CN115213630A - 一种小曲率半径镍基复合弯管的弯制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种小曲率半径镍基复合弯管的弯制方法，包括以下步骤：（1）钢管原材料按尺寸要求下料形成直管；（2）在所述直管内壁环向堆焊镍基金属层形成复合直管；（3）热弯成型将所述复合直管弯曲成复合弯管；所述复合直管在热弯成型之前进行正火处理。热弯成型中所述复合弯管的内壁被加热到940度到960度之间，所述复合弯管的外壁被加热到970到990之间；热弯成型过程中冷却水压为(0.25±0.025)MPa。本发明中产品无裂纹合格率由50%直线提升至100%，且成品堆焊复合弯管的力学性能、硬度范围、金相组织及耐腐蚀性能也完全满足相关技术要求，满足了海洋油气工程使用的要求。
Description
技术领域
本发明属于弯管领域，具体涉及一种小曲率半径镍基复合弯管的弯制方法。
背景技术
随着我国油气资源的开发逐步走向海洋深水和超深水环境，海底管线技术研究和产品研发取得了重大突破，用于深水海底管线终端和跨接管以及水下中心管汇等海底生产设施的堆焊复合弯管需求骤增。鉴于水下500米~1500米海洋油气开采集输过程中产生的高压和高腐蚀等极其苛刻工况，对于水下深水环境用堆焊复合弯管的力学性能和稳定性要求极高。
由于现阶段工艺技术的局限性，以往此类产品多依赖进口，且国内外制造深水环境用小曲率半径（R=3D）堆焊复合弯管成品率低下，尤其是在弯制过程中弯曲段堆焊层表面易出现裂纹的问题，诸多厂家曾经尝试制造，但制造成品合格率极低，成本巨大，其无法满足交货需要。
发明内容
本发明提供一种小曲率半径镍基复合弯管的弯制方法。
本发明的目的是以下述方式实现的：一种小曲率半径镍基复合弯管的弯制方法，包括以下步骤：（1）钢管原材料按尺寸要求下料形成直管；（2）在所述直管内壁环向堆焊镍基金属层形成复合直管；（3）热弯成型将所述复合直管弯曲成复合弯管；所述复合直管在热弯成型之前进行正火处理。
热弯成型中所述复合弯管的内壁被加热到940度到960度之间，所述复合弯管的外壁被加热到970到990之间；热弯成型过程中冷却水压为(0.25±0.025)MPa。
所述正火温度为950度；所述复合弯管的内壁加热温度为950度，所述复合弯管的外壁加热温度为980度。
热弯成型在热煨弯制机上进行，所述热煨弯制机包括对所述复合直管进行加热的中频加热圈以及对复合直管进行冷却的水冷圈；所述水冷圈上沿圆周设置雾化喷头，冷却水和压缩空气混合雾化从所述雾化喷头喷到所述复合直管上。
下料形成直管后，对直管内壁进行清理之后再堆焊，堆焊完成后进行所述复合直管的外观、尺寸以及无损检验；弯制成型后的复合弯管进行热处理、硬度检验、水压检验，对坡口进行机加工，最后进行成品检验。
所述复合弯管的曲率半径不大于所述直管的直径的3倍。
所述直管的材质是X65钢材，堆焊层的材质是镍基合金。
本发明的有益效果是：本发明中产品无裂纹合格率由50%直线提升至100%，成品除了堆焊层表面不再出现裂纹这一优点外，其磁粉检测和超声波检测结果也完全满足相关技术要求，且成品堆焊复合弯管的力学性能、硬度范围、金相组织及耐腐蚀性能也完全满足相关技术要求，满足了海洋油气工程使用的要求。
附图说明
图1是小曲率半径镍基堆焊复合弯管生产流程图。
图2是基堆焊层热处理前的金相照片。
图3是基堆焊层热处理前的金相照片。
图4是基堆焊层热处理前的金相照片。
图5是镍基堆焊层热处理后的金相照片。
图6是镍基堆焊层热处理后的金相照片。
图7是镍基堆焊层热处理后的金相照片。
图8是改进工艺前有裂纹的复合弯管内壁照片。
图9是工艺改进后没有裂纹的复合弯管内壁照片。
具体实施方式
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，本申请使用的技术术语应当为本发明所述技术人员所理解的通常意义。术语“相连”“连接”“固定”“设置”等应做广义理解，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是机械连接、也可以是电连接。除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”或者“上方”或者“上面”等可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”或“下方”或“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。诸如第一、第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另外一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。描述中使用的术语比如“中心”“横向”“纵向”“长度”“宽度”“厚度”“高度”“前”“后”“左”“右”“上”“下”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“轴向”“径向”“周向”“顺时针”“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者原件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
