CN117961446A - 一种双金属复合管件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及管道设备技术领域，具体公开一种双金属复合管件及其制备方法。本发明只对卷管后的管坯进行基层和过渡层的焊接，复层不焊接，为后续管件的热压成型工艺中复层的形变留有X坡口的间隙余量，使复层在成型过程中，有应力释放的空间，避免了基层和复层在成型过程中的分离。淬火处理可以保证双金属复合管件的复层具有优异的晶间腐蚀性，正火处理可以保证双金属复合管件的基层具有优异的机械性能，回火处理可以保证双金属复合管件的金相组织和冲击韧性符合要求。淬火+正火+回火的热处理方式，保证了双金属复合管件的综合性能和质量。本发明替换了常规的堆焊工艺，操作简便易行，有效提高了生产效率，具有较高的经济效益和市场价值。
Description
技术领域
本发明涉及管道设备技术领域，尤其涉及一种双金属复合管件及其制备方法。
背景技术
双金属复合管件一般用于天然气的输送，是最危险的集输管道之一。目前，对于小口径的双金属复合管件，现有技术一般采用堆焊的方法进行制备，周期时间长，生产效率低，焊接工作量大，制造成本高；产品堆焊会造成结合层的合金材料稀释，合金元素成分的不稳定造成抗腐蚀等效果的降低，产品质量不可靠；并且，堆焊厂家技术参差不齐，堆焊层出现质量问题后不易返修。因此，目前亟需找到一种生产效率高且产品质量稳定的双金属复合管件的制备方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种双金属复合管件及其制备方法，复层不易鼓包、折皱，晶间腐蚀及机械性能优异，基层的金相组织满足要求，同时，生产效率较高，使用寿命较长。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案。
第一方面，本发明提供一种双金属复合管件的制备方法，包括以下步骤：
S1，将双金属复合板材铣边，对接焊缝采用X坡口，卷管，得管坯；所述双金属复合板材包括基层、过渡层和复层；
S2，对所述管坯的基层和过渡层进行焊接，得焊接管坯；
S3，将所述焊接管坯加热，放入模具中，施压，得管件毛坯；
S4，对所述管件毛坯的复层进行焊接，得焊接管件；
S5，将所述焊接管件于930~970℃进行淬火处理，冷却；于920~1010℃进行正火处理，冷却；于650~720℃进行回火处理，冷却，得双金属复合管件；
所述双金属复合管件为双金属复合弯头或双金属复合异径管。
相对于现有技术，本发明提供的双金属复合管件的制备方法，只对卷管后的管坯进行基层和过渡层的焊接，复层不焊接，为后续管件的热压成型工艺中复层的形变留有X坡口的间隙余量，使复层在成型过程中，有应力释放的空间，有效避免了基层和复层在成型过程中的分离（包括鼓包和折皱）。然后将焊接管坯加热放入模具中，施压成型为管件毛坯后，再将复层进行焊接，进行后续热处理。
一般情况下，就单种材料而言，合金钢或管线钢管件在920~1010℃的温度范围内进行正火处理，不锈钢管件在不低于1040℃的温度下进行固溶处理，可以保证其对应的铁素体、硬度和晶间腐蚀等综合性能均达到要求。发明人通过大量试验发现，对于双金属复合管件，于930~970℃进行淬火处理，可以保证双金属复合管件的复层（不锈钢）具有优异的晶间腐蚀性；于920~1010℃进行正火处理，可以保证双金属复合管件的基层（合金钢或管线钢）具有优异的机械性能；于650~720℃进行回火处理，可以保证双金属复合管件的基层具有良好的金相组织和冲击韧性。淬火+正火+回火的热处理方式，可以保证双金属复合管件具有优异的综合性能，以保证产品的质量。
本发明提供的双金属复合管件的制备方法，替换了常规的堆焊工艺，操作简便易行，大大缩短了时间和人工成本，有效提高了生产效率，具有较高的经济效益和市场价值。
优选的，步骤S1中，所述双金属复合板材的基层为合金钢或管线钢，所述双金属复合板材的复层为奥氏体不锈钢或镍基不锈钢。
需要说明的是，双金属复合板材的过渡层定义为基层与复层的融合层，即过渡层的材质为基层与复层融合的金属元素的混合物。一般认为，双金属复合板材的过渡层的厚度越厚，基层与复层的结合力越大。本发明对双金属复合板材的过渡层的厚度不作要求，市售的双金属复合板材均适用于本发明。
优选的，所述双金属复合管件的口径为DN150~DN700。
