JP2005506200A - クラッドパイプおよびチューブを製造するための複合ビレットおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
(発明の背景)
本発明は、クラッドパイプおよびチューブに関し、より詳細には、クラッドパイプおよびチューブ製造に用いられる複合ビレットおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
シームレスクラッドパイプおよびチューブの製法の1種として、押出プレス中の高温の複合ビレットを同時熱押出する方法がある。他のシームレスのパイプおよびチューブの一般的な製造技術。円筒型押し出しビレットは、外側(または内側)が炭素材料または低合金材料で構成され、内側(または外側)が耐食合金(「CRA」)で構成された複合物である。最終製品において可能な寸法、厚みおよび合金の組み合わせの範囲は、使用される複合ビレットの性質および製法によって限定される。
【0003】
Osbornによる米国特許第5,988,484号(本明細書中、同特許の開示内容を参考のため援用する)に記載のビレット製造法の一例において、出発CRAおよび炭素鋼(「CS」)シリンダを事前計算された寸法になるまで機械加工し、締まりばめが正確になるようにする。CS外側シリンダが加熱されると、CS外側シリンダは接触面位置において膨張し、その結果、隙間およびクリアランスが生じて、CS外側シリンダはCRA内側シリンダ上でスリップするようになる。アセンブリが室温まで冷却されると、炭素鋼は収縮し、その結果、CRA内側シリンダとの締まりばめが生じる。
【0004】
外径またはODクラッドパイプ製品についての記載がある別のクラッディング法が、Sponsellerによる米国特許第5,558,150号(本明細書中、同特許の記載内容を参考のため援用する)に開示されている。この方法では、クラッド材料およびサポート材料双方を順次遠心鋳造して、複合ビレットを形成する。形成された複合ビレットでは、CRA材料の周囲をサポート材料が縁取り、これら2つの材料間の結合部は生じない。Sponsellerにおいてより詳細に記載されているように、同方法では、サポート層およびクラッド層を順次注入する際の温度および時間間隔を厳密に制御することにより、これら2層間の冶金結合および相互拡散を抑制するようにしている。
【0005】
これらの製法には、いくつか欠点があることが分かっている。例えば、熱押し出しを行うために複合ビレットが加熱されている間、サポート炭素鋼ビレット材料およびCRAクラッディング材料が異なった様態で(すなわち異なった速度で)成長するかまたは膨張し、その結果、これら材料間の接触面が開口する可能性がある。その理由は、これら材料が互いに冶金的結合されているのではなく、単に締まりばめまたは機械的ライニングされているだけだからである。そのため、CS材料およびCRA材料が互いから独立して押し出される傾向になると、押し出し工程が失敗する可能性がある。このような可能性は、高温熱膨張特性差および機械的特性差の大きい2種類の材料から複合ビレットを製造する場合、特に顕著になる。サポート材料とクラッド材料との間の押し出し温度での機械的特性差が特定の限度を超えると、複合ビレットの押し出し工程が失敗する率は劇的に高くなる。このように、複合ビレット中のサポート材料とクラッド材料との間の冶金結合は、押し出し工程の成功率を実質的に高めるものとなっている。
【0006】
そのため、複合ビレットおよびその製法を改善する必要がある。すなわち、公知方法の欠陥および失敗を解消し、クラッドパイプおよびチューブを作製するための高品質複合ビレットを製造するためのビレットおよびその製法が望まれている。より詳細には、このような方法は、多種多様なベース材料および合金に用いることが可能であり、その際、ベース材料またはクラッド合金の特定および特徴に悪影響を与えない。
【特許文献1】
米国特許第5,988,484号
【特許文献2】
米国特許第5,558,150号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
(発明の簡単な要旨)
