CN105705261A - 用于通过扩张制造多层管的方法及通过所述方法制造的多层管 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种通过扩张制造多层管的加热或非加热方法，其中，多层管(1)包括金属材料的至少一个外管(10)和金属材料的内管(20)，金属材料的内管(20)具有比外管(23)的屈服强度更低的屈服强度并且具有比外管的内径更小的外径。用于制造多层管的方法包括：管(10,20)之间的安装步骤(34)，其中，内管插入到外管内；和至少一个机械扩张步骤(36)，包括心轴(2)在内管(20)的内部纵向地移动，而外管和内管保持在固定位置，其中，心轴(2)的至少一部分具有比内管的内径更大的外径。当管经过冷扩张的方法时，获得“衬套管”，衬套管的特征在于管之间的机械接合。当管经过热扩张的方法时，获得“包覆管”，包覆管的特征在于管之间的冶金接合。

Description

用于通过扩张制造多层管的方法及通过所述方法制造的多层管

本发明涉及一种通过至少一个机械成形步骤由至少一个内管和一个外管制造多层管的方法。通过此方法制造的管通常具有耐腐蚀层，从而能够使得管应用于高度腐蚀性的环境中。

背景技术

多层管，诸如具有冶金接合的管(也被称之为“包覆管”)和具有机械接合的管(也被称之为“衬套管”)，以及其制造方法是当前工业发展的目标，所述多层管主要用于具有很强机械应力和高度腐蚀性环境的石油工业中。有时，内部流通的流体还可加速对管的化学侵蚀，从而要求使用耐腐蚀的合金(CRA)。

根据标准DNV-OS-F101和API5LD提供的定义，包覆管由具有耐腐蚀的内层的外管构成，其中，这些材料之间通过冶金术接合。根据标准DNV-OS-F101和API5LD提供的定义，衬套管由具有耐腐蚀的内层的外管构成，其中，这些材料之间通过机械作用接合。可选地，包覆管可由衬套管制造。

现有技术包含用于制造包覆管(cladpipe)的若干种方法，通常包括材料预处理步骤、可选层步骤、以及包覆(cladding)步骤。工业规模中使用的用于大批量生产的两种熟知方法是滚压包覆和堆焊包覆。在薄板滚压(sheetrolling)包覆法中，两种不同材料的薄板滚压同时进行，所述方法产生一个单一的复合板。然后，纵向地处理、成形并焊接该板，从而得到接缝包覆管。

在堆焊包覆法中，材料通过遍及内管表面的角焊沉积而结合。角焊中使用的材料通常是耐腐蚀合金。角焊沉积法能够使无缝包覆管的内部材料与外部材料之间冶金接合。

文献GB2085330中描述了用于制造无缝包覆管的另一方法。包覆管由至少两个金属层构成，该金属层经过冷拔步骤以获得各层的良好机械接合，从而产生衬套管，该衬套管的末端优选地被焊接以防止管之间侵入空气。进行冷拔不足以确保产品的质量。还要执行对衬套管进行加热的热成形步骤，优选地在熔炉中进行，并且优选地，设置了镍中间层，以防止碳的扩散。然而，附加层增加了产品的成本。

现有技术文献GB2085330中公开的热成形步骤包括外管的热压或热滚，但是，该文献并未描述如何执行热成形步骤。通常，热压需要制造具有固定尺寸的管的专用模具。由于成本和不能生产具有不同尺寸的管，这种模具的制造和热压操作仅在特定的应用中是切实可行的替代方法。

文献US3598156公开了包括中间铁层或钢层以及位于管的内表面和外表面上的两个铜层的双金属管材。双金属管的实施方式包含用高频感应器在950℃与1050℃之间加热之后的冷机械扩张步骤，以获得中间层与外管和内管之间的冶金接合。由于中间层的熔化，才发生了冶金接合；然而，不执行任何附加的管成形步骤。为了执行扩张，使用了固定至连杆(rod)的锥形心轴，并且当通过牵引滑架拉动时，管沿着心轴纵向地移动。第二双金属管材实施方式在其制造工艺方面展示了通过电磁感应进行加热之后的冷拔步骤。

对于文献US3598156中的在单一冷成形步骤中制造的双金属管材，需要初始步骤以预处理构成中间层的镀锌材料，即，需要沉积低熔点的Zn、Pb、Ag、Al层，当被加热时，低熔点的Zn、Pb、Ag、Al层与铁管或钢管冶金接合，而不与外层和内层结合。

现有技术方法都没有公开使用一个成形步骤生产由至少两个金属管制造的衬套管或包覆管，而不需要额外的热处理或成形步骤，以获得具有希望质量的多层管。同样，现有技术参考文献并未公开由无缝管制造所述多层管，并且现有技术文献并未公开无缝包覆管。