优选的，所述双金属复合管件的厚度为8~30mm；其中，所述双金属复合管件的基层厚度为6~25mm，所述双金属复合管件的复层厚度为2~6mm。
本发明替换了制备小口径双金属复合管件常用的堆焊工艺，解决了小口径双金属复合管件的产品质量不稳定的问题，同时，大大提升了小口径双金属复合管件的生产效率。
示例的，步骤S1中，在铣边之前，需要对双金属复合板材进行复检，包括化学成分、外观、基层和复层的厚度、一致性、力学性能及无损检测，以确认双金属复合板材的质量符合要求。
示例的，步骤S1中，在所述铣边的过程中，所述双金属复合板材的基层在上，所述双金属复合板材的复层在下，以保护复层在铣边过程中不受损伤。
本发明步骤S1的对接焊缝采用X坡口，有利于后续分批焊接（先焊接基层和过渡层，冷挤压成型后再焊接复层）的进行；此外，步骤S2未对管坯的复层进行焊接，在后续的成型工艺中，X坡口的缝隙为管坯复层的应力释放提供了特定的空间。
示例的，步骤S1中，在卷管之前，需要对卷管机的辊轴进行清理及表面修整，并用不含铁离子的胶布或者胶纸粘贴复裹，以保证在卷制过程中引入杂质，从而影响双金属复合管件的质量。
示例的，步骤S1中，在所述卷管之前，所述双金属复合板材的基层在下，所述双金属复合板材的复层在上，使得到的管坯中基层在外，复层在内。
优选的，步骤S2中，所述管坯的过渡层的焊接厚度为3~5mm。
本发明中，管坯的过渡层与双金属复合板材的过渡层的厚度基本相同，由于过渡层的厚度较小，不易测量，本发明将管坯过渡层的焊接厚度设置为3~5mm，既可以保证过渡层被全部焊接，又可以保证大部分复层不被焊接，为后续管件的热压成型工艺留有X坡口间隙的余量，使复层在成型过程中的应力有释放的空间，有效避免了基层和复层在成型过程中的分离。
需要说明的是，管坯的过渡层的焊接厚度（3~5mm）是以基层与复层的接触线（沿横截面看去，基层与复层的接触面为线状）为中心，向基层方向偏移2~4mm，向复层方向偏移1~2mm。
示例的，步骤S3中，所述加热的方式包括加热炉加热或加热圈加热。
优选的，步骤S3中，所述加热的温度为850℃~1000℃，所述施压后的终压温度为800℃以上，进一步优选为800℃~870℃。
示例的，步骤S3中，在首次压制成型之前，需要检查液压系统管路和仪表是否存在异常，精准定位模具，安装定位销，并进行空车试运行，以确保压制成型可以正常进行。
示例的，步骤S3中，在将焊接管坯放入模具之前，需要在模具的内腔上涂膜石墨，以增加润滑度。
示例的，步骤S3中，对于所述双金属复合弯头的焊接管坯，在所述施压之前，需要将楔子分别放入所述焊接管坯的两端位置。
本发明中，楔子为圆柱形金属模具，其底面直径略小于焊接管坯，用于保持弯头（焊接管坯）两端的形状不受压制的影响。
本发明中，一般情况下，一次压制即可满足相应双金属复合管件的尺寸要求。若一次压制达不到双金属复合管件的尺寸要求，本发明需要重复步骤S3再次压制。
示例的，步骤S4中，在所述焊接之前，需要对焊缝部位进行清理，避免在焊接过程中引入杂质，从而保证焊缝处的力学性能。
优选的，步骤S5中，所述淬火处理的入炉温度为930~970℃。
优选的，步骤S5中，所述正火处理的入炉温度为1000~1050℃。
优选的，步骤S5中，所述回火处理的入炉温度为700~750℃。
发明人通过大量试验发现，在进行淬火处理、正火处理和回火处理时，先将空炉烧到所需温度及以上，再装入焊接管件，可以减少焊接管件的复层在敏化温度区的停留时间，进一步保证晶间腐蚀性能。
优选的，步骤S5中，所述淬火处理的保温时间为30~60min。
优选的，步骤S5中，所述正火处理的保温时间为30~60min。
优选的，步骤S5中，所述回火处理的保温时间为60~90min。
示例的，步骤S5中，所述淬火处理、所述正火处理和所述回火处理的保温时间均不小于1.2min/mm，更优选为不小于2.4min/mm。
示例的，步骤S5中，所述淬火处理的冷却过程包括：先将加热后的焊接管件水冷至400~460℃，再空冷至室温。
示例的，步骤S5中，所述正火处理的冷却过程包括：将加热后的焊接管件空冷至室温。
示例的，步骤S5中，所述回火处理的冷却过程包括：将加热后的焊接管件空冷至室温。
示例的，所述双金属复合管件的制备方法还包括：
S6，对所述双金属复合管件进行整型，车削，表面处理，坡口加工和无损检测。