複合ビレットの製法は、簡単かつ別個の工程を用いて出発コンポーネントを製造し、複合ビレットを組み立て、その後、さらに熱間等静圧圧縮成形(HIP)工程を通じて、ビレット接触面に高温冶金結合(HTMB)を生じさせ、次に押し出し工程を行うことを企図する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
外側サポートビレットは、中空(好適には円筒型)部位の製造が可能な技術であれば任意の技術で形成可能である。また、外側サポートビレットは、中空インゴットあるいは穿孔済みインゴット、当該インゴットからの鍛造部位、アプセット部位、押し出し部位またはリング・ローリング部位、または遠心鋳造からも形成することが可能である。一般的には、このような円筒型部位の必要な肉厚および長さを製造するための最も低コストな方法は、用途に応じて選択される。鍛造部位は重視しなくてよい。というのも、クラッドパイプ製造工程の間にさらに押し出されることにより、鋳造微細構造はさらに強固になるからである。このサポート部位は、複合ビレット組立用に必要なサポート材料の適切な寸法になるまで、機械加工などによって最終加工される。
【0009】
同様に、複合ビレット製造の際にサポートシリンダの内側面にはめ込まれるCRAシリンダも様々な技術によって形成可能であり、中空あるいは穿孔済みのインゴットあるいは棒、押し出し部位、または遠心鋳造から形成可能である。ここでも、このCRA円筒型部位の必要肉厚および長さを製造するのにもっとも低コストな方法が用いられる。この部位も押し出し工程によってさらに強固になるため、鍛造微細構造部位は重視しなくてもよい。このCRA部位は、サポート炭素または低合金シリンダ内側のわずかなクリアランスに適合するように(機械加工などにより)最終加工される。
【0010】
押し出しクラッドパイプまたは押し出しチューブの寸法を制御する方法は、寸法が正確なサポートビレットおよびCRAビレットを提供する工程と、複合ビレット形成の際に所定量のベースおよびクラッド材料を提供して、当該クラッド材料とサポートビレットとの間の冶金結合を得る工程とを含む。クラッド材料の所定量は、押し出しパイプまたは押し出しチューブの所望の内径または外径に基づいて決定される。複合ビレットは、正確な所定の内側寸法および外側寸法になるまで(機械加工などにより)最終加工され、複合ビレットは押し出される。
【0011】
理論にとらわれずに言えば、サポートビレットとCRAとの間に冶金結合があると、その後のクラッドチューブ製品またはパイプ製品中へのサポートビレット熱押し出し工程の間、サポートビレットのクラッディング材料からの分離が悪くなると考えられている。このような冶金結合が無い場合、高温引張り特性および膨張率が異なることの多いクラッド材料およびサポート材料は、異なる様態で膨張する場合がある。その場合、これら材料間の接触面は開口し、押し出し工程は失敗する。場合によっては、クラッド材料およびサポート材料は互いに独立して押し出され、その結果押し出し工程が失敗することもある。このような失敗は、同時押し出しを受けている2種類の材料の高温引張り特性に差が有る場合(例えば、炭素鋼サポートおよびCRAが高温応力を得るために多量のニッケルおよび他の合金化要素を含む場合)、特に顕著に現れる。
【発明の効果】
【0012】
本方法は、複合ビレット形成の際にクラッド材料とサポート材料との間の冶金的結合を得ることにより、公知の複合ビレット形成方法の欠陥を解消する。本発明ではまた、クラッド材料からサポート材料への(またはその逆方向の)合金化要素の混入およびピックアップを回避し、また、第二段階における沈殿およびサポート材料およびクラッド材料の接触面の欠陥も回避する。本発明ではまた、広範囲のクラッド材料およびサポート材料を用いることが可能であるため、クラッドパイプおよびチューブの形成法を経済的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
上記および他の本発明の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付の特許請求の範囲とともに読めば明らかとなる。
【0014】
当業者によって、本発明の利点および有利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照すればより容易に明らかとなる。