因此，本发明的目的是提供一种用于按照更为经济的方式由无缝管制造多层管的方法，从而极大地减少了扩张方法中的作用力，同时确保了多层管的最终质量。

发明内容

本发明的目的在于通过扩张制造多层管的方法，其中，多层管包括由金属材料的外管制成的至少一个外层和由金属材料的内管制成的内层，当内管和外管发生变形时，内管具有比外管的弹性恢复更小的弹性恢复，并且具有比外管的内径更小的外径；所述方法包括：

管的安装步骤，其中，内管插入到外管内部；

至少一个机械扩张步骤，包括在心轴与安装的所述管之间提供在纵向方向上的相对移动，且心轴定位在内管的内部，其中，心轴的至少一部分具有比内管的内径更大的外径。

在管之间的安装步骤之前，优选地，按照下列顺序执行化学预处理步骤：

酸浸至少内管的内表面；

中和并且洗涤至少内管的内表面；

将润滑剂施加在内管的内表面上。

施加润滑剂的步骤可包括：施加活性油类润滑剂或草酸和活性肥皂的组合物。

优选地，在管之间的安装步骤之前，对外管的内表面和内管的外表面执行喷丸处理步骤。

可替代地，在外管和内管的安装步骤之后，执行定位步骤，其中，安装在一起的外管和内管布置成使得一端支撑在扩张模具上并且相对于扩张台被固定。

可替代地，在管之间的安装步骤之后，与机械扩张步骤同步，通过外管和内管的感应执行加热步骤。在这种情况下，在安装管的步骤之前，优选地，执行利用基于水和石墨的混合物的润滑剂对至少内管的内表面进行润滑的步骤。该方法可包括：在至少一个机械扩张步骤之后，与至少一个附加的热机械扩张步骤同步进行的内管和外管的感应步骤。可替代地，在加热步骤中，电磁感应线圈设置在外管和内管的外部并且相对于外管和内管与心轴的位移同步地纵向移动。可替代地，在至少一个机械扩张步骤中，心轴在内管的内部纵向地移动，而外管和内管保持在固定位置。

在加热步骤中，可替代地，加热设备设置在外管和内管的内部并且相对于外管和内管与心轴的连杆一起纵向地移动。

该方法可进一步包括扩张步骤之后的多层管弯曲的步骤。

优选地，心轴具有截椎体的形状，心轴的最小直径小于内管的内径并且最大直径大于内管的内径，从而使得外管在扩张方法过程中发生适当的弹性变形。

在安装步骤之后，可以执行将两个管的端部焊接在一起并且在内管与外管之间产生真空的步骤。

在机械扩张步骤过程中，可以执行在内管与外管之间施加惰性气体的焊剂的步骤。

通过多层管也实现了本发明的目的，多层管包括由金属材料的外管制成的至少一个外层和由金属材料的内管制成的内层，当两者发生变形时，内管具有比外管展示的弹性恢复更小的弹性恢复，并且具有比外管的内径更小的外径，多层管由之前描述的方法制造。

外管可由碳锰钢合金构成并且内管可由耐腐蚀的合金构成。

内管可由碳钢、低合金钢、高合金钢、不锈钢、镍基合金、钛基合金、钴基合金、铜基合金、锡基合金、以及锆基合金中的至少一种材料制成。优选地，外管和内管是无缝管。

多层管可包括设置在外管与内管之间的金属材料的至少一个中间层。金属材料的中间层可具有比外管和内管的熔点更低的熔点。中间层可包括镍(Ni)或锆(Zn)。可替代地，多层管可包括设置在外管的外部的、由具有比外管的外径更大的内径的第二外管构成的耐腐蚀合金层。优选地，第二外管具有比外管的屈服强度更大的屈服强度。

附图说明

将基于附图中展示的一种实行的实例进一步更为详细地描述本发明。附图示出了：

图1-本发明中用于通过扩张制造多层管的方法的扩张步骤的实施方式的示意图；

图2-本发明的方法中的扩张步骤之前、过程中、以及之后的应力-应变工程图；

图3-示出了本发明的方法的第一实施方式的框图；

图4-本发明的方法中的冷成形多层管的实施方式中的管之间的界面图以及外管与内管之间的界面中的铁和镍元素的浓度的图表；

图5-本发明的方法中的热成形多层管的实施方式中的管之间的界面图以及管之间的界面中的铁和镍元素的浓度的图表；以及

图6-示出了本发明的方法的一种实施方式的框图。

具体实施方式

如图1中示出的，根据本发明的用于制造多层管的方法基于一个插入到另一个内部的两个或多个金属管的机械扩张，因此，由该方法制造的管包括由外管制成的至少一个外层和由内管制成的一个内层。