示例的，步骤S6中，所述双金属复合弯头的整型包括端部整型和半径整型，所述双金属复合异径管的整型包括端部整型。
示例的，步骤S6中，所述表面处理包括对所述双金属复合管件的基层进行喷砂，对所述双金属复合管件的复层进行抛光。
示例的，步骤S6中，所述无损检测包括磁粉检测、超声检测、渗透检测和焊缝处的射线检测。
第二方面，本发明提供一种由上述双金属复合管件的制备方法得到的双金属复合管件。
相对于现有技术，本发明提供的双金属复合管件，复层不易鼓包、折皱，同时，晶间腐蚀及机械性能优异，基层的金相组织满足要求。
附图说明
图1为本发明实施例2的双金属复合异径管的复层的金相组织图；
图2为本发明对比例4的双金属复合异径管的复层的金相组织图；
图3为本发明实施例1中正火冷却后的焊接管件的基层的金相组织图；
图4为本发明实施例1的双金属复合弯头的基层的金相组织图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明对双金属复合板材的基层和复层的具体材质不作过多要求，只要基层为合金钢或管线钢，复层为奥氏体不锈钢或镍基不锈钢，均适用于本发明。本发明实施例和对比例采用的双金属复合板材中，基层材质为15CrMoR，复层材质为304L。需要说明的是，淬火的温度、正火的温度和回火的温度均与基层的具体材质相关，本领域技术人员可以根据实际需要在本发明对应的保护范围内进行调整。
为了更好的说明本发明，下面通过实施例做进一步的举例说明。
实施例1
本实施例提供一种双金属复合弯头的制备方法，包括以下步骤：
S1，将复检质量合格的双金属复合板材（双金属复合板材的基层厚度为10mm，复层厚度为3mm，记为10+3）铣边，对接焊缝采用X坡口，卷管，得管坯。
S2，对上述管坯的基层和过渡层依次进行焊接，得焊接管坯。过渡层的焊接厚度为4mm，以基层与复层的接触线为中心，向基层方向偏移3mm，向复层方向偏移1mm。
S3，将上述焊接管坯加热到940℃，放入内腔涂膜石墨的弯头模具中，将保护弯头两端形状的圆柱形金属模具（底面直径略小于双金属复合弯头的焊接管坯）分别放入焊接管坯的两端，施压（终压温度在800℃以上），卸压，上下模分开（并用支杆顶住），得管件毛坯。
S4，清理上述管件毛坯的焊缝部位，对管件毛坯的复层进行焊接，得焊接管件。
S5，空炉烧到950℃，装入上述焊接管件，于950℃进行淬火处理，保温35min，水冷至448℃后空冷至室温。空炉烧到1020℃，装入淬火冷却后的焊接管件，于960℃进行正火处理，保温35min，空冷至室温。空炉烧到730℃，装入正火冷却后的焊接管件，于680℃进行回火处理，保温65min，空冷至室温，得Φ355.6×(8+3)的双金属复合弯头。
需要说明的是，Φ355.6×(8+3)表示双金属复合弯头的外径为355.6mm，基层厚度为8mm，复层厚度为3mm。
实施例2
本实施例提供一种双金属复合异径管的制备方法，包括以下步骤：
S1，将复检质量合格的双金属复合板材（10+3）铣边，对接焊缝采用X坡口，卷管，得管坯。
S2，对上述管坯的基层和过渡层依次进行焊接，得焊接管坯。过渡层的焊接厚度为4mm，以基层与复层的接触线为中心，向基层方向偏移3mm，向复层方向偏移1mm。
S3，将上述焊接管坯加热到930℃，放入内腔涂膜石墨的异径管模具中，施压（终压温度在800℃以上），卸压，上下模分开，用支杆顶出管件毛坯。
S4，清理上述管件毛坯的焊缝部位，对管件毛坯的复层进行焊接，得焊接管件。
S5，空炉烧到960℃，装入上述焊接管件，于955℃进行淬火处理，保温45min，水冷至425℃后空冷至室温。空炉烧到1030℃，装入淬火冷却后的焊接管件，于970℃进行正火处理，保温32min，空冷至室温。空炉烧到720℃，装入正火冷却后的焊接管件，于670℃进行回火处理，保温63min，空冷至室温，得Φ355.6×(9+3)/Φ323.8×(9+3)的双金属复合异径管。
需要说明的是，Φ355.6×(9+3)/Φ323.8×(9+3)表示双金属复合异径管的大头外径为355.6mm，小头外径为Φ323.8，基层厚度为10mm，复层厚度为3mm。
实施例3
本实施例提供一种双金属复合弯头的制备方法，包括以下步骤：
S1，将复检质量合格的双金属复合板材（26+6）铣边，对接焊缝采用X坡口，卷管，得管坯。
