CN104271306A - 管状物品的锻造熔接的方法和设备以及放热焊剂混合物和放热焊剂混合物的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种锻造熔接方法，该方法包括：将至少两个用于熔接的部件(1,2)彼此相邻地放置在一起，部件之间放置有放热焊剂混合物(8)。加热该放热焊剂混合物(8)以引发放热反应，并且将这两个部件的接合面(12)按压在一起。被熔接的部件可以是管状的，尤其是管道。本发明还提供了用于锻造熔接方法的设备(20)和用于锻造熔接方法的放热焊剂混合物。

Description

管状物品的锻造熔接的方法和设备以及放热焊剂混合物和放热焊剂混合物的制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于锻造熔接操作的、特别适用于将管锻造熔接在一起的方法、装置和放热混合物的组分。
背景技术
在碳氢化合物(油和气)回收产业中，管道可以由按照美国石油学会(API)定义的技术指标设计和制造的两个带有螺纹的雌雄组合连接。这种类型的连接也被称为“销”和“套管”连接。螺旋形的螺纹接缝给予了通过该管段的流体两个管子的截面处可能泄漏的螺旋路径。
出于经济、环境和安全的原因，泄漏在大多数情况下是不可接受的。为了密封这种潜在泄漏的螺旋路径，业内普遍的做法是用管道涂料涂覆螺纹。
然而，单独使用管道涂料不足以实现流体密封性的密封，某些类型的辅助O型环密封件通常是必需的。辅助O型环密封件通常放置在其中一个套管部分的环形凹部。当销和套管连接后，辅助密封在销/套管连接处的相应表面之间变形，以实现良好的密封。辅助密封环可以由聚合材料或金属材料制成。
另一种类型的金属对金属密封，即所谓的特殊螺纹连接，需要锥形螺纹轮廓以使配对的螺纹形成强化的金属对金属的、周向连续的密封。虽然这种类型的连接比其他类型更好，但它在加工时需要相对高的耐受性，同时也更昂贵。
特殊的和常规的螺纹连接具有比管子的本体(例如在石油钻井作业中使用的套管)更大的直径，因此，必须钻出较大直径的孔来运行例如套管螺纹管。直径较大的井钻起来更慢，因此也会更加昂贵。一般来说，螺纹连接不如钢套管的强度，因此螺纹连接不能承受与套管(管)本身相同的机械应力。
由于需要从更深的井中以及从更硬的岩石层和更恶劣的环境中得到碳氢化合物，碳氢化合物回收产业的生产成本正在稳步增加。更深的井需要更多的套管柱(管段衬孔)，因此，螺纹连接通常需要比如果使用平连接(flushconnection)钻直径更大的孔。另外，更复杂的地质状况通常意味着更恶劣的钻井环境以及在运行钻孔中增加的套管压力。螺纹连接往往是钻柱的最薄弱的部分，同时由于螺纹连接承受扭矩应力的能力有限，可以阻止在孔中运行时套管的转动。
新的技术(如可膨胀管件)已经被开发，以减少在常规钻井过程中，深处发生的管子直径的损失。该技术涉及迫使工具沿管道向下，以扩大直径，从而允许更多的流量。
然而，无论是螺纹连接还是特殊连接，在这种类型的应用中均不能很好的工作，因为它们可能会失去密封的完整性，或者甚至在扩展操作中失效。
另一方面，由于熔接过程中产生的不均匀的微观结构，传统的液体熔接技术也存在问题，因为它们可能会产生薄弱点/部分，从而导致在扩展操作过程中失效。为了克服这个问题，提出了锻造熔接。由于锻造熔接是一个固态接合过程，它具有在熔接过程中产生更均匀的微观结构的潜力，因而更适合于膨胀管技术。
锻造熔接是一种固态熔接过程，它通过首先加热两个连合部分以产生高温，通常为熔融温度的50-90％，然后通过使用锻造力以及随后的可控的冷却或焊后热处理来连接金属结构。由于该技术具有产生具有更均匀的微观结构和性能的更高质量的平焊缝的潜力，它已经被用于熔接钢管材的井套管以及用于近海管道建设，以及用于接合线圈管。
这种技术在连接API管件中的应用已经被例如Moe的美国专利号为4,566,625、5,721,413和Anderson等人的7,181,821、7,774,917以及Rudd等人的美国专利申请公开号为2011/0168693所描述。
典型的管(tube)或管道(pipe)锻造熔接操作首先从末端修型(endprofiling)和清洁开始，以尽量减少管端部的生锈。接着，将管装入腔室中，然后将腔室抽真空，再回充惰性气体。在腔室达到所要求的条件(例如，预定义的氧气和水蒸汽的水平)之后，在连接操作进行时用来避免被氧化的所谓的屏蔽活性气体(SAG)的保护下，将所述管端部加热至所需的温度(例如，＞1200℃)。然后对被软化的管道端部施加压力，以使它们连接在一起，以实现锻造熔接。根据钢的类型、锻造温度和加热的均匀性，通过这些锻造熔接过程产生的微观结构可能既不理想，也不均匀，因此，需要进行焊后热处理。这可能包括使钢自然冷却，或通过控制钢的冷却速率，或通过快速冷却钢然后再加热使其微观结构松弛。
为了得到高质量的焊缝，管的端部应是干净和无氧化物的。另外，在锻造室内的气氛应含有最低量的氧和水蒸汽成分。为了防止熔接过程中新的氧化铁的形成并减少经常存在(甚至在仔细清洗过程之后还存在)的残留氧化铁，使用SAG，例如氢气/氮气的混合物以减少空气。
