JP6561394B2 - 拡張により多層パイプを製造するための方法および該方法によって製造される多層パイプ - Google Patents

Description

本発明は少なくとも１つの機械的な形成工程の手段によって、少なくとも１つのインナーパイプと、１つのアウターパイプから多層パイプを製造するための方法に関する。この方法により製造されたパイプは、典型的には、高い腐食環境における使用を可能にする耐食性層を有する。

メタラジカルボンドを有するパイプ（「クラッドパイプ」としても知られる）のような、および、機械的接合を有するパイプ（「ライニングパイプ（またはラインドパイプ）」としても知られる）のような多層パイプと、それらを製造する方法とは、近年の産業開発の対象である。該多層パイプは、強い機械的応力が存在し得、および高い腐食環境であり得る石油産業界において主に使用されている。内部の循環流体は、パイプへのケミカルアタックを助長する場合があり得るため、耐食性合金（ＣＲＡ）の使用が必要とされている。

ＤＮＶ ＯＳ Ｆ１０１およびＡＰＩ ５ＬＤ基準が提供する定義に従えば、クラッドパイプは耐食性内側層を有する外部パイプから成り、これらの材料の間の接合はメタラジカルである。ＤＮＶ ＯＳ Ｆ１０１およびＡＰＩ ５ＬＤ基準が提供する定義に従えば、ライニングパイプは耐食性内側層を有する外部パイプから成り、これらの材料の間の接合は機械的である。クラッドパイプは、オプションとして、ライニングパイプから製造され得る。

材料調製工程、オプションとしての層工程およびクラッディング（または金属被覆）工程を通常含む、クラッドパイプを製造するためのさまざまな方法が、先行技術に含まれる。工業規模で大きな製造バッチ用に使用される２つの周知の方法は、圧延溶接によるクラッディングおよび肉盛溶接によるクラッディングである。シートの圧延によるクラッディング方法において、２つの異なる材料のシートの圧延は同時に行われており、該方法は、単一のクラッドシートから始まる。このシートは、それから処理、形成および長手方向に溶接され、シームクラッドパイプを生じる。

肉盛溶接によるクラッディング方法において、材料は、あらゆるインナーパイプ表面で、フィレット溶接部（または隅肉溶接部）の蒸着によってつながれる。フィレット溶接部で使用される材料は標準的な耐食性合金である。溶接蒸着方法はシームレスクラッドパイプの内部材料と外部材料との間のメタラジカルボンドを可能にする。

シームレスのクラッドパイプを製造するための別の方法が文献ＧＢ２０８５３３０に記載されている。クラッドパイプは少なくとも２つの金属層から形成される。この形成は層の良好な機械的接合を得るための冷間引き抜き工程を含み、好ましくは、パイプ間への空気の侵入を防ぐために端部が溶接されたライニングパイプを生じる。そのため、実行される引き抜きは製造物の品質を保証するには不十分である。好ましくは加熱炉における、ライニングパイプが加熱される熱間形成の工程もまた実行され、および好ましくは、ニッケル中間層が炭素の拡散を防ぐように配置される。しかしながら、この追加の層は製造物のコストを増加させる。

先行技術文献ＧＢ２０８５３３０で開示される熱間形成工程はアウターパイプの熱間押圧または圧延を含むが、この文献には熱間形成工程がいかにして実施されるかが記載されていない。押圧には通常、固定されたパイプ作製寸法を有する特別なダイの製造が必要とされる。ダイの製造および押圧操作は、コストおよび異なるサイズのパイプを製造することの不可能性に起因する特例においてのみ可能な選択肢である。

文献ＵＳ３５９８１５６は鉄またはスチールの中間層と、パイプの内側および外側表面の２つの銅層を含むバイメタルチュービングを開示する。バイメタルチュービングの態様は、機械的冷間拡張工程と、それに続く、中間層とアウターパイプおよびインナーパイプとの間のメタラジカルボンドを得るための、高周波インダクタを用いた９５０℃〜１０５０℃の間の加熱とを含む。中間層の溶融に起因してメタラジカルボンドが生じるが、いかなる追加のパイプの形成工程も実施されない。拡張を実施するために、ロッドに固定されたテーパーマンドレルが使用され、パイプは引き抜きキャリッジ（または引き抜き台車）によって引かれ、マンドレルに沿って長手方向に移動させられる。第２バイメタルチュービング態様により、その製造方法のなかの、共引き抜き工程と、それに続く電磁誘導による加熱とが示される。

文献ＵＳ３５９８１５６のバイメタルチュービングを単一の冷間形成工程で製造するために、中間層を亜鉛めっきすることから成る材料を調整する初めの工程が必要である。蒸着されるべき低融点のＺｎ、Ｐｂ、Ａｇ、Ａｌ層は、加熱された際に、外側層および内側層を接合することなく、鉄またはスチールのパイプのメタラジカルボンドを実施する。

所望の品質を備える多層パイプを得るための、追加の熱処理または形成工程を必要とせず、ただ１つの形成工程のみを用いる、少なくとも２つの金属パイプからのライニングパイプまたはクラッドパイプの製造を開示する先行技術の方法はない。同様に、シームレスパイプからの多層パイプの製造を開示する先行技術文献もなく、シームレスのクラッドパイプを開示する先行技術文献もない。

従って、本発明の目的は、シームレスのパイプから多層パイプを、より効率よく（または経済的に）製造する方法を提供し、実質的に、多層パイプの最終品質を保証しながら、拡張による方法における労力を減らすことである。