当仅执行冷扩张时，通过该方法制造的多层管是衬套管，因此，该至少两个金属管仅通过机械接合附接在一起。当执行热扩张时，在该至少两个管之间的界面的至少一部分中形成冶金接合。

当构成多层管的各层之间的接合满足标准ASTMA578和API5LD的最低要求时，即，管的表面上的在以非连续性指征为中心的225mm×225mm的正方形的扫描区域内的任何非包覆区域不可超过25mm的直径。而且，管在距离管端在100mm的距离内不得具有任何非包覆区域。根据本发明，通过根据本发明的方法可以制造包覆管，且外管10与内管20之间具有高达100％的包覆层。

就图1至图6中所示的本发明的方面而言，多层管1仅由金属材料的外管10和金属材料的内管20制造，其中，当两者发生变形时，内管20具有比外管10展示的弹性恢复更小的弹性恢复。此外，优选地，内管20具有比外管10的屈服强度更低的屈服强度(YS)。

如从图2中的示图的底部可以看出，内管20具有比外管10的内径更小的外径。优选地，外管与内管之间存在间隙，以便于两者接合。

优选地，内管20和外管10是无缝的，以防止所制造的多层管的表面上具有缝隙(seam)。因此，至少具有包覆部分的多层管和/或由根据本发明的方法制造的衬套管也是无缝的。在本发明的可替代实施方式中，外管10可以是无缝管，并且内管20可以是焊缝管。然而，在可以使用本发明的范围内的其他类型的带缝管。多层管还可由一个设置在另一个内部并且通过本文描述的机械扩张成形的三个或多个管制造。

图3示出了根据本发明的方法的优选实施方式的细节流程图。最初，必须在扩张之前执行用于预处理外管和内管的步骤。例如，这些初始预处理步骤包括管的矫直和管表面的整平，以使得管和管表面是直的，而非卵形，因此，因为外管和内管的壁平行，所以便于将一个管插入到另一个的内部的后续步骤。

然后，如果需要，测量并且根据长度切割外管10和内管20，根据可用的资源和工具，诸如，连杆的长度和扩张台的能力，该长度可变化。

因此，根据本发明的方法优选包括管的化学预处理32的步骤，因为该步骤减少了管与扩张心轴之间的摩擦，所以该步骤使得表面更洁净并且便于扩张步骤，从而产生更佳的性能。化学预处理具体应用于内管20的内表面，在扩张过程中，内管20的内表面将与心轴2接触。该完整的化学预处理还可应用于内管的内表面和外管的外表面，因为在该步骤之后，管表面不需要任何保护，并且还改善了管的最终质量。

最初，至少对内管20的内表面的执行酸浸，以除去氧化物和杂质。优选地，还使管道(tube)接触面的表面(内管道的外表面和外管道的内表面)也经过酸浸，以获得更佳的表面质量和表面之间的更佳连接。然而，出于实用原因，当通过将管道浸没在酸溶液中而执行酸浸步骤时，则两个管道的两个表面可经历该步骤。

然后，至少中和并且洗涤内管20的内表面，以接收润滑剂的沉积物。此外，出于实用原因，可对两个管道的两个表面执行管道中和和洗涤的步骤。

润滑剂通常施加于内管的内表面。通常，润滑剂可以是肥皂、矿物油、以及其他能够获得低摩擦的润滑剂，这取决于其他方法因素，诸如，扩张滑动部分的力6、所施加的变形、工具的几何结构等。

根据本发明的一种实施方式，可以在润滑剂沉积之前施加草酸层。草酸层与内管的金属内表面反应，从而创造用于将活性润滑剂施加在内管的内表面上的条件，活性润滑剂负责在其穿过管的过程中减少扩张工具与管之间的摩擦。因此，在该步骤，只要也能提供管与润滑剂之间的良好连接，则可将其他材料施加于管。当施加草酸层时，优选使用的沉积润滑剂是活性肥皂。可替代地，活性油可用作润滑剂。在这种情况下，通常，不需要在施加润滑剂之前施加草酸。此外，根据本发明的有利实施方式，对通过扩张方法而机械地连接在一起的外管10的内表面33和内管20的外表面执行喷丸处理33的步骤。这些表面优选地被喷丸清理，以增强其粗糙度并且优化材料之间的接触力，由此改善管之间的机械接合。优选地，由于与被清理的材料的相似性和较低成本的考虑，使用钢丸执行喷丸处理，但是，也可以使用其他类型的喷丸。