以下将结合附图以及具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。如图1所示，一种小曲率半径镍基复合弯管的弯制方法，包括以下步骤：（1）钢管原材料按尺寸要求下料形成直管；（2）在所述直管内壁环向堆焊镍基金属层形成复合直管；（3）热弯成型将所述复合直管弯曲成复合弯管；其特征在于：所述复合直管在热弯成型之前进行正火处理。现有的工艺中，堆焊后不进行热处理直接进行热弯成型。本发明在堆焊和热弯成型之间增加正火处理工艺。经过正火可以消除堆焊后复合管道内的应力，并且细化堆焊层材料的晶粒，增加堆焊层材料的韧性，这样在弯曲过程中更不容易裂开。镍基堆焊层热处理前的金相照片见图2、图3、图4，晶粒度为6级. 镍基堆焊层热处理后的金相照片见图5、图6、图7，晶粒度为7级。从上图可以明显看出，晶粒细化。
热弯成型中所述复合弯管的内壁被加热到940度到960度之间，所述复合弯管的外壁被加热到970到990之间；热弯成型过程中冷却水压为(0.25±0.025)MPa。（改进前的工艺中，在加热过程中，所述复合弯管外壁被加工到温度在940度左右，所述复合直管的内壁被加热到890到900度之间。复合直管的外层母材壁厚较厚热传导较慢，加之母材金属和堆焊层金属分属不同的材质，热敏感性差异较大，内外壁在弯制加热过程中存在温差，导致堆焊层在加热过程中没有达到预期的形变温度，且小曲率半径弯管，比如R=3D，即弯管的弯曲半径等于弯管直径的三倍，这种小曲率半径的弯管，在弯制过程中外弧一侧拉伸较长，故而出现裂纹导致整管报废。按照常规的堆焊弯管加热理论，所述复合直管的弯制加热温度需要在母材和堆焊层两种材料的合适的加热温度的重合范围内选取加热温度，而且尽量靠近母材的最适宜的加热温度，这样才能起到最好的效果。镍基堆焊层的最适宜加热温度略高于母材的最适宜加热温度。选取的温度靠近母材的最合适温度。本发明反其道而行，选取的温度更靠近所述镍基堆焊层的最适宜加热温度。对于管壁较厚、弯曲半径较小的镍基复合弯管有很好的效果。
所述正火温度为950度；所述复合弯管的内壁加热温度为950度，所述复合弯管的外壁加热温度为980度。
热弯成型在热弯机上进行，所述热弯机包括对所述复合直管进行加热的中频加热圈以及对复合管道进行冷却的水冷圈；所述水冷圈上沿圆周设置雾化喷头，冷却水和压缩空气混合雾化从所述雾化喷头喷到所述复合管道上。在现有技术中，中频加热圈和所述水冷圈常常设置在一起，设置方式是现有技术，不再详细描述。常规的冷却水直接喷淋冷却的方法中，水压在(0.45±0.025)MPa，每小时消耗水量2.5立方，复合管道外壁温度940度，内壁890到900度。本发明中水压(0.25±0.025)MPa，每小时消耗水量1.2立方左右，不仅降低了冷却水的消耗量，还有效控制了冷却速度，保证了所述复合直管的内壁和外壁温度。热弯机可以包括放置所述复合直管的机架以及设置在机架一侧的转臂，转臂末端设置夹具，所述夹具夹持所述复合直管的一端，转臂转动带动所述复合弯管逐渐弯曲。机架上方设置中频加热圈安装架，机架后方设置推动所述复合直管前进的进给机构。热煨弯制机是现有技术，不再详细描述。本发明中所述中频加热圈和所述复合直管外壁之间距离大约是25毫米，所述中频加热圈和所述冷却圈之间的距离为5毫米左右，所述冷却圈和所述复合直管外壁之间的距离是25毫米左右，所述冷却圈内空气的压力大约在0.8Mpa,测量温度的时候通过手持红外测温仪测量所述复合弯管外弧堆焊层处最高温度。其中红外测温仪设置在所述复合弯管端口处。
下料形成直管后，对直管内壁进行清理之后再堆焊，堆焊完成后进行所述复合直管的外观、尺寸以及无损检验；弯制成型后的复合弯管进行热处理、硬度检验、水压检验，对坡口进行机加工，最后进行成品检验。最后酸洗钝化。这个过程的流程图如图1所示。
所述复合弯管的曲率半径不大于所述直管的直径的3倍。在具体的实施例中，直管直径300毫米左右，所述直管的壁厚为20毫米左右，堆焊层厚度为3毫米，曲率半径是直管直径的3倍，按照上述方法制成的弯管成品率100%。
