CN113864537A - 一种复合管的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合管的制备方法及其应用。一种复合管的制备方法，包括在基管外表面进行堆焊，并进行机械辊压抛光，形成复合层；所述堆焊为螺旋状堆焊；所述堆焊的道间搭接率≥70％。本发明的复合管的制备方法，能够增加复合层与基管的结合力，通过道间搭接率的调整，减少堆焊纹路深度。

Description

一种复合管的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于复合管技术领域，具体涉及一种复合管的制备方法及其应用。

背景技术

复合无缝管可用于制造锅炉以及压力管道等承压器械，包含复层和基层，基层的常用材质为碳钢、合金钢及不锈钢，复层的常用材质为不锈钢或镍基材料。复合无缝管的用量小，且需根据客户要求的尺寸、材质等进行小批量、高质量生产，因此灵活、方便的小批量生产是该行业的趋势。

根据GB 28883《承压用复合无缝钢管》中的分类，目前常用的承压用复合无缝管制作工艺包括冶金熔合复合法，爆炸成型法及嵌套成型复合法。

冶金熔合复合法一般使用离心原理进行铸造，具体的是在模具内，熔化的金属液在离心力的作用下冷却形成复合管。这种方法铸出的复合管内孔不准确，内表面质量较差，成型规格依赖模具，无法生产细长管子，也无法实现小批量生产。

爆炸成型法是利用炸药产生冲击波，使复层发生塑性变形，进而紧贴基层形成复合管的制备方法。对尺寸较长的复合管，炸药量很难准确确定，复层和基层之间的结合力也较差，而且具有较高危险性。

嵌套成型复合法是将复层和基层加热并嵌套在一起，进行拉拔或挤压，以实现复层和基层之间的结合的方法。该生产工艺复杂，成型规格依赖模具，拉拔或挤压过程容易造成管子损伤，复层和基层结合力较差，生产成本高，难实现小批量生产。

综上，传统常用的复合无缝管的制备方法中，成型规格非常依赖模具(形状、尺寸等)，生产过程中难以实现特殊规格管子订制(除非提高成本更改模具)，无法小批量生产，生产成本相对较高。复合层与基层间结合仅为元素间界面扩散，并非真正冶金结合，因此结合强度较差。

堆焊作为一种成熟的表面改性工艺，已被大量运用于各个生产领域，可一定程度上克服上述方法的缺陷，但堆焊形成的复合管表面容易出现不规则纹路，纹路中容易积聚灰渣，纹路也容易造成应力集中，进而在承压过程中发生断裂，此外，堆焊形成的复合管由于焊接的应力变形，管子直线度等尺寸精度低，特别是不能安装到各种高精度锅炉的压力容器和压力管道中。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种复合管的制备方法，能够通过调整堆焊过程中的道间搭接率，降低纹路深度，并通过后处理对所得复合管进行校直和抛光，去除堆焊产生的纹路，使其满足承压无缝钢管要求。

本发明还提出一种上述制备方法的应用。

根据本发明的一个方面，提出一种复合管的制备方法，包括：

在基管外表面进行堆焊，形成复合层；所述堆焊为螺旋状堆焊；所述堆焊的道间搭接率≥70％。

根据本发明的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：

(1)相对于传统的冶金熔合复合法、爆炸成型法及嵌套成型复合法，本发明提供的堆焊法，不受模具的要求，可根据客户的要求选用不同型号(包括长度、内外管径和材质等)的基管，并在其表面形成不同厚度、材质的复合层，最终获得参数各异的复合管；也就是说，本发明提供的复合管的制备方法，工艺更加灵活，更适合小批量、特殊要求的复合管的制备，生产效率高、成本低且质量稳定；

此外，堆焊法，基管与复合层之间是真正的冶金结合，结合强度高于传统方法制备的复合管。

(2)本发明的堆焊法，采用的是螺旋式堆焊(形成焊缝)，即焊缝以所述基管的中轴线为中轴线，螺旋式排布至所述基管表面，这种焊接方法，相较于其他的焊接方式，焊道间纹路更加规则，堆焊产生的焊接应力变形小，因此制备得到的复合管的精度提升。