S2，对上述管坯的基层和过渡层依次进行焊接，得焊接管坯。过渡层的焊接厚度为5mm，以基层与复层的接触线为中心，向基层方向偏移3mm，向复层方向偏移2mm。
S3，将上述焊接管坯加热到1000℃，放入内腔涂膜石墨的弯头模具中，将保护弯头两端形状的圆柱形金属模具分别放入焊接管坯的两端，施压（终压温度在800℃以上），卸压，上下模分开（并用支杆顶住），得管件毛坯。
S4，清理上述管件毛坯的焊缝部位，对管件毛坯的复层进行焊接，得焊接管件。
S5，空炉烧到970℃，装入上述焊接管件，于970℃进行淬火处理，保温60min，水冷至458℃后空冷至室温。空炉烧到1050℃，装入淬火冷却后的焊接管件，于965℃进行正火处理，保温60min，空冷至室温。空炉烧到750℃，装入正火冷却后的焊接管件，于720℃进行回火处理，保温90min，空冷至室温，得Φ610×(25+6)的双金属复合弯头（对应的口径为DN600）。
实施例4
本实施例提供一种双金属复合异径管的制备方法，包括以下步骤：
S1，将复检质量合格的双金属复合板材（10+2）铣边，对接焊缝采用X坡口，卷管，得管坯。
S2，对上述管坯的基层和过渡层依次进行焊接，得焊接管坯。过渡层的焊接厚度为3mm，以基层与复层的接触线为中心，向基层方向偏移2mm，向复层方向偏移1mm。
S3，将上述焊接管坯加热到850℃，放入内腔涂膜石墨的异径管模具中，施压（终压温度在800℃以上），卸压，上下模分开，用支杆顶出管件毛坯。
S4，清理上述管件毛坯的焊缝部位，对管件毛坯的复层进行焊接，得焊接管件。
S5，空炉烧到930℃，装入上述焊接管件，于930℃进行淬火处理，保温30min，水冷至405℃后空冷至室温。空炉烧到1000℃，装入淬火冷却后的焊接管件，于955℃进行正火处理，保温30min，空冷至室温。空炉烧到700℃，装入正火冷却后的焊接管件，于675℃进行回火处理，保温60min，空冷至室温，得Φ168.3×(9+2)/Φ114.3×(9+2)的双金属复合异径管。
对比例1
本对比例提供一种双金属复合弯头的制备方法，与实施例1相似，包括以下步骤：
S1，同实施例1，不再赘述。
S2，对上述管坯的基层、过渡层和复层依次进行焊接，得焊接管坯。
S3，同实施例1，不再赘述。复层出现鼓包、折皱现象，成型失败。
对比例2
本对比例提供一种双金属复合弯头的制备方法，与实施例1相似，包括以下步骤：
S1~S4，同实施例1，不再赘述。
S5，空炉烧到1050℃，装入上述焊接管件，于1050℃进行淬火处理，保温35min，水冷至450℃后空冷至室温。空炉烧到1020℃，装入淬火冷却后的焊接管件，于960℃进行正火处理，保温35min，空冷至室温。空炉烧到730℃，装入正火冷却后的焊接管件，于680℃进行回火处理，保温65min，空冷至室温，得Φ355.6×(8+3)的双金属复合弯头。
对比例3
本对比例提供一种双金属复合异径管的制备方法，与实施例2相似，包括以下步骤：
S1~S4，同实施例2，不再赘述。
S5，空炉烧到960℃，装入上述焊接管件，于955℃进行淬火处理，保温45min，水冷至422℃后空冷至室温。空炉烧到720℃，装入淬火冷却后的焊接管件，于670℃进行回火处理，保温60min，空冷至室温，得Φ355.6×(10+3)/Φ323.8×(10+3)的双金属复合异径管。
对比例4
本对比例提供一种双金属复合异径管的制备方法，与实施例2相似，包括以下步骤：
S1~S4，同实施例2，不再赘述。
S5，空炉烧到950℃，装入上述焊接管件，于960℃进行正火处理，保温34min，空冷至室温，得Φ355.6×(10+3)/Φ323.8×(10+3)的双金属复合异径管。
性能测试
为了验证双金属复合管件的相应性能，对实施例1~4和对比例1~4的双金属复合管件进行铁素体、硬度和晶间腐蚀测试，测试结果如表1所示。从表1可以看出，本发明实施例提供的双金属复合管件的铁素体含量均在8%以下，基层的硬度均在180HB以下，复层的硬度均在190HB以下，抗拉强度均在450MPa以上，屈服强度均在295MPa以上，伸长率均在19%以上，在10倍放大镜下均未发现有因晶间腐蚀而产生的裂纹，完全符合生产要求。从实施例1~4淬火冷却后的焊接管件的硬度测试结果可以看出，淬火冷却后的焊接管件的基层硬度偏高（部分＞180HB），本发明实施例通过后续的正火处理（高温加热，保温时间短），降低了双金属复合管件的基层硬度，提升了双金属复合管件的整体性能。