化学处理和喷丸处理的步骤分别有助于促进用于制造管的方法并且提高最终产品的质量，但是，在本发明的方法中，并不是必要的。

然后，在管10、20之间的初始安装34阶段，将内管20插入到外管10的内部，以使得管10、20能够一起扩张。安装步骤可以自动或手动执行，在这种情况下，管之间的配合件必须提供足够的间隙。

根据本发明的可替代实施方式，在将管安装在一起之后，方法可包括旨在消除或最小化内管与外管之间存在的氧气的额外步骤，以避免在该界面中形成氧化物，并且由此提供管之间的更佳连接。

一种可能性是将两个管的端部焊接在一起并且在内管与外管之间产生真空。例如，通过孔和真空泵可以产生真空。因此，消除管之间的氧气。

另一种可能性是在冷扩张步骤或热扩张步骤过程中在内管与外管之间施加惰性气体的焊剂，但是，不需要焊接管的端部，以确保管之间残留的气体不是氧气。因此，安装在一起的外管10和内管20经过至少一个机械扩张步骤36。在该步骤中(在下面说明的热扩张和冷扩张两种情况下)，心轴2与安装管之间在纵向方向上相对移动，且心轴定位在内管20的内部。

在该步骤中，根据本发明的一种实施方式，心轴2在内管20内纵向地移动，而内管20和外管10保持在固定位置。如图1中示出的，对于这些管的扩张，必须使心轴2的外径大于内管10的内径。根据本发明的实施方式，可以在扩张台上执行扩张的步骤，其中，从图1中可以看出，安装在一起的外管10和内管20定位成使得其端部中的一个支撑在扩张模具4上。根据本发明的另一实施方式，例如，心轴保持在扩张台中的固定位置处，并且管相对于心轴纵向地移位。

扩张模具开口4的最大直径小于内管20的标称直径。因此，安装在一起的外管10和内管20的轴向移动受限制，从而在机械扩张步骤中保持固定。扩张模具支撑件5将扩张模具4固定至扩张台。

心轴2具有截椎体的形状，并且其小端具有比内管的内径更小的直径。因此，心轴2的小端能够插入到内管20与外管10的组件的一端中，使得心轴在管内纵向地移动。心轴2的较大部分具有比内管10的内径更大的直径，以实现管的扩张，从而使得外管在挤压方法过程中发生充分的弹性变形。机械扩张步骤发生在心轴2沿着安装在一起的内管20和外管10的长度通道界面中，从而使得相对于扩张模具支撑件5纵向地移动。将扩张滑动部分的力6施加到固定至负责该移动的心轴2的连杆3上。在机械扩张之后，获得多层管1。因此，心轴将使得内管壁的厚度发生变形，并且内管的扩张将使得外管的壁厚度发生变形。

优选地，在0.2m/min至20.0m/min之间变化的速度以及室温下，执行冷扩张步骤1至10次，对内管施加0.1％至20.0％之间变化的变形并且对外管施加在0.1％至20.0％之间变化的变形。

因为安装在一起的外管10和内管20在该方法中保持固定并且仅连杆3移动，并且连杆3和心轴2的惯量比外管10和内管20的组件或最终多层管1的惯量低许多，所以本发明的方法中所示的机械扩张步骤具有减少扩张滑动部分所需的作用力的优点。作用力的减少使得扩张台和整个方法的能耗的减少。

在图2中所示的应力-应变工程图中，示出了通过改变管的截面，在管的扩张阶段之前、过程中、以及之后的外管和内管的特性。从该图中可以看出，在成形步骤200之前的早期阶段，内管20设置在外管10内，示出了具有其初始直径的两个管并且这些直径之间存在间隙。从点200向前，心轴2开始在内管20的内部移位，从而使得内管20扩张并且与位于该图表中的位置210处的外管10的内表面邻接，然后，外管扩张，还在图表中的位置220示出。在该位置，外管10和内管20在该过程中具有最大的直径。

通常，在扩张过程中，内管20经历塑料变形，而外管10仅经历弹性变形。

在心轴2通过执行之后，图表中的位置230所示的管存在弹性恢复，其中，管略微压缩。弹性恢复是每种材料并且更具体地其屈服强度(YS)的特性，从而导致外管10和内管20的直径减小。当两者发生变形时，外管10的金属材料具有比内管20展示的弹性恢复更大的弹性恢复，并且优选地，还具有比构成内管20的材料更大的屈服强度(YS)，外管10的恢复往往大于内管20的恢复。然而，在本发明中，外管10的恢复受内置其中的内管20的恢复的限制。因此，内管27的残余应力是压缩力并且外管28的残余应力是拉伸力。因此，内管20向外径向地按压外管，反之亦然，从而提供管之间的接触力及最终管之间的机械接合，从而形成多层管。在本发明的实施方式中，采用冷扩张，最终管是衬套管。

