CN1748890A - 输送管线用双金属管的制造系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制造双金属管的系统及方法。本发明的一个实施例中的方法，包括将内壳插入外壳中，在没有心轴放入内壳中的情况下，通过拉拔外壳和内壳通过模具对外壳进行缩径处理，从而将外壳和内壳可靠接合。本发明的另一实施例方法，包括将内壳插入外壳中，通过使用至少一个辊子架对外壳定径以对外壳进行缩径处理，而使外壳和内壳可靠接合。

Description

输送管线用双金属管的制造系统及方法

技术领域

本发明总体涉及用于管线、套管及管材系统的耐腐蚀双金属管，特别是涉及一种制造双金属管的经济、高效的系统和方法，以满足不断变化的工业需求。

背景技术

在许多工业应用中，管道用于在高压下运载腐蚀性物质。因此人们长久以来已经认识到需要一种耐用管，它要具有耐腐蚀特性。以前用于制造耐腐蚀管的方法，包括诸如电镀、火焰喷涂、及其他涂敷技术用于涂敷管的内壁。其他一些制造的管子也可完成这些目的，包括复合管和双金属管，这种管带有耐腐蚀合金的内壳，内壳外环绕一种能承受内力和外力的耐用外壳。

由许多方法可以制造这种复合管和双金属管。在一种方法中，内管插入外管中，然后内管膨胀从而与外管的内表面接触。一种方法是，可采用高压水使内管膨胀。另一种方法是加热外管以允许内管插入，然后让外管冷却而收缩，从而在两管之间形成紧配合。这些方法一般需要相对大的装置和设备，遂导致不利的花费。当制造长管子时，由于相关的装置和设备的重量和尺寸常常相对较大并且昂贵，就给管子制造、或长管的制造带来困难。

制造双金属管的其他方法包括在穿过心轴的模具中拉伸管的过程中施行堆焊。堆焊常常耗时又需要另外的机械加工。一种典型的拉制方法包括拉拔一对套管通过模具，其中心轴放置在内管的内径中。由于这种技术需要使用心轴，所以限制了该方法制造双金属管的长度，也限制了可被拉伸的管子的壁厚，和/或提高了成本。

发明内容

根据本发明所描述的用于制造双金属管的系统和方法，可基本上减小如上所述的制造耐腐蚀管的系统和方法的缺点和问题。在一个实施例中，制造双金属管的方法包括：提供一个外壳和内壳，其中外壳的内径大于内壳的外径；将内壳插入外壳中；在内壳中没有放置心轴的情况下，通过拉拔外壳通过模具，其中内壳位于外壳中，外壳被缩径从而与内壳可靠接合。在外壳缩径之后，有些应用可包括将外壳和内壳进行退火处理。

在本发明的另一方面，制造双金属管的方法包括：提供一个外壳和内壳，其中外壳的内径大于内壳的外径；将内壳插入外壳中；然后通过至少一个辊子架对其中放置有内壳的外壳进行定径处理，外壳被缩径从而与内壳可靠接合。

本发明的一个实施例中，制造双金属管的系统包括，尺寸减小流水线，用于对带有外壳和内壳的管子进行定径处理。该系统也包括至少四个辊子架，在基本不减小内壳外径的情况下，对外壳的直径进行缩径处理，以使外壳和内壳可靠接合。对有些应用中，该系统可包括至少四个辊子架，通过可控制地减小该外壳直径以确保在减小了该内壳的外径后使之与内壳相接合。每个辊子架可包括至少两个辊子。