【0015】
(発明の詳細な説明)
本発明では様々な形態の実施形態が可能であるが、現在において好適な実施形態を下記および図面において示す。この好適な実施形態は、あくまで本発明の例示であり、本発明をこの記載の特定の実施形態に限定することを意図したものではないことが理解される。また、本明細書のこの部分のタイトル(すなわち「発明の詳細な説明」)は、米国特許庁の要件に関連するものであって、本明細書中に開示された内容を限定することを暗示あるいは推測させるものではないことも理解される。
【0016】
図面(より詳細には図1)を参照して、円筒型サポートビレット2が示されている。この円筒型サポートビレット2は、例えば金属インゴット、鍛造、押し出しまたは遠心鋳造から形成され、正確な寸法になるまで(機械加工などにより)最終加工される。このサポートビレットは、内面4および外面6を有し、(例えば、金属インゴットまたはビンゴット(bingot)を加熱し、円筒型の中央部を打ち出すかまたは穿孔することにより)金属インゴットまたはビンゴット(bingot)の中央部位を除去することにより、形成される。その後、円筒型サポートビレット2の内面4および外面6はそれぞれ機械加工が可能となり、これにより最終サポートビレットの同心度および寸法が確実に得られる。サポートビレットは様々な材料(例えば、炭素鋼、炭素マンガン鋼、低合金鋼、クロムモリ(chrome-moly)鋼、ハイイールドグレード(high yield grade)鋼、高張力低合金鋼)から形成することができる。ビレットの寸法は、熱押し出し対象となる最終複合ビレットの寸法に応じて変更される。
【0017】
図面(より詳細には図2)を参照して、円筒型CRAビレット7が示されている。この円筒型CRAビレット7は、例えば金属インゴット、鍛造、押し出しまたは遠心鋳造から形成され、正確な寸法になるまで(機械加工などにより)最終加工される。このCRAビレットは、外面8および内面9を有し、(例えばインゴットを加熱し、円筒型の中央部を棒から打ち出し、押し出すかまたは穿孔することにより)金属インゴットまたは棒の中央部位を除去することにより、形成可能である。その後、円筒型CRAビレット7の外側8および内面9はそれぞれ(機械加工などによる)最終加工が可能となり、これによりアセンブリ対象の最終複合ビレット寸法に必要な同心度および寸法が確実に得られる。
【0018】
CRAビレット7は、様々な耐食合金((例えば、ステンレススチール(例えば、オーステナイトステンレススチール、スーパーオーステナイトステンレススチール、二相ステンレススチール、フェライトステンレススチールおよびマルテンサイトステンレススチール)、クロム含有鉄−ニッケルベース合金(例えば、UNS08825、クロム含有ニッケルベース合金、コバルトベース合金、ニッケル−コバルトベース合金、耐熱/耐食クロム含有ニッケルベース、鉄/ニッケルベース合金)、Incoloy 825、様々なニッケルベース合金(例えば、ニッケル200、Monel 400、Inconel 625およびHastelloy C276(これらの合金は、Special Metals Inc.(Huntington、West Virginia)およびHaynes International、Inc.(Kokomo、Indiana)から市販されている))、ならびに特にこれらに対応するジェネリック合金および他の中間合金))から形成可能である。当業者であれば、他にも様々なクラッディング材料を想起し、例えば、耐食処理合金も使用可能である。
【0019】
本方法を実施するにあたり、CRAビレット7をサポートビレット2内側にスリップさせ、その後、エンドカバー14を溶接することによりこれら2つの開口接触面端12をシーリングすることにより、これら2つのシリンダ間の接触面(概して「10」によって示す)を酸化(例えば、スケール形成および結合に対するバリア生成)から保護する。接触面10の隙間容積を真空状態にして残留酸素を除去し、ビレット1を加熱して熱間等静圧圧縮成形を行う。
【0020】