从图4中可以看出，外管10与内管20之间的机械接合构成根据本发明的产品的实施例的衬套管1。该图包含了管之间的连接处的界面的微观截面图片，其中，外管10被示出为位于暗灰色阴影的左侧，并且内管20被示出为位于浅灰色阴影的右侧。以下图表中两个管的材料的浓度表示与上方小框对应的部分中的管之间的界面。该图是所述界面部分的放大形式，其中，纵坐标轴表示每种元素的浓度的质量百分比，并且横坐标表示衬套管在与界面垂直的方向上的位置。该图表示出了衬套管中的管之间的界面区域中的元素铁(Fe)和镍(Ni)在X方向上的浓度。实线表示根据本发明的一种实施方式的铁的浓度，铁是外管10的主要成分之一。虚线表示该界面区域中的镍的浓度，其中，镍是根据本发明的实施方式的内管20的主要元素。在表示管之间的界面区域的图表的同一位置，铁和镍的浓度发生陡峭的变化。这意味着两个管的材料之间不存在明显的扩散，因此，这两个管之间仅存在机械接合，且无冶金接合，即，无包覆。

应注意，根据本发明的方法能够仅通过冷扩张利用外管与内管之间的机械接合制造衬套管，而不需要对管进行加热。

本发明的方法可包括一个以上的机械扩张步骤，视需要的终端产品而定。可以执行冷扩张的若干步骤，或在热扩张之后执行冷扩张的组合，或仅执行热扩张。

图6中示出了本发明中的方法的执行管的热扩张的实施方式。在这种情况下，执行对安装在一起的内管20和外管10进行加热的附加步骤。可以通过在管的生产线中运行的各个加热设备执行加热，例如，沿着具有扩张心轴的管同步设置。

在热机械扩张的情况下，上述化学预处理中涉及的步骤被施加润滑剂的步骤取代，以减少因管状元件与扩张模具和心轴的接触而产生的摩擦。优选地，所使用的润滑剂基于水和石墨的混合物、或用于高温方法的任何润滑剂，如hex-α-BN。该润滑剂具有不使管的表面化学组合物变性的优点。通过将管道浸没其中、喷射、涂抹、或任何其他方法可以施加润滑剂，从而确保在内管的内表面上形成润滑剂层。

在本发明的一种实施方式中，通过电磁感应线圈执行加热。电磁感应线圈设置在安装在一起的外管10和内管20的外部并且相对于外管和内管与心轴2的位移同步地纵向移动，而管保持在固定位置。如果将管固定在扩张台上，线圈则也相对于扩张模具纵向地移动。安装管在环境温度下进入线圈，并且在经过磁场之后，通过焦耳效应被加热(电流在构成管的钢管中循环)，从而在退出线圈时最低达到900℃的温度。

可替代地，在附图中未示出的实施方式中，通过与管内的心轴的连杆3一起移动的内部加热设备对管进行加热，内部加热设备从内管的内表面促进加热。内部加热设备还可以是线圈或另一加热设备。内部加热取决于扩张步骤过程中的材料的动态加热条件。

根据本发明的另一可替代实施方式，心轴和加热设备，诸如加热线圈，连续保持在固定位置，并且管通过心轴和加热设备移位，首先通过加热设备，然后，通过心轴。

在热扩张步骤结束时，获得包覆管，从图5中可以看出，包覆管在外管10与内管20之间具有冶金接合。可以单独执行热扩张步骤，或在冷扩张的至少一个步骤之后执行热扩张步骤。

优选地，在0.1m/min至5.0m/min之间变化的速度和800℃至1300℃的变化温度下，执行热扩张步骤1至5次。

图5包含了根据本发明的示例性产品的包覆之后的内管与外管之间的连接处的界面的微观截面图片，其中，外管10被示出为位于暗灰色阴影的左侧，并且内管20被示出为位于浅灰色阴影的右侧。在具有冶金接合1的至少一部分的最终管中，包覆区域中的内管与外管之间的界面消失，表征为冶金接合。下图表中的两个管的材料的浓度表示与上方小框对应的部分中的管之间的界面。该图表是所述界面部分的放大形式，其中，纵坐标轴表示每种元素的浓度的质量百分比，并且横坐标表示复合软管内部的位置。如图4，该图表示出了包覆管中的管之间的界面区域中的元素铁(Fe)和镍(Ni)沿着X方向的浓度。实线表示铁的浓度，代表外管10，并且虚线与根据本发明的一种实施方式的代表内管20的镍的浓度对应。应注意，铁和镍的浓度的变化比较平顺，由此提供了两个提及元素的扩散区并且由此内管和外管的材料混合。这意味着存在冶金接合，即，管之间的包覆。更厚和更为均匀的扩散区域通常产生更好的包覆。