所述直管的材质是X65钢材，堆焊层的材质是镍基合金。
如图8-9所示，图8是改进工艺前有裂纹的复合弯管内壁照片，图9是工艺改进后没有裂纹的复合弯管内壁照片。本发明中产品无裂纹合格率由50%直线提升至100%，成品除了堆焊层表面不再出现裂纹这一优点外，其磁粉检测和超声波检测结果也完全满足相关技术要求，且成品堆焊复合弯管的力学性能、硬度范围、金相组织及耐腐蚀性能也完全满足相关技术要求，满足了海上使用的要求。
具体实施时：在直管内壁进行环向表面堆焊，钢管内壁堆焊采用实心焊丝ERNiCrMo-3；直管采用X65钢管。焊接及保护气体均为纯Ar。焊接时工艺要求：焊前使用丙酮清理焊缝及两侧50㎜的油污和铁锈，焊接过程采用多层多道堆焊。堆焊后进行正火处理。弯制方法：堆焊并且正火后检验合格的复合直管，利用热弯机，采取中频感应加热的方法进行热煨弯制。弯制工艺要求：加热弯制区域所述复合弯管内壁温度为940℃，弯制需要连续进行，不可中途停顿，加热温度误差范围为±10℃，其中每分钟推进速度为（15±2.5）mm，弯制过程中需对热煨后成型区域进行冷却保证其定型需求。冷却水压调整为:(0.25±0.025)MPa；冷却水槽水的温度：（25±15）℃。弯制结束后，对堆焊层进行目视检测、尺寸及渗透、超声波、磁粉检测。其中外观目视按照标准NB/T47013.7进行；渗透检验按照标准ASTM E165-2012进行；超声波检测按照标准ASTM A578-2017进行；磁粉检验按照标准ASTM A578-2015进行。堆焊层检测无缺陷后，对堆焊复合弯管进行热处理，热处理方式为淬火+回火，其中淬火温度920 ℃，保温时间1 h，回火温度550 ℃，保温时间110 min。3.5堆焊复合弯管理化性能检验。堆焊复合弯管理化性能检测主要有拉伸、弯曲、硬度、金相、点腐蚀试验。根据ASME锅炉及压力容器规范IX要求取样并进行试验。拉伸、冲击试验标准ASTM A370—2017，使用设备为CMT5305微机控制电子万能试验机和BC2452-BE(LX04)摆锤冲击试验机；硬度检验依据标准ASTM E92—2017进行，使用设备为MHVS-30AT数显维氏硬度计；金相分析依据标准ASTM E340-2015进行，使用设备为金相显微镜IM300（JX12）；点腐蚀试验依据标准ASTMG48-2011（2015）进行。
以上所述实施的各技术特征可以进行任意的组合，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。在不脱离本发明整体构思的前提下，根据本发明的技术方案及加以等同替换或改变，及作出的若干改变和改进，也应该视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种小曲率半径镍基复合弯管的弯制方法，包括以下步骤：（1）钢管原材料按尺寸要求下料形成直管；（2）在所述直管内壁环向堆焊镍基金属层形成复合直管；（3）热弯成型将所述复合直管弯曲成复合弯管；其特征在于：所述复合直管在热弯成型之前进行正火处理。
2.根据权利要求1所述一种小曲率半径镍基复合弯管的弯制方法，其特征在于：热弯成型中所述复合弯管的内壁被加热到940度到960度之间，所述复合弯管的外壁被加热到970到990之间；热弯成型过程中冷却水压为(0.25±0.025)MPa。
3.根据权利要求2所述一种小曲率半径镍基复合弯管的弯制方法，其特征在于：所述正火温度为950度；所述复合弯管的内壁加热温度为950度，所述复合弯管的外壁加热温度为980度。
4.根据权利要求2所述一种小曲率半径镍基复合弯管的弯制方法，其特征在于：热弯成型在热煨弯制机上进行，所述热煨弯制机包括对所述复合直管进行加热的中频加热圈以及对复合直管进行冷却的水冷圈；所述水冷圈上沿圆周设置雾化喷头，冷却水和压缩空气混合雾化从所述雾化喷头喷到所述复合直管上。
5.根据权利要求1-4任一所述一种小曲率半径镍基复合弯管的弯制方法，其特征在于：下料形成直管后，对直管内壁进行清理之后再堆焊，堆焊完成后进行所述复合直管的外观、尺寸以及无损检验；弯制成型后的复合弯管进行热处理、硬度检验、水压检验，对坡口进行机加工，最后进行成品检验。
6.根据权利要求1-4任一所述一种小曲率半径镍基复合弯管的弯制方法，其特征在于：所述复合弯管的曲率半径不大于所述直管的直径的3倍。
7.根据权利要求1-4任一所述一种小曲率半径镍基复合弯管的弯制方法，其特征在于：所述直管的材质是X65钢材，堆焊层的材质是镍基合金。
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