本发明的方法也可用于制造双金属的石油工业用管材(OCTG)，如油管、套管、导杆接头、以及立管。

附图说明

参考结合相应附图对本发明的如下描述，可以更全面地理解本发明及其优点，相同的标记表示类似的特征，附图中：

图1A是内壳和外壳部分被截断的立体图，其中内壳和外壳用于形成根据本发明的双金属管；

图1B是根据本发明的方法所形成的双金属管的立体图，其中部分被截断；

图2是用于制造根据本发明的双金属管的系统的一个实例示意图，其中部分被截断；

图3A和3B是根据本发明的辊子的另一种可替代配置示意图；

图4A到4D是用于制造根据本发明的双金属管的系统的其他实例示意图，其中部分被截断；

图5是使用未带心轴的模具制造双金属管的方法的流程图；以及

图6使用至少一个辊子架制造双金属管的方法的流程图。

具体实施方式

参考图1A-6将会更好地理解本发明的优选实施例及其优点，其中相同的标记表示相同或类似的部件。

本发明涉及一种有效制造双金属管的系统和方法，从而满足广大的工业需求。根据计划用途，可以制出双金属管满足多种工业需求。例如，一种在高压下传输物质的管线，就需要满足美国石油组织(API)的一定要求和性能规定。同时也要求这种管线在传输物质时不被所传输的物质所腐蚀。这取决于每一种物质，例如，井液或烃混合物，有多种耐腐蚀合金(CRA)适合用于各种井液和烃混合物。本发明可以使用任何CRA管作为双金属管线及双金属石油工业用管材的衬里。

在有些应用中，由诸如钢合金等硬金属所形成的外壳用于保护由诸如铝合金等软金属所形成的内壳。依赖于特殊应用，这种结合也可归入作为CRA管或油管。本发明可快速而有效地制造带有合适CRA衬里的线管、套管或管道。

该方法首先提供外壳12和内壳14(见图1A)。外壳12是一个具有要求的外径18、内径16、长度17的管。外壳12优选地由能承受内部流体压力的耐用材料制成。外壳12也需要有足够的强度以承受外力。在一个实施例中，外壳12具有大致均匀的壁厚。

对于有些应用，外壳12可使用电阻焊(ERW)技术形成。ERW技术可提高壁厚的质量控制，并可将材料缺陷减小到最小。与由无缝钢管所制造的双金属管相比，ERW管固有的均匀壁厚的特性可用于制造根据本发明的双金属管，从而获得较好的性能特性。例如，外壳12为ERW管的双金属管具有较好的尺寸控制。然而，无缝钢管也可用于形成根据本发明的双金属管。

在一个实施例中，外壳12可包括API管线。在另一实施例中，外壳12可为套管或管材。外壳12的内径16通常大于内壳14的外径20。在有些应用中，外壳12的外径18大约为20英寸或更小。

按双金属管最后使用的目的，内壳14可由具有特种耐腐蚀合金制成。内壳14可为工业标准CRA管，以满足最后双金属管或管道期望的应用。外壳12也可以是由耐腐蚀金属或合金形成。内壳14可由具有其他理想特性的，如重量轻或强度高的材料形成。

CRA管可包含大范围的耐腐蚀金属和合金，包括但并不局限于下面的金属和合金：钛、铬、铁、镍、铜、锌、钼、及其组合物。具有由耐腐蚀材料形成的内壳14的双金属管10可允许传输腐蚀和有潜在危害的物质。

内壳14的外径20或外部优选地与外壳12的内径16或内部相配合。如图1A所示，内壳14位于或套于外壳12中。由于内壳14的外径20小于外壳12的内径16，因此在内壳14和外壳12之间存在有环形的间隙26。不同的技术结合本发明的教导可使外壳12缩径。外壳12的直径16和18最好缩小到使得内径16与内壳14的外径20可靠地接合，消除环形间隙26，结果形成如图1B所示的双金属管10。

图2示出了用于制造双金属管10的一个系统，定径机38。定径机38包括用于双金属管10的尺寸减小流水线42。尺寸减小流水线42为减小双金属管10的外壳12的直径16和18提供了通路。双金属管10在尺寸减小流水线42上沿方向56穿行，这里所示为由左向右移动。