使用用于对管进行加热的电磁感应线圈是有利的，因为它允许通过对线圈功率参数、牵引力以及心轴的速度的动态控制快速并且均匀地对管进行加热。进一步地，与扩张步骤同步地对线圈进行加热提供了比通过其他加热装置获得的加热速率更快的加热速率。这些更快的加热速率防止了可能的晶粒生长，在常规加热过程中，如果将材料在高温下长时间地暴露，则可能发生晶粒生长。

本发明中感应加热得到的另一优点是电磁感应线圈易于安装在线路上，并且可移动的线圈不需要处理热管和移动设备，这对安全性具有直接影响。而且，感应加热不需要在熔炉中燃烧用于加热管的燃料气体，并且由此不需要处理潜在的污染排放。

在本发明的可替代实施方式中，当执行热扩张时，该方法包括将金属材料的至少一个中间层施加于外管10与内管20之间的界面的步骤。金属材料的中间层可具有比构成外管10和内管20的金属材料的熔点更低的熔点，但是，该中间层不是确保管之间的冶金接合所必需的成分。必须在外管10与内管20之间的安装步骤之前，执行材料的中间层的施加。

金属材料的中间层还可由与外管10和内管20的金属材料具有亲和性的材料构成，以避免形成最终使材料之间的界面弱化的有害相。中间层可由镍(Ni)、锆(Zn)或其他金属或金属合金构成。可以通过涂抹、镀锌、电镀施加该材料的中间层，并不局限于这些施加形式。

在热扩张之后，还可以执行附图中未示出的使多层管弯曲的步骤。可以执行冷、热弯曲或通过折叠执行弯曲，并不局限于这些方法。

在制造方法的一种实施方式中，包括热成形步骤之后的冷成形步骤，称为衬套管的冷成形管用作制造热成形管的原材料，热成形管是具有至少包覆部分的多层管。在冷成形阶段中获得的良好的机械接合有助于确保热成形步骤过程中的良好包覆。

在本发明的可替代实施方式中，当执行热扩张时，初始可以使用通过制造衬套管的其他已知方法获得的多层衬套管。可替代地，人们可仅执行热扩张步骤，而不需要在此之前的冷成形步骤。

在本发明的实施方式中，在热成形步骤之后执行冷成形步骤，优选地，该方法包括在冷扩张步骤之后并且在热扩张步骤之前执行预处理多层管的步骤。

在预处理多层管的阶段，可以检验衬套管材料之间的接合并且可以矫直通过冷扩张制造的多层管并且可以校准管的尺寸。优选地，通过冷拔可以执行管的矫直和管尺度的校准，从而提供更佳的尺度并且改善管的表面质量。

如果需要，则将润滑剂施加于多层管的内表面，从而在附加机械扩张步骤中再次与心轴接触。

当使用无缝管作为本发明的方法的多层管的原材料时，不需要焊接方法来获得管，当由其他形式的金属板制造管时，通常采用焊接方法。因此，本发明的多层管优选为任意径向截面是无缝、特性均匀的材料。然而，原则上，该方法也适用于纵向焊接的管。

出于调节材料性质的目的，根据本发明的方法可进一步包括热扩张步骤之后的热处理步骤。这些热处理步骤取决于需要调节的包覆管1的机械、冶金以及耐腐蚀性质。一些材料可能在制造步骤过程中丧失其机械、冶金以及耐腐蚀性质中的一些。因此，例如，当管10和20由X65钢和制成时，可以执行这些附加的热处理，以恢复管的机械和冶金形式。在本发明的优选实施方式中，在热处理步骤中，具有至少部分冶金接合的多层管经过冷却或淬火、以及回火步骤，从而有助于调节管的机械、冶金以及耐腐蚀性质。

本发明的方法还可包括检验管之间的冶金接合的步骤，以确认产生了包覆。切割管的截面可能会破坏检验，例如，在全部这些管段中，以90°的间隔来检验外管与内管是否保持附接。检验还可以是非破坏性的，通过超声测试、微观结构的分析、界面的截面分析、SEM/EDX或GDOES测试等进行检查，以检查根据本发明的方法制造的管的至少一部分中是否得到了冶金薄层。

当与现有技术的方法相比较时，根据本发明的方法具有更好的性能，因为除扩张设备自身外，本发明的方法并不需要管的任何移位或内管和外管在制造装置内的任何移位。并且就方法的简化性和步骤数目的减少而言，可以在短时间段内制造大量的衬套管和/或包覆管，且预计生产率高于100m/h。