HIPを行っている間、アセンブリ全体(すなわちビレット1)を所定時間にわたって所定温度に放置し、その間、オートクレーブHIP容器中に同時に高圧を与える。このように高温で均一な高圧(等静圧)を付加すると、サポートビレット2の内面4は、高温拡散接合によりCRAシリンダ7の外面8と結合する。CRAクラッディング合金ビレット7がサポート炭素鋼ビレット内面4に熱等静圧的に圧縮成形されることにより、同時組立された(as-assembled)複合ビレット1は、冶金結合された接触面を有するようになる。上記所定温度および所定時間は、選択されたクラッド材料およびベース材料の特性に基づいて決定される。現行の付加工程(current application)において、肉厚の異なるAPI5L、Grade X65および高グレードのベース材料をAlloy 825クラッディングと結合させ、その際のHIPサイクルは、約15,000psiの圧力および約2000°Fの温度で少なくともおよそ2〜24時間にわたって行われる。
【0021】
HIP工程の後、複合ビレット1を冷却し、エンドキャップ14を切断し、サポートビレット2の材料表面の外面6上において複合ビレットを(機械加工などにより)最終加工する。内側クラッディング材料表面9も、押し出しビレット22の所望寸法が得られるまで(機械加工などにより)最終加工する。
【0022】
ここで図4を参照して、その後、複合(押し出し)ビレット22を押し出して、クラッドパイプ部位を形成する様子が示されている。クラッドパイプ部位を押し出す際、複合押し出しビレット22を所定押し出し温度になるまで(線24にて示すように)加熱する。この炉中の所定押し出し温度は材料によって異なり、一般的には2000°F〜2200°Fである。その後、加熱された複合押し出しビレットを押出プレス28に移動させる。押出プレス28において、押し出しライナーまたはカン27の内側にビレットを配置し、ビレットを押し出しラム29と接触させる。
【0023】
マンドレル26は、クラッドパイプ部位の所望の内径が得られるように適切に寸法決めされ、加熱後の複合押し出しビレット22の穴中に配置され、前記ビレットは、前記押出プレス28のダイ30およびマンドレル26開口部を通じて押し出される。加熱後の複合押し出しビレット22の熱押し出し工程の間、冶金結合されたサポート材料およびクラッディング材料は、ダイ30およびマンドレル26開口部ならびに押し出しプロセスの他の設計パラメータに比例して押し出される。熱押し出しプロセスにおいては、高温(一般的にはおよそ2000°F〜およそ2200°F)において高圧が付加される。熱間等静圧圧縮成形プロセスの間に形成される冶金結合は、クラッドパイプ製造のための熱押し出しプロセスの間、下記点においてさらに改善される。すなわち、HIPプロセスが行われている間に結合が得られない可能性のあるクラッド材料およびサポートビレット間の局部が回復(heal)し、サポート材料およびクラッディング材料間の接触面結合が向上する。
【0024】
押し出し工程用に設計された外側寸法および内側寸法を有する機械加工された複合押し出しビレット22を用いることにより、サポート材料のクラッディング材料に対する厚み比のばらつきが実質的になくなる。このプロセスにより、接触面寸法およびベース材料およびクラッディングに必要な特定肉厚の制御が可能となる。このような可能性は、サポート材料およびクラッディング材料が受容可能な製品となるために最終パイプが最小の厚みを満たさなければならない場合において、特に有意義である。複合ビレット22中のこれら2つのコンポーネントの厚みを適切にすれば、最終製品中のサポート材料およびクラッド材料の肉厚も確実に適切な厚さとなる。
【0025】
ここで図5を参照して、本発明の原理に従って製造された複合ビレット22から形成された最終クラッドパイプ部位32が示されている。このクラッドパイプ部位は、外側サポート表面34および内側クラッド表面36を含む。この実施形態において、外側サポート表面34はサポート(すなわち、応力および圧力バウンダリー)を提供し、一方、内側チューブ36は、移動流体に対する耐食または耐食処理流体接触面バリアまたはバウンダリーを提供する。
【0026】