本発明の目的は多層パイプを拡張によって製造するための方法によって達成される。多層パイプには、金属材料の（または金属材料でできた）アウターパイプでできた少なくとも１つの外部層と、金属材料のインナーパイプでできた内側層とが含まれる。インナーパイプは、インナーパイプおよびアウターパイプの両方が変形された際に、アウターパイプの弾性回復力よりも小さい弾性回復力を有し、アウターパイプの内径よりも小さい外径を有する。
この方法は、：
インナーパイプをアウターパイプの内側に差し込む、パイプの取り付け工程と；
少なくとも一部分がインナーパイプの内径よりも大きな外径を有しているマンドレルをインナーパイプの内部に位置させた状態で、マンドレルと取り付けられたパイプとの間の長手方向における相対移動を提供することを含む、少なくとも１つの機械的な拡張工程と；
パイプ間の取り付け工程前の化学的な調製工程であって次の順序：
少なくともインナーパイプの内側表面の酸洗浄；
少なくともインナーパイプの内側表面の中和および洗浄；
インナーパイプの内側表面への潤滑剤の適用
で実施されることが好ましい、調製工程とを含む。

潤滑剤を適用する工程は、反応性の油性潤滑剤またはシュウ酸と反応性の石鹸との組み合わせを適用することを含み得る。

パイプ間の取り付け工程の前に、アウターパイプの内側表面およびインナーパイプの外側表面にショットブラスティング工程が実施されることが好ましい。

代わりに、パイプ間の取り付け工程の後に位置決め工程が実行され、相互に取り付けられたアウターパイプとインナーパイプとが、一方の端部を拡張ダイに支持された状態で配置され、および、拡張ベンチに対して固定される。

代わりに、パイプ間の取り付け工程の後に、アウターパイプおよびインナーパイプの誘導による加熱工程が、機械的な拡張工程と同期して実施される。この場合において、パイプの取り付けの工程の前に、少なくともインナーパイプの内側表面の、好ましくは水とグラファイトの混合物を基礎とする潤滑剤を用いた潤滑化（ｌｕｂｒｉｆｙｉｎｇ）の工程が実施される。この方法は、少なくとも１つの機械的な拡張工程の後に、少なくとも１つの追加の機械的な熱間拡張工程と同期する、インナーパイプおよびアウターパイプの誘導による加熱工程を含み得る。代わりに、加熱工程において、電磁誘導コイルはアウターパイプおよびインナーパイプの外部に配置され、アウターパイプおよびインナーパイプに対して長軸方向に、マンドレルの移動に同期して移動される。代わりに、少なくとも１つの機械的な拡張工程において、マンドレルは、アウターパイプおよびインナーパイプを固定位置に保持した状態で、インナーパイプの内部を長軸方向に移動される。

加熱工程において、代わりに、加熱デバイスがアウターパイプおよびインナーパイプの内部に配置され、マンドレルのロッドと一緒に、アウターパイプおよびインナーパイプに対して長軸方向に移動する。

この方法はさらに、拡張工程の後に多層パイプの曲げ加工の工程を含み得る。

マンドレルは、押し出し方法の間に外部パイプの適切な弾性変形を生じさせるように、最小直径がインナーパイプの内径よりも小さく、最大直径がインナーパイプの内径よりも大きい円錐台の形状を有することが好ましい。

取り付け工程の後、両方のパイプの端部を相互に溶接して、インナーパイプとアウターパイプの間の真空を生じさせる工程が実施され得る。

機械的な拡張工程の間、インナーパイプとアウターパイプの間で不活性ガスの流れを適用する工程が実施され得る。

本発明の目的は、金属材料のアウターパイプでできた少なくとも１つの外部層と、金属材料のインナーパイプでできた内側層とを含む多層パイプによってもまた達成される。インナーパイプは、両方のパイプが変形された際にアウターパイプにより提供される弾性回復力よりも小さい弾性回復力と、アウターパイプの内径よりも小さい外径とを有する。多層パイプは前述の方法によって作られている。

アウターパイプは炭素マンガン鋼合金から成ってよく、インナーパイプは耐食性合金でできていてよい。

インナーパイプは、高合金鋼（ｈｉｇｈ ａｌｌｏｙ ｓｔｅｅｌ）、ステンレス鋼、ニッケル基合金、チタン基合金、コバルト基合金、銅基合金およびジルコニウム基合金の少なくとも１つを含む材料から作られ得る。アウターパイプおよびインナーパイプはシームレスのパイプであることが好ましい。

多層パイプは、アウターパイプとインナーパイプとの間に配置された、金属材料の少なくとも１つの中間層含み得る。金属材料の中間層は、アウターパイプの融点およびインナーパイプの融点よりも低い融点を有し得る。中間層はニッケル（Ｎｉ）またはジルコニウム（Ｚｒ）を有し得る。代わりに、多層パイプは、アウターパイプの外部に配置された、下にあるパイプの外径よりも大きい内径を有する第２アウターパイプでできた耐食性合金の層を含み得る。第２アウターパイプは、下にあるアウターパイプの降伏強度よりも大きな降伏強度を有することが好ましい。

本発明はさらに、図面に表わされる１つの実施例に基づいてより詳細に記載される。

図１は、本発明の拡張によって多層パイプを製造する方法の拡張工程の態様の略図である。 図２は、本発明の方法の拡張工程の前、最中および後の応力−ひずみエンジニアリング図（またはエンジニアリングダイアグラム）である。 図３は、本発明の方法の第１態様を示すブロック図である。 図４は、本発明の方法において冷間形成された多層パイプの態様のパイプ間の界面の像であり、アウターパイプおよびインナーパイプの界面における鉄およびニッケル元素の濃度の線図（またはダイアグラム）に関連している。 図５は、本発明の方法において冷間形成された多層パイプの態様のパイプ間の界面の像であり、パイプ間の界面における鉄およびニッケル元素の濃度の線図に関連している。 図６は、本発明の方法の１つの態様を示すブロック図である。

（図面の詳細な説明）
図１に表わしたように、本発明による多層パイプを製造する方法は、この方法により製造されるパイプが、アウターパイプでできた少なくとも１つの外部層と、インナーパイプでできた１つの内側層とを含むように、一方がもう一方の内側に差し込まれた２つ以上の金属パイプの機械的な拡張に基づいている。

冷間拡張のみが実施されるとき、少なくとも２つの金属パイプは機械的接合によってのみ相互に取り付けられるので、この方法によって多層製造されたパイプはライニングパイプである。熱間拡張が実施されるとき、少なくとも２つのパイプの間の、それらの界面の少なくとも一部分にメタラジカルボンドが形成される。