定径机38也可包括至少四个辊子架44a-d，这些辊子架沿尺寸减小流水线42排列，用于减小外壳12的直径16和18。每个辊子架44a包括至少两个辊子46a和46b。图示的实施例中每个辊子架44包括四个辊子46a-d。辊子架44可包括用于调节辊子46的螺杆系统和液压系统。螺杆系统使用基本的螺旋原理来调节相关联的辊子之间的距离。液压系统使用流体压力来调节相互关联的辊子之间的距离。

辊子46包括用于形成，如外壳12的ERW管的辊子。使用与定径辊和成形辊相同的辊子46可允许本发明的实施例有效利用现有的轧机设备来制造双金属管10。

图3A显示了辊子架44a中辊子的详细配置，其中该辊子架44a配置有四个辊子46a-d。图3B显示了每个辊子架44配置有三个辊子(60a-c)的实施例。其他实施例中每个辊子架44可包括多于四个的辊子。在本发明的某些典型实施例中，辊子46a-d可以是动力辊子。动力辊子带有驱动机构，可使双金属管10在尺寸减小流水线42上沿方向56移动。在某些实施例中，只有辊子46a和46b为动力辊子，而辊子46c和46d没有动力。

在图示实施例中，定径机38包括八个辊子架44a-44h。在一个实施例中，定径机38可包括四到十六个辊子架44。在另一实施例中，系统38可包括六个辊子架44。在另一实施例中，系统38可包括十六个辊子架44。

图4A-4D显示了使用模具72制造双金属管10的不同系统，其中未使用心轴。图4A显示了外壳12和内壳14的“压轧”或“型锻”部分。在本发明的某些典型实施例中，外壳12和内壳14被型锻在一起，从而形成锻成端77。型锻通常伴随压紧外壳12的一个部分，从而使外壳12与内壳14形成可靠的接合。然而，对本领域的技术人员，在参考本发明公开内容的情况下，会想到还有其他适合的方法以接合外壳12的锻成部。

图4C显示了通过使用模具72拉伸外壳12和内壳14来制造双金属管10的系统75，其中未使用心轴。心轴通常是插入管中如内壳14中的金属棒，从而确保内壳14的内径22。在本发明的实施例中，拉拔过程中不需要心轴。

在本发明的一个实施例中，在外壳12和内壳14部分彼此型锻在一起后，夹具70a和70b拉拔外壳12和内壳14通过模具72。图4C显示了夹具70a和70b与外壳12的锻成端76可靠地接合。夹具70a和70b沿方向74拉拔外壳12和内壳14通过模具72，其中没有使用心轴。模具72为带有开口的金属块，当拉拔通过模具时，能够减小外壳12的直径16和18。不同种类的商用模具可满足该用途。模具72可在没有对内壳14的直径20和22产生任何变化的情况下，对外壳12缩径，使外壳12与内壳14形成可靠的接合，从而形成双金属管10。在本发明的某些典型实施例中，外壳12和内壳14被冷拔通过模具72。

在有些情况下，锻成端76足够长以插入穿过模具72，使得夹具70a和70b可环绕配合于锻成端76，如图4C所示。在其他实施例中，长夹具(未清楚示出)可延伸穿过模具72，以与锻成端76环绕配合。在任何一种情况下，夹具70a和70b都可用于沿线74拉拔双金属管10通过模具72。

该实施例描述了被拉拔通过模具72的双金属管10。然而，在其他实例中，双金属管可被顶压通过模具72，例如通过顶管机操作(未清楚示出)。除了使用辊子架，拉拔或推压双金属管10使之通过模具72可示出一些冷作减径管子的例子。

随着双金属管10移动通过模具72，外壳12朝向内壳14变形。一般来说，外壳12接合内壳并使内壳14变形。在有些实施例中，内壳14的变形优选地为弹性变形。内壳14一般是变形或缩减为其原始壁厚的大约一半，这约为内壳14弹性极限的估计值。然而，在有些情况下，内壳14除经受弹性变形外，还要经受一些塑性变形。

