所述移动装置（4）由支撑板（401）和安装在支撑板（401）底面的滚轮（402）组成。