多層パイプを形成する層間の接合が、ＡＳＴＭ Ａ５７８およびＡＰＩ ５ＬＤ基準の最低要件に合致するとき、この方法によって製造される多層パイプはクラッドパイプであり得、このパイプの表面のいかなる非クラッド領域も、不連続を示す位置を中心とする２２５×２２５ｍｍ２のスキャンされた領域の内側において２５ｍｍの直径を越えない。さらに、パイプは、パイプ端部から１００ｍｍ以内の距離にいかなる非クラッド領域も有すべきではない。本発明によれば、本発明による方法によりアウターパイプ１０とインナーパイプ２０の間に最高で１００％のクラッディングを備えるクラッドパイプを製造することができる。

図１−６に示す本発明の要旨において、多層パイプ１は、金属材料のアウターパイプ１０および、金属材料のインナーパイプ２０のみから製造される。インナーパイプ２０は、両方のパイプが変形された際にアウターパイプ１０により示される弾性回復力よりも小さい弾性回復力を有する。加えて、インナーパイプ２０がアウターパイプ１０の降伏強度よりも低い降伏強度（ＹＳ）を有することが好ましい。

インナーパイプ２０は、図２の図の下部に見られるように、アウターパイプ１０の内径よりも小さい外径を有する。アウターパイプとインナーパイプとの間には、それらの係合が容易なように、隙間があることが好ましい。

製造された多層パイプがその表面に継ぎ目（またはシーム）を有することを防ぐために、インナーパイプ２０およびアウターパイプ１０はシームレスであることが好ましい。そのため、本発明による方法によって製造された少なくともクラッドされた（ｃｌａｄｄｅｄ）部分を有する多層パイプおよび／またはライニングパイプもまたシームレスである。本発明の代わりの態様において、アウターパイプ１０はシームレスのパイプであってよく、インナーパイプ２０は溶接されたシームパイプであってよい。しかしながら、他のタイプのシームパイプを本発明の範囲内で使用することができる。多層パイプは、１つがそれ以外の１つの内側に配置され、本明細書に記載の機械的な拡張形成に付される、３つ以上のパイプからもまた製造され得る。

図３は、本発明による方法の好適な態様の詳細フローチャートを示す。はじめに、拡張の前にアウターパイプおよびインナーパイプを調製するための工程を有する必要がある。これらのはじめの調製工程には、例えば、それらのパイプが真っ直ぐかつ楕円でないように、パイプの矯正およびパイプ表面の平坦化が含まれる。このため、アウターパイプの壁とインナーパイプの壁とが平衡になるため、一方のパイプをもう一方の内側に入れ込む層の工程が容易になる。

次に、必要であれば、アウターパイプ１０およびインナーパイプ２０は測定され、利用可能な資源（ｒｅｓｏｕｒｃｅ）および道具によって、例えばロッドの長さおよび拡張ベンチの容量によって変わり得る長さに切断される。

そのため、本発明による方法は、より汚れのない表面をもたらして拡張工程を容易にすることで、パイプと拡張マンドレルとの間の摩擦を減らすことによって、よりよい性能に寄与するパイプの化学的調製の工程３２を含むことが好ましい。化学的調製は特に、拡張のあいだマンドレル２に接触するインナーパイプ２０の内側表面に適用される。この工程の後にはパイプ表面のいかなる保護も必要でなく、この調整はパイプの最終品質をも改良するため、完全な化学的調製は、インナーパイプの内側の表面とアウターパイプの外部表面の両方に適用することもできる。

はじめに、酸化物および不純物を除去するために、少なくともインナーパイプ２０の内側表面の酸洗浄が実施される。チューブの界面（インナーチューブの外側表面とアウターチューブの内側表面）の表面も、よりよい表面品質とそれらの間のよりよい接続を達成するために、酸洗浄に付されることが好ましい。しかしながら、実際的な理由により酸洗浄の工程がこれらのチューブを酸性溶液に沈めることによって実施されるとき、両チューブの両表面がこの工程に付され得る。

次に、潤滑剤の被覆を受けるために、少なくともインナーパイプ２０の内側表面は中和および洗浄される。実際的な理由により、チューブの中和および洗浄の工程もまた、両チューブの両表面に実施され得る。

潤滑剤は通常、インナーパイプの内側表面に適用される。一般に、潤滑剤は石鹸、鉱油および、拡張キャリッジ６の力、加えられる変形、道具の形状などの他の方法の変数に依存してより低い摩擦状態を達成可能な他の潤滑剤であってよい。

本発明の１つの態様によれば、潤滑剤の蒸着の前にシュウ酸層を塗布し得る。このシュウ酸層はインナーパイプの内側表面金属と反応して、反応性潤滑剤を適用するための状態を作りだし、同時に、パイプを通過するあいだの拡張道具とパイプとの間の摩擦が減る原因となる。そのため、この工程において、パイプと潤滑剤との間の良好な接続を提供する限りは他の材料がパイプに適用され得る。シュウ酸層が塗布されるとき、付着されて適用される潤滑剤は反応性の石鹸であることが好ましい。代わりに、反応性の油が潤滑剤として適用されてもよい。この場合において、通常、潤滑剤を適用する前にシュウ酸を塗布する必要はない。

本発明の有利な態様によれば、アウターパイプ１０の内側表面３３とインナーパイプの外側表面２０とをショットブラスティングする工程３３が実施される。これらは拡張方法によって機械的に相互に接続する。これらの表面は、それらの粗さを増加させるため、および材料間の接触力を最適化するために、およびそれによりパイプ間の機械的接合を改良するためにブラストされることが好ましい。ブラストされる材料と同じであることと、コストがより低いことから、ショットブラスティングは好ましくはスチールショットを用いて実行されるが、他の種類のショットもまた使用し得る。

化学的処理の工程およびショットブラスティングの工程はそれぞれ、パイプの製造のための方法を容易にすることと、最終製造物の品質を改良することとに寄与するが、本発明の方法における必須の方法ではない。