その後、押し出されたクラッドパイプ部位に対し、さらに熱処理、外面および内面の吹き付け洗浄、超音波試験を行い、生成された結合部の品質を確認し、押し出し工程の間に発生した可能性のある欠陥を全て検出する。標準的な超音波試験技術を用いて、結合部の品質を確認し、クラッドパイプ部位中の全欠陥候補を検出する事が可能である。典型的には、材料サンプルを取ってきて、機械的特性および化学的特性について試験する。
【0027】
複合ビレット101の別の製造方法において、第3の肉薄の炭素鋼シリンダ140をCRAシリンダ中に挿入する。図6に示すように、挿入後、エンドキャップ114は、(概して42および44にて示すように)それぞれ外側炭素鋼サポートシリンダ102と第3の内側炭素鋼シリンダ140との間において溶接される。その結果、炭素鋼サポートシリンダ102および内側CRAシリンダ107に関する溶接による問題が発生する可能性が低減し、これにより、酸素を抜くための漏れ止め溶接部42および44が増加または向上する。これは、複合ビレット101製造において溶接が困難な材料でできたCRAシリンダ107を用いる場合、特に有用である。
【0028】
複合ビレット101の生成においてこのような第3のCSシリンダ140を用いる場合、必要なCRA107内径面が得られるまで(機械加工などによって)内側CSシリンダ140を最終加工して、HIP対象のビレット101を準備する。HIP後は、内側CSシリンダ140を除去して、複合ビレットの押し出しを行う。
【0029】
本開示において、「a」または「an」といった言葉は単数および複数どちらも含むものとして理解されるべきである。逆に、複数の事物に関する言及も(適切な場合は)単数を含むものとして理解されるべきである。
【0030】
上記から、多数の改変および変更が本発明の精神および範囲から逸脱することなく実施可能であることが理解される。記載の特定の実施形態について、いかなる限定も暗示または推測されるべきではないことが理解される。添付の特許請求の範囲により、本開示は、このような改変全てを特許請求の範囲内に収まるものとして含むことを意図する。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】図1は、複合ビレット中に組み立てられる前の状態のサポートビレットの部分断面図を示す。
【図2】図2は、複合ビレット中に組み立てられる前の状態のCRAビレットの部分断面図を示す。
【図3】図3は、複合ビレットの接触面を示し、接触面は気密状態を得るためのエンドキャップでシーリングされている。
【図4】図4は、HIP後の複合ビレットが押出プレスを通じて熱押し出し工程を受けている様子の部分断面図である。
【図5】図5は、クラッドパイプの最終製品を示す。
【図6】図6は、複合ビレットの別の製法を示す。この方法では、CRAクラッディング材料内部において第3のシリンダを用いて製造を容易化しようとしている。
Claims (28)
- クラッドパイプまたはチューブを形成する方法であって、
所望の所定寸法に最終加工されかつクラッディング表面を有するサポートビレットを提供する工程と、
同様に所望の所定寸法に最終加工されたCRAクラッディング材料ビレットを提供する工程であって、前記CRAクラッディング材料ビレットの寸法は、前記CRAクラッディング材料が前記サポートビレットのクラッディング表面上に適合するように決定され、これにより接触面隙間が確立される、工程と、
前記接触面隙間を密封する工程と、
前記接触面隙間を真空にしてアセンブリを形成する工程と、
前記アセンブリを熱等静圧的に圧縮成形して、前記CRAクラッディング材料ビレットを前記サポートビレットに冶金結合して、複合ビレットを形成する工程と、
前記複合ビレットを高温で押し出して、前記クラッドパイプまたはチューブを形成する工程と、
を包含する、方法。 - 前記サポートビレットは遠心鋳造によって形成される、請求項1に記載の方法。
- 前記サポートビレットは円筒型である、請求項1に記載の方法。
- 前記クラッディング材料は耐食合金であり、前記サポート材料は炭素材料または低合金鋼材料である、請求項1に記載の方法。
- 前記クラッド材料は耐食処理合金であり、前記サポート材料は炭素材料または低合金鋼材料である、請求項1に記載の方法。
- 前記クラッディング表面は前記サポートビレットの内面である、請求項1に記載の方法。