本发明还涉及根据本发明的方法获得的多层管。多层管1由金属材料的至少一个外管10和金属材料的一个内管20制成，其中，当两者发生变形时，内管20具有比外管10展示的弹性恢复更小的弹性恢复。因为通常在与石油工业有关的环境中使用这些管，这些管具有高度耐腐蚀性并且承受强大的机械应力，所以外管10优选由碳锰钢合金组成的金属材料制成，以提供多层管所需的机械强度。内管20优选由耐腐蚀的金属材料制成。

根据本发明的一种实施方式，外管10可具有下列化学组分：

C≤0.30

Mn≤1.40

P≤0.030

S≤0.030

Cu≤0.5

Cr≤0.5

Ni≤0.5

Mo≤0.15

Nb+V+Ti≤0.15

以及根据本发明的方法之前和之后的下列机械性质(YS＝屈服强度并且UTS＝拉伸强度)：

360MPa<YS<830MPa

455MPa<UTS<935MPa

最小拉伸εmin＝15％.

内管的耐腐蚀合金包括碳钢、低合金钢、高合金钢、不锈钢、镍基合金、钛基合金、钴基合金、铜基合金、锡基合金、以及锆基合金中的至少一种材料，并不局限于上述材料。在国际标准NACEMR0175的环境等级I–VII中测试根据本发明的耐腐蚀合金的耐腐蚀等级，其中，每种情况下的精确耐腐蚀等级将取决于其内部材料。

优选地，内管20和外管10的材料选择应该优选地遵守这样的标准，即，外管的屈服强度高于内管，所述标准对确保良好的机械接合很重要。

在本发明的可替代实施方式中，多层管包括设置在外管10与内管20之间的金属材料的至少一个中间层，中间层具有比构成外管10和内管20的金属材料的熔点更低的熔点并且具有避免使外管10和内管20的金属材料形成有害相的亲和性。通过涂抹、镀锌、电镀可以施加中间层，施加方式并不局限于这些施加形式。

在本发明的可替代实施方式中，多层管进一步包括设置在外管的外部的耐腐蚀合金层。耐外部腐蚀的材料层由具有比底层管10的外径更大的内径的第二外管构成。优选地，耐外部腐蚀的材料层具有比外管10的屈服强度更大的屈服强度。因此，在本发明的管制造方法中，耐腐蚀材料的外管还经历了冷扩张或热扩张并且通过机械接合或冶金接合附接，视扩张的执行情况而定。

根据本发明生产的包覆管满足上述所述标准ASTMA578和API5LD的最低要求，并且可实现外管10与内管20之间高达100％的包覆。

通过本发明的方法生产的多层衬套管和包覆管的尺寸取决于其应用。根据本发明的一种实施方式，管可具有从50.80mm<dext<355.6mm变化的外径dext和从5.0mm<WT<30.0mm变化的壁宽度WT，其中，应用于衬套管的耐腐蚀合金的管的最小壁厚度为WTminCRA＝2.50mm。

与根据本发明的制造方法之前的初始组装管相比较，的最终管的总变形值如下：

外径变形：0.1％至20％

壁厚度变形：0.1％至40％。用于制造本发明的目的的多层管的方法不同于现有技术，因为该方法通过机械冷成形以经济的方式制造衬套管，从而大大减少了扩张方法中的作用力。

通过本发明获得的多层管还具有成为优选地无缝管的优点，从而使产品具有更高程度的各向同性并且在焊接部分具有更低的失败风险。

在使用热扩张制造包覆管时，本方法不同于现有技术在于免除了下列步骤：焊接、后加热、并且通过压制、滚压、或其他机械成形方法抛光，旨在改善最终产品的尺度质量和机械强度。

通过根据本发明的方法获得的衬套管或包覆管满足了衬套管和包覆管的国际标准。然而，与现有技术的其他方法相比较，该方法提供了更简单的实现方式并降低了成本。

上述所述实施例代表了优选实施方式；然而，应当理解的是，本发明的范围涵盖了其他可能的变形，并且仅受所附权利要求的内容(包括所有可能的等同物)的限制。

Claims (27)

1.一种通过扩张制造多层管的方法，其中，所述多层管(1)包括由金属材料的外管(10)制成的至少一个外层和由金属材料的内管(20)制成的内层，当所述内管和所述外管发生变形时，所述内管具有比所述外管(10)的弹性恢复更小的弹性恢复，并且具有比所述外管的内径更小的外径；