インナーパイプ２０は次に、最初の取り付け段階３４でアウターパイプ１０の内側に、パイプ１０と２０との間でそれらのパイプが一緒に拡張され得るように、差し込まれる。この取り付け工程は自動で行われても、手動で行われてもよいが、手動の場合にはパイプ間の適合は充分な隙間を提供しなければならない。

本発明の代わりの態様によれば、この方法は、この界面における酸化物の形成を避けるため、およびそれにより、パイプ間のよりよい接続を提供するために、インナーパイプおよびアウターパイプの間の酸素の存在を除去するか、最小限にするように意図された追加の工程を、パイプが相互に取り付けられた後に含み得る。

１つの可能性は両パイプの端部を相互に溶接し、インナーパイプとアウターパイプとの間に真空を生じさせることである。この真空は例えば、穴を通じて真空ポンプによって作り出され得る。これにより、酸素はパイプ間から除去される。

他の可能性は、それらの間に残存するガスが酸素ではないことを保証するために、冷間拡張工程または熱間拡張工程のあいだ、インナーパイプとアウターパイプとの間で不活性ガスの流れを、パイプ端部を溶接する必要なく適用することである。次に、相互に取り付けられたアウターパイプ１０とインナーパイプ２０は少なくとも１つの機械的な拡張工程３６に付される。この工程において（以下に説明するように、熱間および冷間拡張のいずれの場合においても）、インナーパイプ２０の内側に位置付けられたマンドレルを用いた、マンドレル２と取り付けられたパイプとの間の、長手方向の相対移動が提供される。

この工程において、本発明の１つの態様によれば、マンドレル２は、インナーパイプ２０およびアウターパイプ１０の両方を固定位置に保持したまま、インナーパイプ２０の長手方向に移動される。図１に表わしたように、これらのパイプの拡張のために、マンドレル２の外径は、インナーパイプ１０の内径よりも大きい必要がある。本発明の態様によれば、拡張の工程は拡張ベンチで実行され得る。ここでは、図１で見られるように、相互に取り付けられたアウターパイプ１０とインナーパイプ２０は、一方の端部を拡張ダイに支持された状態で配置される。本発明の他の態様によれば、例えば、拡張ベンチにおいて、パイプがマンドレルに対して長手方向に配置され、マンドレルは固定位置に維持される。

拡張ダイ開口部４の最大直径はインナーパイプ２０の呼び径よりも小さい。そのため、相互に取り付けられたアウターパイプ１０およびインナーパイプ２０は、軸方向の移動を制限されており、機械的な拡張工程の間中固定されたままである。拡張ダイ支持部５は拡張ダイ４を拡張ベンチに固定する。

マンドレル２は円錐台の形状を有し、その小さいほうの端部は、インナーパイプの内径よりも小さな直径を有する。そのため、マンドレル２の小さいほうの端部は、インナーパイプ ２０およびアウターパイプ１０のアセンブリの一方の端部の中に、その後、マンドレルをパイプの内部で長軸方向に移動させることができるように差し込むことができる。マンドレル２の大きいほうの部分は、押し出し方法のあいだに適切な弾性変形を外部パイプに生じさせるパイプの拡張を達成するために、インナーパイプ１０の内径よりも大きな直径を有する。機械的な拡張工程は、相互に取り付けられたインナーパイプ２０およびアウターパイプ１０の長さに沿った、拡張ダイ支持部５に対して長手方向に移動する、干渉を伴うマンドレル２の通過に伴って起こる。拡張キャリッジ６の力が、この移動に起因してマンドレル２に固定されたロッド３にかかる。機械的な拡張の後に、多層パイプ１が得られる。そのため、マンドレルはインナーパイプ壁の厚さに変形を生じさせ、インナーパイプの拡張がアウターパイプの壁の厚さに変形を生じさせる。

１〜１０回の冷間拡張工程が、０．２〜２０．０ｍ／ｍｉｎの間で変わる速度で、室温で実施されることが好ましい。インナーパイプが与えられる変形は０．１〜２０．０％の間で変わり、アウターパイプが与えられる変形もまた、０．１〜２０．０％の間で変わる。

相互に取り付けられたアウターパイプ１０およびインナーパイプ２０が方法の間中ずっと固定して維持されるため、およびロッド３のみが移動され、ロッド３およびマンドレル２の慣性が、アウターパイプ１０およびインナーパイプ２０のアセンブリまたは最終の多層パイプ１の慣性よりも非常に低いため、本発明の方法が示す機械的な拡張工程には、拡張キャリッジに必要な労力を減らすという利点がある。この労力の低減は結果として、拡張ベンチのエネルギー消費の低減を、およびこの方法全体のエネルギー消費の低減を生じる。

図２に示される応力−ひずみエンジニアリング図において、パイプの拡張の段階の前、最中および後のアウターパイプおよびインナーパイプの挙動が、パイプのさまざまな横断面図によって示されている。この図に見られるように、形成工程２００よりも前の早期の段階において、インナーパイプ２０がアウターパイプ１０の内側に配置されている。両方のパイプがその初期直径で示され、およびそれらの直径の間に隙間があることが示されている。段階２００から、マンドレル２がインナーパイプ２０の内側に配置され始め、インナーパイプ２０を拡張させ、および直径の位置２１０でアウターパイプの内側表面１０に隣接させ、およびそれから、同じく示される直径の位置２２０でアウターパイプを拡張させる。この位置において、アウターパイプ１０およびインナーパイプ２０は、この方法のあいだのそれらの最大直径を有する。