无论如何，内壳14的变形仍然保持一些弹性变形，从而产生一种残余弹性。这种残余弹性未允许内壳14“回弹”到其原始形状，但还受到外壳12的限制。由于残余弹性而导致的内壳14对外壳12的最终的力使两壳体挤压在一起。该力为双金属管10的内壳14和外壳12之间提供了强大的机械结合或接合。

在缩径或冷定径过程中，外壳12相对于内壳14通常被拉长。由于这种拉长，外壳12会从一开始就比内壳短些。但在定径过程之后，与锻成端76相对的内壳14和外壳12的一端趋向大致相等。因此，移去锻成端76后，内壳14和外壳12沿双金属管10的长度方向上是相等的。

一般说来，与双金属管10的其他部分相比，锻成端76通常被挤压为较小的直径。为了生成具有一致尺寸的管子，锻成端76通常要从双金属管10上被移去或裁切掉，成为废料。

为了避免浪费较为昂贵的内壳14的大部分，内壳14和外壳12的端部通常被偏开并冷锻成如图4B所示的那样。偏开的锻成端77通常作得将内壳14拉进至外壳12的里面来，这样被挤压或锻成的部分就主要是外壳12了。内壳14被放置在偏开的锻成端77的最里面，从而允许内壳14部分变形，使得内壳14和外壳12在偏开的锻成端77充分地连接在一起。

一经被冷锻后，双金属管10可在如图4D所示的拉模78中被冷作定径。例如，偏开的锻成端77被夹具70a和70b夹住，并被拉出通过模具72。一旦通过了拉模或其他的冷作定径过程，偏开的锻成端77可从双金属管10上被移去，这样被移去的大部分材料是外壳12。与锻成端76相比，偏开的锻成端77的移去仅仅导致小部分的内壳14被移去或浪费。在有些情况下，形成每根双金属管10，偏开的锻成端77的使用可节约5％的内壳14。

图5显示了本发明中使用模具72制造双金属管10的方法流程图，其中未使用心轴。该方法开始于步骤80，该步骤中内壳14插入外壳12中。一旦内壳14位于外壳12中，就进入到步骤82，在该步骤中内壳14和外壳12可被“压轧”或“型锻”在一起。型锻可防止内壳14从外壳12中脱出。

内壳14和外壳12被型锻在一起后，方法进入到步骤84。在步骤84中，夹具70a和70b咬合内壳14和/或外壳12。

在步骤86中，外壳12和内壳14被拉拔通过模具72，以缩径外壳12，从而使外壳12与内壳14可靠接合，其中未使用心轴。在一个实施例中，夹具70a和70b沿方向74拉拔外壳12和内壳14通过模具72。该步骤不需要心轴来保持内壳14的内径22。

在本发明的一个实施例中，外壳12的直径16和18的缩径处理可包括冷拔通过模具72，其中未使用心轴。冷拔外壳12包括在低温下加工金属(通常室温下)。步骤86之后就制成了双金属管10。

步骤88中，双金属管10的制造者可决定是否对双金属管10进行退火。如果双金属管10的制造者决定不进行退火，则方法进入到步骤92，该步骤中双金属管10准备投入使用。

如果双金属管10的制造者决定要施行退火，则方法进入到步骤90，该步骤中双金属管10被进行退火处理。退火双金属管10通常包括将外壳12和内壳14加热到一指定温度，并加热足够的时间，然后冷却管子。退火双金属管10需要考虑外壳12和内壳14不同的热膨胀特性。退火处理可消除拉伸管子中的残余应力。在本发明的一个实施例中，对外壳12和内壳14进行退火处理不会使被此以化学方式或冶金学方式结合在一起。退火完成之后，该方法进入到步骤92，其中双金属管10准备投入使用。

图6显示了使用至少一个辊子架44制造双金属管10的方法。方法开始于步骤100，在步骤100中，内壳14插入外壳12中，外壳12和内壳14部分被型锻在一起，或彼此连接在一起。一旦内壳14位于外壳12中，就进入到步骤102。