(3)本发明提供的制备方法，焊道的道间搭接率≥70％，保证了堆焊后形成的复合层表面纹路(两条相邻焊缝之间形成的凹陷处)较浅；

又由于复合层表面的纹路较浅，因此只需较浅的抛光深度即可获得光滑、平整的复合管表面，因此降低了抛光难度，也减少了抛光等步骤带来的材料损失，抛光后材料的尺寸精度也更高；

又因为道间搭接率≥70％，堆焊层厚度均匀，复合层和基管管壁的厚度比例稳定，可参与承压设备的强度计算。

在本发明的一些实施方式中，所述复合管为金属复合管。

在本发明的一些实施方式中，所述复合管由基管和设于所述基管外表面的复合层组成。

在本发明的一些实施方式中，所述复合管的长度为1～12m。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述堆焊的道间搭接率为70％～80％。

所述搭接率的计算方法为焊缝宽度D与道间节距d之差占焊缝宽度D的百分数。

在本发明的一些实施方式中，所述基管的材质包括铁基金属和镍基金属中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，所述基管为20G高压锅炉管。

在本发明的一些实施方式中，所述复合层的材质包括铁基金属、镍基金属和钴基金属中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，所述镍基金属的材质包括型号为Inconel 625的镍基合金。

本发明选用的基管和复合层的材质，决定了制备得到的复合管具有优异的抗压性能和耐腐蚀性能。

在本发明的一些实施方式中，所述堆焊的焊道道间节距d为1.2-2.4mm。

所述焊道道间节距d即焊缝间的距离，数值上约为所述基管的轴向行走系统的行走速度(单位mm/min)与径向旋转系统的旋转速度(单位rpm)之比。

在本发明的一些实施方式中，所述堆焊的速度为2～4m/min。

所述堆焊的速度，指所述焊缝的延伸速度，也即焊接线速度。

在本发明的一些实施方式中，所述堆焊的单道焊缝宽度D为7～15mm。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述堆焊的单道焊缝宽度D为10～15mm。

采用特定的堆焊速度、控制特定的焊缝宽度D、道间搭接率以及焊道道间节距d，可以使堆焊的沟槽纹路(两条焊缝交接处)深度小于0.3mm，减小抛光难度，节约材料；

采用特定的堆焊参数，还可以使堆焊线能量低，所述基管还没有吸收到足够的能量大量熔化，因此进入到焊缝(复合层)中的基管成分百分比非常低，也就是堆焊层化学成分稀释率极低，提供更好的耐腐蚀性能。