与实施例1相比，对比例1先将焊缝（基层、过渡层和复层）全部焊接后，再进行热压成型，由于双金属复合板材的基层和复层材料的强度及延伸率不同，导致成型过程中，基层和复层相互产生应力而没有空间释放，当基层和复层之间的应力大于二者的结合力时，复层产生鼓包，与基层分离，成型失败。
与实施例1相比，对比例2的淬火温度较高，导致双金属复合管件的基层变形量大，氧化皮增多，硬度值相差大、不均匀，虽然各项指标也合格，但是对后续整形工序造成了困难，难以得到外观及机械性能（包括塑性和冲击性）合格的双金属复合管件。
与实施例2相比，对比例3在淬火处理后直接进行了回火处理，结果双金属复合管件的硬度未能达到要求。
分别对实施例2和对比例4的双金属复合异径管的复层进行金相检测，结果如图1~2所示。从图中可以看出，实施例2双金属复合异径管的复层的金相组织为奥氏体，对比例4复层中含有少量马氏体。而对于双金属复合管件的复层（奥氏体不锈钢）而言，奥氏体组织更适合双金属复合管件的工作工况。
表1实施例和对比例的双金属复合管件的性能测试结果
为了进一步验证双金属复合管件的基层的相应性能，对实施例1的正火冷却后的焊接管件和双金属复合弯头的基层进行金相检测和冲击检测，结果如图3~4和表2所示。可以看出，金相组织有细微区别，但是冲击有明显区别，正火冷却后的焊接管件的基层不如双金属复合弯头的基层的冲击性能优良。
表2实施例1的正火冷却后的焊接管件和双金属复合弯头的基层的冲击性能
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双金属复合管件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将双金属复合板材铣边，对接焊缝采用X坡口，卷管，得管坯；所述双金属复合板材包括基层、过渡层和复层；
S2，对所述管坯的基层和过渡层进行焊接，得焊接管坯；
S3，将所述焊接管坯加热，放入模具中，施压，得管件毛坯；
S4，对所述管件毛坯的复层进行焊接，得焊接管件；
S5，将所述焊接管件于930~970℃进行淬火处理，冷却；于920~1010℃进行正火处理，冷却；于650~720℃进行回火处理，冷却，得双金属复合管件；
所述双金属复合管件为双金属复合弯头或双金属复合异径管。
2.如权利要求1所述的双金属复合管件的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述双金属复合板材的基层为合金钢或管线钢，所述双金属复合板材的复层为奥氏体不锈钢或镍基不锈钢。
3.如权利要求1所述的双金属复合管件的制备方法，其特征在于，所述双金属复合管件的口径为DN150~DN700。
4.如权利要求1所述的双金属复合管件的制备方法，其特征在于，所述双金属复合管件的厚度为8~30mm；其中，所述双金属复合管件的基层厚度为6~25mm，所述双金属复合管件的复层厚度为2~6mm。
5.如权利要求1所述的双金属复合管件的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述管坯的过渡层的焊接厚度为3~5mm。
6.如权利要求1所述的双金属复合管件的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述加热的温度为850℃~1000℃，所述施压后的终压温度为800℃以上。
7.如权利要求1所述的双金属复合管件的制备方法，其特征在于，步骤S5中，所述淬火处理的入炉温度为930~970℃，所述淬火处理的保温时间为30~60min。
8.如权利要求1所述的双金属复合管件的制备方法，其特征在于，步骤S5中，所述正火处理的入炉温度为1000~1050℃，所述正火处理的保温时间为30~60min。
9.如权利要求1所述的双金属复合管件的制备方法，其特征在于，步骤S5中，所述回火处理的入炉温度为700~750℃，所述回火处理的保温时间为60~90min。
10.一种双金属复合管件，其特征在于，由权利要求1~9所述的双金属复合管件的制备方法制备得到。
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