在步骤102中，至少用一个辊子架44对外壳12进行缩径处理，从而将外壳12与内壳14可靠接合在一起。通过将外壳12通过辊子架44，外壳12和内壳14之间的环形间隙26减小。定径机38可有多个辊子架44。在本发明的一个实施例中，定径机38可包括至少四个辊子架44。在典型实施例中，定径机38可包括六个辊子架44。在另一实施例中，定径机38可包括四到十六个辊子架44。步骤102之后就制成了双金属管10。

方法进入到步骤104，在步骤104中，双金属管10的制造者必须决定是否对双金属管10施行退火。如果双金属管10的制造者决定不施行退火，则方法进入到步骤108，其中双金属管10准备投入使用。

如果双金属管10的制造者决定要施行退火，则方法进入到步骤106，其中要进行同图5所示的步骤90一样的退火处理。然后方法进入到步骤108，该步骤中双金属管10准备投入使用。

前面描述的方法可用于制造管线、套管、管材及其它用到双金属管的其它应用方面。管线通常用于石油、天然气、及其他流体的水陆传输。套管或井壁套管通常用于油井或天然气井的结构防护。套管用于防止地下水周围及井本身的污染。套管优选地可以延长井的寿命，并当井被堵塞或废弃不用时通常不拆除。管材一般是指石油工业用管型材料(OCTG)及石化应用。OCTG是一种标签，通常加到被石油勘控业者用的管类产品，如管材和套管。当提及OCTG时，管材则是将油气引导到地表的加有套管用的一种单独的管子。在一口井的工作寿命中，按环境状况和井的寿命，管材可能必须更换。当涉及石化应用时，管材是指在石化工厂中传输化学物质的管路。以上所列举的这些应用都是根据本发明的方法制造的双金属管10的潜在应用。以上所述并不限制根据本发明所制造的双金属管10的其他潜在应用。

从本发明上述的描述和相应的附图中，本领域技术人员可以想到本发明的多种变型和其他实施例。因此，应该知道本发明并不局限于公开的特定实施例，其他变型和实施例也应落在本发明权利要求的保护范围中。尽管这里使用了特定术语，但它们只是从一般的和说明的意义上被使用的，并没有限制的意图。

Claims (49)

1、一种制造双金属管的方法，包括下列步骤：

提供外壳和内壳，其中外壳的内径大于内壳的外径；

将内壳插入外壳中；

通过拉拔外壳和内壳通过模具，以对外壳进行缩径处理，使外壳与内壳可靠接合，其中内壳中没有放置心轴。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括对外壳和内壳进行退火处理。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括对外壳和内壳进行退火处理，且外壳和内壳之间不形成化学方式的结合。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过拉拔外壳和内壳通过模具，以对外壳进行缩径处理，使外壳与内壳可靠接合的步骤包括冷拉外壳和内壳通过模具。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于外壳包括管线。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于外壳包括套管。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于外壳包括管材。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括由电阻焊管形成外壳。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括形成带有均匀壁厚的外壳。