典型的には、この拡張の方法において、インナーパイプ２０は、アウターパイプ１０に弾性変形のみを受けさせながら、塑性変形を受ける。

マンドレル２の通過終了後、図の位置２３０に示されるように、パイプの弾性回復力が生じ、ここでパイプはわずかに収縮する。弾性回復力は各材料に特有であり、さらに特には、アウターパイプ１０およびインナーパイプ２０の直径の低減を生じさせた、その降伏強度（ＹＳ）に特有である。アウターパイプ１０の金属材料は、パイプの両方が変形させられた場合にインナーパイプ２０によってもたらされる弾性回復力よりも大きな弾性回復力を有しているため、および好ましくは、インナーパイプ２０を構成する材料よりも大きな降伏強度（ＹＳ）をも有しているため、アウターパイプ１０の回復力はインナーパイプ２０の回復力よりも大きい傾向にある。しかしながら、本発明において、アウターパイプ１０の回復力は、その内側に位置するインナーパイプ２０の回復力によって制限される。そのため、インナーパイプ２７の残留応力は圧縮性（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ）であり、アウターパイプ２８の残留応力は牽引性（ｔｒａｃｔｉｖｅ）である。そのため、インナーパイプ２０はアウターパイプを半径方向外向きに圧迫し、逆もまた同様である。これにより、パイプ間の接触力が提供され、その結果として、多層パイプを形成するそれらの間の機械的な接合が提供される。冷間拡張が存在する本発明の態様において、最終のパイプはライニングパイプである。

本発明の製造物の例によるライニングパイプ１を構成するアウターパイプ１０とインナーパイプ２０との間の機械的な接合は図４に見ることができる。この図は、パイプ間の接合の界面の横断面顕微鏡像を含み、ここでアウターパイプ１０は左側により暗いグレイの色調で示され、インナーパイプ２０は右側により明るいグレイの色調で示される。ある部分（上の小さい方のボックスに対応する）のパイプ間の界面が、その下の線図において両方のパイプの材料の濃度で表される。この線図は該界面の拡大版であり、図中、縦座標軸は各元素の質量％濃度を表わし、横座標は界面と垂直な方向におけるライニングパイプ中の位置を表わす。この線図はライニングパイプにおける鉄（Ｆｅ）元素およびニッケル（Ｎｉ）元素の、パイプ間の界面領域のＸ方向における濃度を示している。本発明の１つの態様によればアウターパイプ１０の主成分の１つである鉄の濃度が実線で表わされ、破線は界面領域におけるニッケルの濃度を表わす。ここで、ニッケルは本発明の態様によるインナーパイプ２０の主要な元素である。鉄およびニッケル濃度の急激な変化が、パイプ間の界面領域を表わす場所と同じグラフの場所で生じる。このことは２つのパイプの材料間に目立った拡散がなかったことを意味し、そのためそれらの間にはクラッディングでない機械的接合のみが存在し、メタラジカルボンドが存在しないことがわかる。

理解されるように、本発明による方法は、アウターパイプとインナーパイプとの間に機械的な接合を有するライニングパイプを、パイプを加熱することなく、冷間拡張のみによって製造することができる。

本発明の方法は、所望の最終製造物に依存して２つ以上の機械的な拡張の工程を含み得る。さまざまな冷間拡張の工程が実行され得、冷間拡張と、続く熱間拡張との組み合わせも、または熱間拡張のみでも実行され得る。

パイプの熱間拡張を実行する本発明の方法の態様が図６に示される。この場合、相互に取り付けられたインナーパイプ２０およびアウターパイプ１０を加熱することから成る追加の工程が実施される。加熱は、例えばパイプに沿って配置されることによって、パイプの製造ラインで拡張マンドレルに同期させて運転させることができるような、様々な加熱デバイスによって実施されてよい。

機械的な熱間拡張の場合において、管状部材と拡張ダイおよびマンドレルとの接触から生じる摩擦を減らすために、上記の化学的調製に含まれる工程は、潤滑剤を適用する工程によって置き換えられる。適用される潤滑剤は、水とグラファイトの混合物に基づくもの、またはｈｅｘ−α−ＢＮのような高温プロセスのための任意の潤滑剤が好ましい。潤滑剤は、パイプの表面の化学組成を改変しないという利点を有する。潤滑剤はチューブをその中に沈めることによって、吹き付け（ｓｐｒａｙｉｎｇ）によって、塗装によって、また潤滑剤の層がインナーチューブの内側表面に確実に形成される任意の他の方法によって適用されてよい。

本発明の１つの態様において、電磁誘導コイルの手段により加熱が実行される。電磁誘導コイルは相互に取り付けられたアウターパイプ１０およびインナーパイプ２０の外部に配置され、および、パイプが固定位置に保持されるあいだ、アウターパイプおよびインナーパイプに対して、マンドレル２の移動と同期して長軸方向に移動する。パイプが拡張ベンチに固定されている場合には、コイルは拡張ダイに関しても長軸方向に移動する。取り付けられたパイプは大気の温度でコイルの中に入り、およびその後、磁場に付され、ジュール効果により、（パイプを構成するスチールに電流が流れて）、コイル出口において９００℃の最低温度に到達するように加熱される。

代わりに、示されていない引き抜きの態様において、パイプは、インナーパイプの内側表面からの加熱を促進するように、マンドレルのロッド３を用いてパイプの内側を移動する内側の加熱デバイスによって加熱される。この内側の加熱デバイスはコイルまたは他の加熱デバイスであってもよい。この内側からの加熱は拡張工程のあいだの材料の動的な加熱状態に依存する。

本発明の他の選択肢によれば、マンドレルおよび加熱コイルのような加熱デバイスは、固定位置に連続して維持され、それらを通してパイプが、はじめに加熱デバイスを、およびそれからマンドレルを通して移動される。

熱間拡張工程の終了時に、図５において見られるような、アウターパイプ１０とインナーパイプ２０との間にメタラジカルボンドを有するクラッドパイプが得られる。熱間拡張工程は、単独でも、または少なくとも１つの冷間拡張の工程の後にでも実施され得る。