所述稀释率，是根据母材(基管)的成分、焊材(堆焊层，即复合层)的成分和焊缝的成分计算出来的，即母材成分在最终焊缝中成分的百分比；

所述堆焊线能量(输入热量)低，因此基管熔化、进入复合层中的比例较低，因此复合层中的稀释率低；

也就是说，所述稀释率低的原因是，所述堆焊过程中输入的热量小，具体输入热量的计算公式如式(1)所示：

Q＝60*U*I/S (1)；

其中Q＝热输入量(J/mm)，U＝电压(V)，I＝电流(A)，S＝焊接速度(mm/min)。

在本发明的一些实施方式中，所述堆焊采用堆焊系统完成。

在本发明的一些实施方式中，所述堆焊系统包括基管控制系统和焊接系统。

在所述堆焊过程中，所述基管控制系统控制所述基管的运动、冷却；

所述焊接系统，控制焊丝的熔化等相关条件。

在本发明的一些实施方式中，所述基管控制系统包括轴向行走系统(控制所述基管的轴向移动)、径向旋转系统(控制所述基管的径向旋转)和冷却系统。

在本发明的一些实施方式中，所述轴向行走系统的行走速度约为27.3mm/min。

在本发明的一些实施方式中，所述径向旋转系统的旋转速度为6.9～13r/min。

在本发明的一些实施方式中，所述径向旋转系统的旋转速度约为11.8r/min。

在本发明的一些实施方式中，所述冷却系统，包括通过所述基管内部的冷却水系统。

在本发明的一些实施方式中，所述焊接系统，包括熔化极气体保护焊焊机(中控部分)、焊丝(所述复合层的前驱体)、焊枪和焊枪固定座；

所述焊丝与所述焊机直接相连，或者说所述焊丝来自于所述焊机；

所述焊丝通过所述焊枪熔化；

所述焊枪固定座固定所述焊枪。

所述堆焊过程中，所述焊枪固定，所述基管在所述基管控制系统的作用下螺旋移动，而所述焊枪与所述基管的相对角度不变，因此焊接质量稳定可靠。

在本发明的一些实施方式中，所述基管的移动方向，与所述焊枪的夹角为60°～120°。

在所述堆焊过程中，所述焊丝通过所述焊枪的熔池(焊枪靠近所述基管的部位)熔化后，以螺旋状堆叠在所述基管外表面，所述基管内通过的水冷却所述堆焊形成的复合层，仅为形成外表面焊缝呈螺旋状的复合管。

在本发明的一些实施方式中，所述制备方法还包括对所述复合管进行校直。

在本发明的一些实施方式中，所述校直的方法为辊压校直。

在本发明的一些实施方式中，所述辊压校直采用错辊式辊压机进行。

所述辊压校直不仅可起到校直作用，所述辊压校直，由于过程中在所述复合管表面施加的压力，还可以初步降低所述焊缝之间形成的纹路的深度。

在本发明的一些实施方式中，所述辊压校直的速度约为2.5m/min。

在本发明的一些实施方式中，所述辊压校直的次数为1～3次。

在本发明的一些实施方式中，所述制备方法还包括对所述复合层的表面进行抛光处理。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述抛光处理包括机械抛光处理。

在本发明的一些实施方式中，所述抛光处理的操作方法为将所述辊压校直所得复合管以砂带抛光机进行抛光，或者是进行喷丸打砂处理。

在本发明的一些实施方式中，所述抛光处理的次数为2～3次。

所述抛光的作用是，完全去除所述焊缝之间形成的纹路，获得表面光洁、平整、无缝的复合管。

在本发明的一些实施方式中，若所述复合层材质为不锈钢，则所述喷丸打砂处理过程中，所述复合层表面会生成纳米级三氧化二铬，进而提升所述复合层的耐腐蚀性能。

在本发明的一些实施方式中，所述复合管的制备方法，还包括在所述校直和表面处理之间进行热处理。

所述热处理的作用是降低所述复合层和所述基管交界处的硬度；具体的，在所述堆焊过程中，上述交界处经历了所述堆焊产生的热，同时迅速进行了冷却，因此该位置的金属容易发生相变，进而导致硬度提升、变脆，所述热处理可有效缓解上述变化，使所得复合管更适合用于承压无缝管。

在本发明的一些实施方式中，所述复合管的制备方法，还包括在所述表面处理后进行成分检测，以及定尺切割。

根据本发明的再一个方面，提出了所述制备方法在制备承压管道中的应用。

根据本发明的一种优选的实施方式的应用，至少具有以下有益效果：

本发明提供制备方法制备的复合管，无缝，且表面光滑、尺寸精度高，复合层和基管之间的结合力高，因此可用于承受更高的压力，拓展了金属复合管在高压锅炉等高压、高精度领域的应用。

在本发明的一些实施方式中，所述承压管道包括输水管、输油管和输气管中的至少一种。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述承压管道包括承压无缝钢管。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为相关技术中冶金熔合复合法的原理示意图；

图2为相关技术中爆炸成型法的原理示意图；

图3为相关技术中嵌套成型复合法的原理示意图；

图4为本发明实施例1的复合管的制备流程图；

图5为本发明实施例1的堆焊的示意图；

图6为本发明实施例1中辊压的示意图；

图7为本发明实施例1中辊压前后复合管的形貌示意图；

图8为本发明实施例1中抛光的示意图；

图9为本发明中道间节距和焊缝宽度的示意图；

附图标记：

110、金属液；120、电炉浇包；130、外层；140、内层；150、冶金融合模具；160、电机；

210、爆炸复合模具外筒；220、基管；230、复合层；240、炸药；250、雷管；260、爆炸复合模具内芯；

310、复层；320、基材管；330、芯轴；340、压头；350、嵌套复合模具；

410、熔化极气体保护焊焊机；420、焊丝；430、焊枪；440、焊枪固定座；450、径向旋转系统；460、轴向行走系统；470、基管；480、复合层；

500、堆焊后形成的堆焊管；510、堆焊层；520、辊压校直后的焊缝；530、辊压校直前的焊缝；540、辊压校直后的纹路深度；550、辊压校直前的纹路深度；590、辊压校直机；