10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括形成的外壳其外径为20英寸或更小。

11、根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括由耐腐蚀合金形成内壳。

12、根据权利要求1所述的方法，其特征在于对外壳进行缩径处理，使外壳与内壳可靠接合的步骤还包括使内壳变形到其壁厚一半。

13、根据权利要求1所述的方法，其特征在于对外壳进行缩径处理，使外壳与内壳可靠接合的步骤还包括使内壳变形到接近其弹性极限。

15、根据权利要求1所述的方法，其特征在于对外壳进行缩径处理，使其外壳与内壳可靠接合的步骤还包括在内壳中产生残余弹性。

16、根据权利要求15所述的方法，其特征在于还包括利用该残余弹性将内壳紧压于外壳上，从而形成强有力的机械方式的结合。

17、根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括将内壳的端部与外壳的端部型锻在一起。

18、根据权利要求17所述的方法，其特征在于型锻还包括在型锻前将内壳的端部与外壳的端部大致对齐。

19、根据权利要求17所述的方法，其特征在于型锻包括产生一个偏开的锻成端，使得内壳的端部与外壳的端部偏离。

20、一种制造双金属管的方法，包括下列步骤：

提供一个外壳和一个内壳，其中外壳的内径大于内壳的外径；

将内壳插入外壳中；

通过使用至少一个辊子架定径外壳，以对外壳进行缩径处理，使外壳与内壳可靠接合。

21、根据权利要求20的方法，其特征在于对外壳进行缩径处理，使外壳与内壳形成可靠接合的步骤还包括使用多于四个的辊子架对外壳进行定径处理。

22、根据权利要求20的方法，其特征在于对外壳进行缩径处理，使外壳与内壳形成可靠接合的步骤还包括使用六个辊子架对外壳进行定径处理。

23、根据权利要求20的方法，其特征在于对外壳进行缩径处理，使外壳与内壳形成可靠接合的步骤还包括使用十六个辊子架对外壳进行定径处理。

24、根据权利要求20的方法，其特征在于对外壳进行缩径处理，使外壳与内壳形成可靠接合的步骤还包括使用四到十六个辊子架对外壳进行定径处理。

25、根据权利要求20的方法，其特征在于还包括对外壳和内壳进行退火处理。

26、根据权利要求20的方法，其特征在于还包括对外壳和内壳进行退火处理，且外壳和内壳之间不形成化学方式的结合。

27、根据权利要求20的方法，其特征在于外壳包括管线。

28、根据权利要求20的方法，其特征在于外壳包括套管。

29、根据权利要求20的方法，其特征在于外壳包括管材。

30、根据权利要求20的方法，其特征在于还包括由电阻焊管形成外壳。

31、根据权利要求20的方法，其特征在于还包括形成带有均匀壁厚的外壳。

32、根据权利要求20的方法，其特征在于还包括形成的外壳其外径为20英寸或更小。

33、根据权利要求20的方法，其特征在于还包括由耐腐蚀合金形成内壳。

34、根据权利要求20的方法，其特征在于对外壳进行缩径处理，使其与内壳形成可靠接合的步骤还包括使内壳变形到接近其弹性极限。

35、根据权利要求20的方法，其特征在于对外壳进行缩径处理，使其与内壳形成可靠接合的步骤还包括在内壳中引起一种残余弹性。

36、根据权利要求35的方法，其特征在于还包括利用该残余弹性将内壳紧压于外壳上，从而形成一种强有力的机械方式的结合。

37、根据权利要求20的方法，其特征在于还包括将内壳的端部与外壳的端部型锻在一起。

38、根据权利要求37的方法，其特征在于型锻还包括在型锻前将该内壳的端部与外壳的端部大致对齐。

39、根据权利要求37的方法，其特征在于型锻包括产生一个偏开的锻成端，使得该内壳的端部与外壳的端部偏离。

40、一种用于制造双金属管的系统，包括：

一种用于对管子进行定径处理的尺寸减小流水线；

至少四个辊子架，所述的辊子架可操作地定径外壳的外径，使外壳和内壳可靠接合；以及

每个辊子架至少包括两个辊子。

41、根据权利要求40所述的系统，其特征在于还包括十六个辊子架。

42、根据权利要求40所述的系统，其特征在于还包括六个辊子架。

43、根据权利要求40所述的系统，其特征在于还包括多于四个少于十六个辊子架。

44、根据权利要求40所述的系统，其特征在于外壳包括管线。

45、根据权利要求40所述的系统，其特征在于外壳包括套管。

46、根据权利要求40所述的系统，其特征在于外壳包括管材。

47、根据权利要求40所述的系统，其特征在于外壳包括电阻焊管。

48、根据权利要求40所述的系统，其特征在于外壳的壁厚均匀。

49、根据权利要求40所述的系统，其特征在于外壳的外径为20英寸或更小。

50、根据权利要求40所述的系统，其特征在于内壳包括耐腐蚀合金。

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