熱間拡張工程は０．１〜５．０ｍ／ｍｉｎの間で変わる速度で、８００〜１３００℃の間で変わる温度において、１〜５回実施されることが好ましい。

図５には、例示的な本発明の製造物による、クラッディング後のインナーパイプとアウターパイプとの間の接合の界面の横断面顕微鏡像が含まれる。ここでアウターパイプ１０は左側により暗いグレイの色調で示され、インナーパイプ２０は右側により明るいグレイの色調で示される。少なくとも部分的なメタラジカルボンド１を有する最終のパイプにおいて、クラッディング領域におけるインナーパイプとアウターパイプとの間の界面は、メタラジカルボンドの特性により失われる。ある部分（上の小さい方のボックスに対応する）におけるパイプ間の界面は、その下の線図において両方のパイプの材料の濃度で示される。この線図は該界面の拡大版であり、縦座標軸は各元素の質量％濃度を表わし、横座標はクラッドパイプの内側の位置を表わす。図４のように、この線図は鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）元素の、クラッドパイプ間の界面領域のＸ方向に沿った濃度を示している。本発明の１つの態様によれば、実線はアウターパイプ１０を代表する鉄の濃度を表わし、破線はインナーパイプ２０を代表するニッケルの濃度に対応する。鉄およびニッケルの濃度の変化はなだらかであり、それにより拡散帯が提供されることに留意されたい。ここでは、上記２つの元素が、およびそれにより、インナーパイプの材料とアウターパイプの材料とが混ざる。このことは、メタラジカルボンドが存在し、それがパイプ間のクラッディングであることを意味する。より広く、より均一な拡散帯が、よりよいクラッディングにつながる。

パイプの加熱のための電磁誘導コイルの使用は、方法のあいだ可変であるコイル出力パラメーター、牽引力およびマンドレルのスピードなどの動的制御の手段により、パイプの迅速かつ均一な加熱を可能にするため有利である。さらに、コイルを用いると同時に拡張工程を伴う加熱は、他の加熱手段により得られるものよりも大きい加熱速度（または加熱率）を提供する。この大きな加熱速度は、通常の加熱のあいだ、材料が長時間高温に曝された場合に生じ得る粒成長を防ぐ。

本発明で成される誘導加熱の別の利点は、電磁誘導コイルはラインに容易に組み込むことができることであり、およびコイルは可動であるため、熱いパイプを取り扱う（またはハンドリングする）必要および装置を移動させる必要がなくなり、このことは安全性に直接の影響を有する。さらに、誘導加熱によれば、加熱炉におけるパイプの加熱のために燃料ガスを燃焼させる必要もなくなり、それにより汚染の可能性のある排出物を処理する必要もなくなる。

本発明の代わりの態様において、熱間拡張が実施されるとき、この方法は、金属材料の少なくとも１つの中間層を、アウターパイプ１０とインナーパイプ２０との間の界面で適用する工程を含む。金属材料の中間層は、アウターパイプ１０およびインナーパイプ２０を構成する金属材料の融点よりも低い融点を有し得るが、これは、パイプ間のメタラジカルボンドを確保するために必須の構成ではない。中間層の材料の適用は、アウターパイプ１０とインナーパイプ２０との間の取り付け工程の前になされなければならない。

金属材料の中間層は、材料間の相互作用（または界面）を結果として弱め得る、有害な状態（またはフェーズ）の形成を避けるために、アウターパイプ１０およびインナーパイプ２０の金属材料と親和性を有する材料から形成されてもよい。中間層は、ニッケル（Ｎｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）または他の金属または金属合金から成ってよい。この材料の中間層の適用は、塗装、めっき、電気めっきを通してなされてよく、これらの適用の形態に制限されない。

熱間拡張の後、図示されていない多層パイプの曲げ加工の工程も実施され得る。曲げ加工は冷間、熱間または折り曲げによって実施されてよく、これらの方法に制限されない

冷間形成工程と、続く熱間形成工程とを含む製造方法の態様の１つにおいて、冷間形成されたパイプであって、ライニングパイプと呼ばれるパイプが、熱間形成されたパイプであって、少なくともクラッドされた部分を有する多層パイプである、パイプの製造のための原材料としての役割を果たす。冷間段階のあいだに良好な機械的接合を得ることは熱間形成工程のあいだの良好なクラッディングを確保することの助けになる。

本発明の代わりの態様において、熱間拡張が実施されるとき、はじめに、ライニングパイプの製造のための他の既知の方法によって得られたライニングタイプの多層パイプが使用される。代わりに、１つの態様において、事前の冷間形成工程の必要なく熱間拡張工程のみが実行され得る。

本発明の態様において、冷間形成工程と、続く熱間形成工程とが実施されるとき、この方法は、冷間拡張工程の後かつ熱間拡張工程の前に実行される、多層パイプを調製する工程を含むことが好ましい。

多層パイプを調製する段階で、ライニングパイプ材料間の接合が確認（または検証）され、冷間拡張によってもたらされた層パイプが真っ直ぐにされ、パイプ寸法が補正される。パイプを真っ直ぐにする工程と、パイプ寸法の補正は、パイプのよりよい寸法と、表面品質の改善とを提供する冷間共引き抜きを通して実施され得ることが好ましい。

必要であれば、追加の機械的な拡張工程において再度、マンドレルと接触する多層パイプの内側表面に潤滑剤が適用される。

多層パイプの原材料として本発明の方法がシームレスのパイプを使用する場合、パイプがシート金属の他の形態から製造される場合に、パイプを得るために通常使用される溶接プロセスを行う必要がなくなる。そのため、本発明の多層パイプは、いかなる半径断面においても均一な材料であるために、シームレスであることが好ましい。しかしながら、原理的には、この方法は長軸方向に溶接されたパイプに適用され得る。

本発明による方法はさらに、材料特性の調整の目的で熱間拡張工程の後に加熱処理工程を含み得る。この加熱処理工程はクラッドパイプ１の、調整される必要がある機械的特性、メタラジカル特性および腐食特性に依存する。材料のなかには、製造工程のあいだ、それらの機械的特性、メタラジカル特性および腐食特性の一部を失い得るものもある。この追加の熱処理はそのため、例えばパイプ１０および２０がＸ６５スチールおよびＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）でできているときに、パイプの機械的特性およびメタラジカル特性を元に戻すために実施され得る。本発明の好適な態様では、少なくとも部分的にメタラジカルボンドを有する多層パイプは、加熱処理工程において、パイプの機械的特性、メタラジカル特性および腐食特性の調整に寄与する冷却工程、焼き入れ（またはクエンチング）工程および焼き戻し（またはテンパリング）工程に付される。