610、辊压校直后的堆焊管；620、砂带抛光机；630、复合管。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

传统金属复合管的制备方法工艺包括冶金熔合复合法，爆炸成型法及嵌套成型复合法。

冶金熔合复合法的原理如图1所示：具体的是先将复层材料坯料在电炉浇包120中熔化成金属液110，浇铸到模具150内，经电机160带动高速旋转，金属液110在离心力的作用下，冷却形成管状外层130，之后以基层材料的原料重复进行上述步骤，形成外层130和内层140冶金熔合的复合管。

爆炸成型法的工艺流程示意图如图2所示，具体的是把外径略大的复合层230管子(原料)套进基管220(原料)外部，并共同放入模具外筒210中，在复层管子和外筒之间填入炸药240并装入雷管250，通过雷管250引爆炸药240，产生强烈冲击波，使复层管子径向产生塑性变形，与基材管子结合，形成爆炸复合管。

嵌套成型复合法的流程示意图如图3所示，具体是把外径略大的复层310管子套在基材管320外，基材管320内插入芯轴330，通过压头340施加轴向力，使加热后的复层310管子和基材管320通过模具350，较强的压应力使复层310管子和基材管320结合，形成嵌套成型复合管。

这三种方法工艺复杂、对模具的依赖程度高、成本高，并且难以实现小批量生产。

因此本发明提供了以下实施例中复合管的制备方法，可有效克服上述缺点。

若无特殊说明，本发明中道间节距d和焊缝宽度D所表示的含义如图9所示。

若无特殊说明，本发明(实施例1)中复合管的制备流程如图4所示，其中热处理、喷丸打砂、成分分析和定尺切割步骤可根据实际情况进行或省略。

实施例1

本实施例制备了一种复合管，具体过程为：

S1.基管准备：基管为20G；

S2.复合层的参数确定及制备：确定所得复合管的设计直径为

长度为10m，复合层的壁厚≥2mm，复合层的材质为Inconel625；

根据图5所示示意图进行堆焊，具体的，在基管470上堆焊复合层480；

堆焊过程中焊枪430在焊枪固定座440的作用下稳定不动，焊丝420经由焊机410的控制通过焊枪430熔化，并堆焊至基管470外表面，其中焊丝420是直径为

的实心焊丝(型号ERNiCrMo-3)，送丝速度为10m/min，电流200A，电压28V；

焊接过程中基管在轴向行走系统460和径向旋转系统450的作用下，螺旋运动，控制焊丝形成的焊缝为螺旋走向，其中轴向行走速度27.3mm/min，径向旋转速度11.8r/min，计算得堆焊的速度V＝11.8*60*3.14＝2223mm/min，其中60约为基管的外径，堆焊层道间节距d＝27.3÷11.8＝2.3mm，堆焊层厚度约2.2mm，单道焊缝宽度D为11mm，道间搭接率＝2.3÷11×100％＝79％；焊缝道间沟槽(纹路深度550)浅，约为0.2mm；

根据式(1)计算得本实施例堆焊方法的热输入量Q＝150J/mm；

S3.辊压校直：如图6所示，把步骤S2所得堆焊管500放到辊压校直机590中进行辊压两次；第一次调整压辊间隙为

辊压速度2.5m/min；第二次调整压辊间隙为

辊压速度2.5m/min；辊压前堆焊管的外径为

辊压后，管子堆焊纹路被压平，外径减少至

沟槽深度约剩余0.1mm；

具体的，辊压前后的对比图如图7所示，在辊压前，堆焊层510表面焊缝530形成了纹路深度550，辊压后的焊缝520形成了纹路深度540，可以明显看出，纹路深度550显著大于纹路深度540，说明辊压还可起到平整堆焊管500外表面的作用；