- 前記クラッディング表面は前記サポートビレットの外面である、請求項1に記載の方法。
- 前記クラッディング表面は前記サポートビレットの内面である、請求項1に記載の方法。
- 前記サポートビレットは、内面および外面の2つのクラッディング面を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記サポートビレットの反対側の前記CRA側に密封ビレットを配置して、前記密封ビレットと前記サポートビレットとの間に前記CRAを配置してから、前記接触面隙間を真空状態にする工程を含む、請求項1に記載の方法。
- 請求項1に記載の方法によって形成された製品。
- 押し出されたクラッドパイプまたはチューブを形成する際に用いられる複合ビレットであって、
クラッディング表面を有する中空炭素鋼サポートビレットと、
前記サポートビレットのクラッディング表面と冶金結合された耐食合金と、
を含む、複合ビレット。 - 前記耐食合金は、前記サポートビレットの内面に結合される、請求項12に記載の複合ビレット。
- 前記耐食合金は、前記サポートビレットの外面に結合される、請求項12に記載の複合ビレット。
- 前記耐食合金は、前記サポートビレットの内面および外面両方に結合される、請求項12に記載の複合ビレット。
- 押し出されたクラッドパイプまたはチューブの寸法を制御する方法であって、
最終加工されたサポートビレットを内面を有する所望寸法まで提供する工程と、
最終加工されかつ機械加工されたCRAクラッドビレットを提供する工程であって、前記CRAクラッドビレットは、所望寸法まで最終加工される、工程と、
前記CRAクラッドビレットおよび前記サポートビレットを同軸に配置して、前記CRAクラッドビレットと前記サポートビレットとの間に接触面を確立する工程と、
前記接触面を密封する工程と、
熱間等静圧圧縮成形プロセスにより前記接触面において冶金結合を得て、複合ビレットを形成する工程と、
前記複合ビレットを所定内側寸法および所定外側寸法になるまで最終加工する工程と、
前記複合ビレットを押し出して、寸法が制御された押し出しクラッドパイプまたはチューブを形成する工程と、
を包含する、方法。 - 前記サポートビレットは、遠心鋳造によって形成される、請求項16に記載の方法。
- 前記サポートビレットは円筒型である、請求項16に記載の方法。
- 前記CRAクラッドビレットは、耐食合金である材料から形成され、前記サポートビレットは、炭素材料または低合金鋼材料である材料から形成される、請求項16に記載の方法。
- 前記接触面を真空にする工程を含む、請求項16に記載の方法。
- 前記サポートビレットの反対側の前記CRAクラッド側に密封ビレットを配置して、前記CRAビレットを前記密封ビレットと前記サポートビレットとの間に配置し、その後前記接触面隙間を真空にする工程を包含する、請求項20に記載の方法。
- 請求項16に記載の方法によって製造された製品。
- クラッドパイプおよびチューブを形成する方法であって、
内面を有するサポートビレットを提供する工程と、
前記サポートビレットの内側に固体の耐食合金ビレットをはめ込む工程と、
前記サポートビレットの内面に対して前記耐食合金ビレットを熱間等静圧圧縮成形して、前記耐食合金シリンダを前記サポートビレットに冶金結合して、複合ビレットを形成する工程と、
を包含する方法。 - 前記複合ビレットを押し出してクラッドパイプ部位を製造する工程をさらに包含する、請求項23に記載の方法。
- 前記サポートビレットは円筒型であり、前記耐食合金ビレットは円筒型である、請求項23に記載の方法。
- 前記サポートビレットの反対側の前記固体耐食合金ビレットの側に密封ビレットを配置して、前記固体耐食合金ビレットを前記密封ビレットと前記サポートビレットとの間に配置し、その後、前記固体耐食合金ビレット側の前記密封ビレット間の接触面ならびに前記および前記固体耐食合金ビレットおよび前記サポートビレット間の接触面を真空にする工程とを包含する、請求項23に記載の方法。
- 請求項23に記載の方法の製品。
- 請求項26に記載の方法の製品。
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