本発明の方法は、クラッディングが生じているかどうかを確認するための、パイプ間のメタラジカルボンドの検証工程も含み得る。確認は、全てのアウターパイプおよびインナーパイプがくっ付いた状態を維持しているかどうか確認するために、パイプの一部を例えば９０°おきに切断することによる破壊的なものであってよい。超音波試験、微細構造の分析、界面の横断面分析、ＳＥＭ／ＥＤＸまたはＧＤＯＥＳ試験などを用いた検査によれば、本発明による方法によって製造されたパイプの少なくとも一部でメタラジカルクラッドが得られたかどうか調べるための確認は非破壊的でもあり得る。

本発明による方法は、拡張装置以外の製造装置の中へパイプまたはインナーパイプおよびアウターパイプを移動させる必要が全く無いため、従来技術の方法と比較した場合、よりはるかに高い性能を有する。また、方法の単純さおよび工程の数の低減の観点から、大量のライニングパイプおよび／またはクラッドパイプを短期間で製造することが可能であり、その製造力は１００ｍ／ｈを越えると目される。

本発明は、本発明による方法によって得られる多層パイプにも関する。多層パイプ１は金属材料の少なくとも１つのアウターパイプ１０および１つの金属材料のインナーパイプ２０から製造され、ここインナーパイプ２０は、両方のパイプが変形された際にアウターパイプ１０によって示される弾性回復力よりも小さい弾性回復力を有する。これらのパイプは通常、高い腐食環境であり、強い機械的応力に付される石油産業界に関する環境で使用されるため、所望の機械的強度を多層パイプに提供するために、アウターパイプ１０は炭素マンガン鋼合金から成る金属材料でできていることが好ましい。インナーパイプ２０は耐食性金属材料でできていることが好ましい。

本発明の１つの態様によれば、アウターパイプ１０は以下の化学組成を有し得る：
Ｃ≦０．３０
Ｍｎ≦１．４０
Ｐ≦０．０３０
Ｓ≦０．０３０
Ｃｕ≦０．５
Ｃｒ≦０．５
Ｎｉ≦０．５
Ｍｏ≦０．１５
Ｎｂ＋Ｖ＋Ｔｉ≦０．１５
および本発明による方法の前後の機械的特性は以下のとおりである（ＹＳ＝降伏強度、ＵＴＳ＝引張強度）：
３６０ＭＰａ＜ＹＳ＜８３０ＭＰａ
４５５ＭＰａ＜ＵＴＳ＜９３５ＭＰａ
最小伸長ε_ｍｉｎ＝１５％

インナーパイプの耐食性合金は、高合金鋼、ステンレス鋼、ニッケル基合金、チタン基合金、コバルト基合金、銅基合金およびジルコニウム基合金の中の材料の少なくとも１つを含むが、上記材料に限定されない。本発明による耐食性合金の腐食レベルは国際標準ＮＡＣＥ ＭＲ０１７５スタンダードの環境レベルＩ-ＶＩＩにおいて試験され、ここで各場合の正確な腐食レベルはそれらの内側の材料に依存する。

インナーパイプ２０およびアウターパイプ１０の材料の選択では、アウターパイプがインナーパイプと比較してより高い降伏強度を有するという基準に注意することが好ましい。該基準は良好な機械的接合を確保するために重要である。

本発明の代わりの態様において、多層パイプは、アウターパイプ１０とインナーパイプ２０の間に配置された金属材料の少なくとも１つの中間層を含む。中間層はアウターパイプ１０およびインナーパイプ２０を構成する金属材料の融点よりも低い融点を有し、有害な状態（またはフェーズ）の形成を避けるために、アウターパイプ１０およびインナーパイプ２０の金属材料に対する親和性を有する。この中間層の適用は、塗装、めっき、電気めっきを通してなされてよく、これらの適用の形態に制限されない。

本発明の代わりの態様において、多層パイプはアウターパイプの外側に配置された耐食性合金層を更に含む。この層の外部腐食に耐性がある材料は、下にあるパイプ１０の外径よりも大きい内径を有する第２アウターパイプから成る。外部腐食に耐性がある材料の層がアウターパイプ１０の降伏強度よりも大きい降伏強度を有することが好ましい。このため、本発明のパイプを製造する方法において、腐食に耐性がある材料のアウターパイプも冷間または熱間拡張に付され、実施される拡張に依存して、機械的に取り付けられるか、またはメタラジカルボンドによって取り付けられる。

本発明の方法によって製造されるクラッドパイプは、上記ＡＳＴＭ Ａ５７８およびＡＰＩ ５ＬＤ基準の最低要件に合致し、アウターパイプ１０とインナーパイプ２０との間の最大で１００％のクラッディングを達成し得る。

本発明の方法により製造される多層のライニングパイプまたはクラッドパイプの寸法はそれらの用途に依存する。本発明の１つの態様によれば、パイプは５０．８０ｍｍ＜Ｄ_ｅｘｔ＜３５５，６ｍｍにわたる外径Ｄ_ｅｘｔと、５．０ｍｍ＜ＷＴ＜３０．０ｍｍにわたる壁の幅ＷＴとを有し得る。ここで、ラインパイプ用途用の耐食性合金（ＣＲＡ）のパイプの壁の厚さの最小値ＣＲＡ−ＷＴ_ｍｉｎは２．５０ｍｍである。

本発明による製造方法の前に、最初に組み合わせられたパイプと比較した、最終のパイプの総変形値は以下の通りである：
外径の変形：０．１〜２０％
壁の厚さの変形：０．１〜４０％

本発明の目的である多層パイプを製造するための方法は、機械的な冷間形成により、拡張方法における労力を実質的に減らす効率的（または経済的）な方法でライニングパイプを製造するため、従来技術とは異なる。