S4.抛光：如图8所示，将步骤S3所得堆焊管610放到砂带抛光机620(但不限于)中进行机械抛光2次，抛光深度0.1mm，去除表面残余沟槽纹路540(显示为虚线)，得到表面粗糙度为Ra0.8的表面光洁平整、无缝的复合管630

对比例1

本对比例制备了一种复合管，与实施例1的区别在于：

(1)步骤S2中基管的轴向行走系统460和径向旋转系统350的运动速度不同，轴向行走速度为27.3mm/min，径向旋转速度6.5r/min,导致焊接速度为1225mm/min，堆焊节距为4.2mm，堆焊层厚度约2.1mm，单道焊缝宽度D12mm，道间搭接率65％；焊缝道间沟槽(纹路)约为0.4mm；

(2)由于上述参数控制的差异，进而根据式(1)计算得到的热输入量为274J/mm；

(3)步骤S3中辊压后沟槽深度约剩余0.2mm；

(4)为满足所得复合管外表面平整，步骤S4中抛光5次，深度0.2mm，所得复合管的外径为

试验例

本试验例首先测试了实施例和对比例制备的所得复合管中，复合层中材料的成分。

成分的测试参照标准ASTM E1473《镍、钴及高温合金化学成分检测方法》进行；

其他测试参照GB 28883-2012《承压用复合无缝钢管》进行检测：

测试结果如表1所示。

表1焊丝、复合层中铁含量

	焊丝	实施例1	对比例1	标准要求ASME N06625
					铁含量wt％	0.2	2	4.5	≤5

现有工艺制造Inconel625复合管产品，一般铁元素含量为3-5％，例如对比例1中的铁含量约为4.5wt％；本发明提供的制备方法制备的复合管中，复合层中铁的含量在1-3％之间(例如实施例1中是2wt％)，低于对比例1代表的常用制备方法所得复合层中的铁含量，虽然实施例1和对比例1制备的复合层中铁含量均低于ASME标准中最大含铁量5wt％要求，但是铁含量的轻微提升也会带来耐腐蚀性能的严重降低。

此外，复合层中铁元素的含量(稀释率)与堆焊过程中的热输入量相关，热输入量越高，则稀释率越高，进而复合层的耐腐蚀性能越低。

因此本发明中通过调整堆焊过程中的参数，调整了复合层中铁的含量，进而提升了所得复合管的耐腐蚀性能。

此外，参照标准GB 28883-2012《承压用复合无缝钢管》中对复合管的要求，本发明获取的复合管外径

符合标准中较严格的冷拔管外径±0.3mm的误差要求；

本发明复合无缝管总壁厚7.36mm，进行宏观测量检验，复合层厚度2.2mm，基管厚度5.16mm，符合要求；

本发明获取的复合管直线度为0.2mm/m，符合管子壁厚≤15mm时，直线度≤1.5mm/m要求；

本发明制备的复合管复合层剪切强度测试结果为482MPa，远高于标准中冶金结合复合钢管要求的≥210MPa；

本发明制备的复合管符合GB 28883-2012《承压用复合无缝钢管》其他测试要求。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种复合管的制备方法，其特征在于，包括在基管外表面进行堆焊，形成复合层；所述堆焊为螺旋状堆焊；所述堆焊的道间搭接率≥70％。

2.根据权利要求1所示的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括对所述复合管进行校直。

3.根据权利要求1所示的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括对所述复合层的表面进行抛光处理。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述复合管的长度为1～12m。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基管的材质包括铁基金属和镍基金属中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述复合层的材质包括铁基金属、镍基金属和钴基金属中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述堆焊的焊道道间节距d为1.2-2.4mm。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述堆焊的速度为2～4m/min；优选的，所述堆焊的单道焊缝宽度D为7～15mm。

9.一种如权利要求1～8任一项所述制备方法制备在制备承压管道中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述承压管道包括输水管、输油管和输气管中的至少一种。

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