其特征在于，所述方法包括：

所述管(10,20)的安装步骤(34)，其中，所述内管插入在所述外管内部；

至少一个机械扩张步骤(36)，包括在纵向方向上提供心轴(2)相对于安装的所述内管和所述外管的移动，且所述心轴定位在所述内管(20)内部，其中，所述心轴(2)的至少一部分具有比所述内管的所述内径更大的外径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在安装所述管(10,20)的步骤之前的化学预处理步骤(32)，其中，按照下列顺序执行：

酸浸至少所述内管(20)的所述内表面；

中和并且洗涤至少所述内管(20)的所述内表面并且将润滑剂施加在所述内管(20)的所述内表面上。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，施加润滑剂的步骤包括施加草酸层和活性肥皂、或施加活性油。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在所述管(10,20)的所述安装步骤之前，在所述外管(10)的内表面上和在所述内管(20)的外表面上的喷丸处理步骤(33)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在所述管(10,20)的所述安装步骤之后的定位步骤(35)，其中，安装在一起的所述外管(10)和所述内管(20)设置成一端支撑在扩张模具(4)上并且设置成相对于扩张台固定。

6.根据权利要求1、4、或5中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在管(10,20)之间的所述安装步骤之后，与所述机械扩张步骤(36)同步进行的所述外管(10)和所述内管(20)的感应加热步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括：利用基于水和石墨的混合物的润滑剂对至少所述内管的所述内表面进行润滑的步骤。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在至少一个所述机械扩张步骤(36)之后，与至少一个附加的热机械扩张步骤(36)同步进行的所述外管(10)和所述内管(20)的感应加热步骤。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，在所述加热步骤中，电磁感应线圈设置在所述外管(10)和所述内管(20)的外部并且相对于所述外管(10)和所述内管(20)与所述心轴(2)的位移同步地纵向移动。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，在所述加热步骤中，加热设备设置在所述外管(10)和所述内管(20)的内部并且相对于所述外管(10)和所述内管(20)与所述心轴(2)的连杆(3)一起纵向地移动。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在所述扩张步骤之后的所述多层管(1)的弯曲步骤。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述心轴(2)具有截椎体的形状，所述心轴的最大直径大于所述内管(20)的所述内径并且最小直径小于所述内管(20)的所述内径。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在所述安装步骤之后，将两个管的端部焊接在一起并且在所述内管与所述外管之间产生真空的步骤。

13.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在所述机械扩张步骤过程中，在所述内管与所述外管之间施加惰性气体焊剂的步骤。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，在所述至少一个机械扩张步骤中，所述心轴(2)在所述内管(20)的内部纵向地移动，而所述外管和所述内管保持在固定位置。

15.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，在所述至少一个机械扩张步骤中，所述心轴(2)保持在固定位置(20)，而所述外管和所述内管相对于所述心轴纵向地移动。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，在制造所述多层管时，将安装的所述内管和所述外管一起设置成0.1％至20％的外径变形和0.1％至40％的壁厚度变形。

17.一种多层管，其特征在于，所述多层管包括由金属材料的外管(10)制成的至少一个外层和由金属材料的内管(20)制成的内层，当两者发生变形时，所述内管(20)具有比所述外管(10)的弹性恢复更小的弹性恢复，并且具有比所述外管(20)的内径更小的外径，所述多层管由根据权利要求1至16中任一项限定的方法制造。

18.根据权利要求17所述的多层管，其特征在于，所述外管(10)由碳锰钢合金构成并且所述内管(20)由耐腐蚀合金构成。

19.根据权利要求17或18所述的多层管，其特征在于，金属材料的所述内管(20)由碳钢、低合金钢、高合金钢、不锈钢、镍基合金、钛基合金、钴基合金、铜基合金、锡基合金以及锆基合金中的至少一种材料制成。

20.根据权利要求17至19中任一项所述的多层管，其特征在于，所述外管和所述内管(10,20)是无缝管。

21.根据权利要求17至20中任一项所述的多层管(1)，其特征在于，所述外管(10)是无缝管并且所述内管(20)具有焊缝。

22.根据权利要求17至21中任一项所述的多层管，其特征在于，所述多层管包括设置在所述外管与所述内管(10,20)之间的金属材料的至少一个中间层。

23.根据权利要求22所述的多层管(1)，其特征在于，所述中间层的所述材料的熔点低于所述外管(10)和所述内管的熔点。

24.根据权利要求22或23所述的多层管(1)，其特征在于，所述中间层包括镍(Ni)或锆(Zn)。

25.根据权利要求17至24中任一项所述的多层管，其特征在于，所述多层管包括设置在所述外管(10)的外部的、由具有比所述外管(10)的所述外径更大的内径的第二外管构成的耐腐蚀合金层。

26.根据权利要求25所述的多层管，其特征在于，所述第二外管具有比所述外管(10)的屈服强度更大的屈服强度。