本発明によって得られる多層パイプは、好ましくは、製造物により高い等方性の程度を与え、かつ溶接部で失敗するリスクが低いシームレスのパイプでもあることによる利点も有する。

熱間拡張を用いるクラッドパイプの製造物において、本方法は、溶接の工程、後加熱および最終製造物の寸法品質と機械的強度とを改良するための押圧、圧延または他の機械的な形成の方法による仕上げがない点で従来技術とは異なる。

本発明による方法で得られるライニングパイプまたはクラッドパイプは、ライニングパイプおよびクラッドパイプの国際基準に合致する特性を有する。しかしながら、この方法は、他の従来技術の方法と比較してより簡単な実施と、低減されたコストとを提供する。

上記の例は好適な態様を表わすものであるが、本発明の範囲には、他の考えられるバリエーションも包含されると解されるべきであり、本発明の範囲は、考えられる全ての同等物を含む添付の特許請求の範囲の意義によってのみ制限されるものであると解されるべきである。

Claims (17)

1. 拡張により多層パイプを製造するための方法であって、
   多層パイプ（１）が、炭素マンガン鋼合金から成るアウターパイプ（１０）から作られる少なくとも１つの外部層と、耐食性合金から成るインナーパイプ（２０）から作られる内部層とを含み、インナーパイプが、インナーパイプとアウターパイプの両方が変形されたときのアウターパイプ（１０）の弾性回復力よりも小さい弾性回復力と、アウターパイプの内径よりも小さい外径とを有しており、
   インナーパイプがアウターパイプの内側に差し込まれる、パイプ（１０、２０）の取り付け工程（３４）と、
   インナーパイプ（２０）およびアウターパイプ（１０）に同時に行われる少なくとも１つの機械的な拡張工程（３６）であって、マンドレルがインナーパイプ（２０）の内部に位置した状態で、マンドレル（２）と取り付けられたパイプとの間の、長手方向における相対移動を生じさせることを含み、ここで、マンドレル（２）の少なくとも一部分が、インナーパイプの内径よりも大きな外径を有する、拡張工程（３６）と
   を含むことを特徴とし、
   拡張工程において、マンドレルがインナーパイプ（２０）の厚さに変形を生じさせ、インナーパイプ（２０）の拡張により、アウターパイプ（１０）の厚さの塑性変形を引き起こす、多層パイプを製造するための方法。
2. パイプ（１０、２０）の取り付けの工程の前に、化学的な調製工程（３２）であって、以下の手順：
   少なくともインナーパイプ（２０）の内側表面の酸洗浄と；
   少なくともインナーパイプ（２０）の内側表面の中和および洗浄と、
   インナーパイプ（２０）の内側表面への潤滑剤の適用と
   が実行される、化学的な調製工程（３２）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 潤滑剤を適用する工程が、シュウ酸塩層と、反応性の石鹸とを適用すること、または、反応性の油を適用することを含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. パイプ（１０、２０）の取り付け工程の前に、アウターパイプ（１０）の内側表面およびインナーパイプ（２０）への外側表面のショットブラスティング工程（３３）を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. パイプ（１０、２０）の取り付け工程の後に、位置決め工程（３５）を含み、ここで、相互に取り付けられたアウターパイプ（１０）とインナーパイプ（２０）とが、一方の端部を拡張ダイ（４）に支持された状態で配置され、および、拡張ベンチに対して固定されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. パイプ（１０、２０）間の取り付け工程の後に、機械的な拡張工程（３６）と同期した、アウターパイプ（１０）およびインナーパイプ（２０）の誘導による加熱の工程を含むことを特徴とする、請求項１、４または５のいずれかに記載の方法。
7. 水とグラファイトの混合物に基づく潤滑剤を用いて、少なくともインナーパイプの内側表面を潤滑化する工程を含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 少なくとも１つの機械的な拡張工程（３６）の後に、少なくとも１つの追加の機械的な熱間拡張工程（３６）と同期した、アウターパイプ（１０）およびインナーパイプ（２０）の誘導による加熱の工程を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 加熱工程において、電磁誘導コイルを、アウターパイプ（１０）およびインナーパイプ（２０）の外側に配置し、および、マンドレル（２）の移動と同期して、アウターパイプ（１０）およびインナーパイプ（２０）に対して長手方向に移動させることを特徴とする、請求項６〜８のいずれかに記載の方法。
10. 加熱工程において、加熱デバイスを、アウターパイプ（１０）およびインナーパイプ（２０）の内側に配置し、および、アウターパイプ（１０）およびインナーパイプ（２０）に対して、マンドレル（２）のロッド（３）と共に長手方向に移動させることを特徴とする、請求項６〜８のいずれかに記載の方法。
11. 拡張工程の後に、多層パイプ（１）の曲げ加工工程を含むことを特徴とする、請求項６〜１０のいずれかに記載の方法。
12. マンドレル（２）が円錐台の形状を有し、その最大直径がインナーパイプ（２０）の内径よりも大きく、最小直径がインナーパイプ（２０）の内径よりも小さいことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
13. 取り付け工程の後に、両方のパイプの端部を相互に溶接し、および、インナーパイプとアウターパイプとの間に真空を生じさせる工程を含むことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
14. 機械的な拡張工程のあいだに、インナーパイプおよびアウターパイプの間に不活性ガスの流れを適用する工程を含むことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
15. 少なくとも１つの機械的な拡張工程において、アウターパイプおよびインナーパイプを固定位置に保持しながら、マンドレル（２）をインナーパイプ（２０）の内部で長手方向に移動させることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
16. 少なくとも１つの機械的な拡張工程において、アウターパイプおよびインナーパイプをマンドレルに対して長手方向に移動させながら、マンドレル（２）を固定位置（２０）に保持することを特徴とする、請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
17. 多層パイプを製造する際に、相互に取り付けられたパイプに、０．１〜２０％である外径の変形と、０．１〜４０％である壁の厚さの変形とを生じさせることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の方法。

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