在实践中，在合理的时间跨度内，非常难以实现没有氧和水分的气氛以及没有金属氧化物的管末端。因此，不能保证每一个焊缝都能高品质的锻造熔接。
此外，由含有铁氧化物和/或氢氧化物作为主要的污染物的碳钢制成的管道能够成功地利用现有技术(SAG锻造熔接)进行连接，那些含有更稳定的金属氧化物(例如氧化铬)的其他钢种是更有问题的。除非使用更高的温度和更长的时间，否则通过使用例如氢的还原很难除去这些氧化物。
因此，有必要进一步改进锻造熔接技术。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种锻造熔接技术，包括：
将至少两个用于熔接的部件彼此相邻地放置在一起，其间放置有放热焊剂混合物；
加热该放热焊剂混合物以引发放热反应；并且
将这两个部件的接合面按压在一起。
本文所描述的方法尤其适用于锻造熔接管状部件或管道，例如，由各种不同钢制成的“API”管道，用于石油和天然气工业。然而，该技术也可以用于其它物件的锻造熔接。
该方法还可以包括将外部的热量施加到正在准备的连接处，以协助达到用于连接部件所需的锻造熔接温度。
该方法还可以包括在部件连接后的受控冷却过程，和/或熔接后热处理过程。这可以提高部件之间的锻造熔接的质量。
如果需要的话(例如，出于安全的原因)，该方法还可以包括如现有技术的锻造熔接方法通常需要的那样，在填充有惰性气体的腔室中或者可选地在含有活性气体(如氢或CO)的气氛中进行操作。
然而，如本文所述的利用放热焊剂混合物的方法可以使锻造熔接在不需要特殊气氛的条件下(例如在空气中)进行。与现有技术相比，这具有明显的优势，因为熔接可以在未提供惰性气体、未提供用于容装惰性/活性气体的腔室以及未提供在充入惰性气体或活性气体的混合物之前(通常所需的)用于对腔室进行抽真空的真空泵的情况下实现。因此本文描述的方法特别适合用于“在现场”的熔接操作中，例如在油田建井或管道施工作业中。该方法也比需要惰性气体或活性气体的混合物以及相关设备的现有技术更经济。
典型地，该方法通过将具有适当形状的固体单元(片)放热焊剂混合物置于两个部件之间使其连接来进行。典型地，这两个部件可以为具有被铣出轮廓以在熔接过程中形成彼此间很好地配合的末端的管段。可以通过机械加工正在被连接的部件的端部(例如管端)至特定的形状和轮廓来铣出轮廓。
可能需要通过实验以及正在被连接的金属的特性方面的知识来确定与所述轮廓相关的适当的加热速率和温度。当将管道连接时，两个管道的端部被有利地加工成具有相同或略有不同曲率的凸状(径向阳性形状)轮廓。管道壁的末端，从横截面看时具有凸状(径向阳性形状)轮廓。如下所述，其他轮廓可以有效地利用。感应或焦耳加热(通过一对或多对电极传递的直流电)的方法可用于预先确定的加热情况。
持续加热(例如到700-1200℃)至少直到放热焊剂混合物发生反应，形成熔融焊剂流体。通过有效溶解两个管道末端的氧化物，熔融焊剂包覆和清洁管道末端。本文所描述的放热焊剂具有随着温度的升高，对包覆在管道末端的金属氧化物的溶解速率增大的优于传统(非放热的)焊剂的性能。伴随发生在放热焊剂的放热化学反应过程中产生的高温使溶解速率大幅度增加。再一个优点是，放热焊剂也加热并软化接合面的薄层，因此，从外部加热需要的热量更少，同时为了得到高品质熔接所需要的锻造力也更小。
施加锻造力，挤出部件(如管端)之间的熔融焊剂，从而实现接合面之间的高品质熔接。由于选择放热焊剂混合物以产生玻璃态行为或基本上玻璃态行为的熔融焊剂流体，具有比例如正在被接合的钢部件低的热膨胀系数，大部分的焊剂在锻造后的冷却过程中剥落。附着到接头上的任何剩余的焊剂部分可以容易地通过磨擦和/或振动处理清除。基于正在被锻造的材料(金属)的种类，可能需要焊后热处理，或者为了达到所要求质量的熔接接头，焊后热处理可能是适宜的。
典型地，该方法还包括测试程序，以确保接头的可接受的质量。无损检测方法例如可以通过使用一系列的电磁超声换能器(EMAT)组件来检查焊缝质量而进行，或焊缝可以通过使用X射线进行检查。其他无损检测技术可以被使用。
根据本发明的第二方面，提供了一种放热焊剂混合物，以实施根据本发明的第一个方面提供的锻造熔接方法。该放热焊剂混合物还可以用于其他熔接工艺。为了便于使用，该放热焊剂混合物通常以固体形式提供，通常通过将如下所述的粉末状组分的混合物一起进行压制而成。
该放热焊剂混合物可以含有各种金属氧化物，具有典型的一种或多种过渡金属或其它氧化物、硼氧化物或卤化物，例如一种或多种氟化物和/或氯化物。该混合物带有燃料，与氧化物发生反应以产生温升。该燃料可以含有选自由铝、硅、钙、镁和钛(或其它可与过渡金属氧化物反应的金属)组成的组中的元素或元素的混合物，这些元素中两种或两种以上的混合物或含有这些元素中两种或两种以上的合金。无论是作为唯一的燃料或作为混合物中使用的燃料之一，钙-铝(Ca-Al)合金可以提供有用的燃料。优选地，Ca-Al合金含有10-50重量％的Al。具有高于50重量％的Al的Ca-Al合金可以在焊剂中产生过高量的氧化物，从而导致高的熔化温度。由于熔融焊剂的流动性降低，这可能导致在熔接过程中对管道结合面保护的降低。低于10重量％的Al的合金可能难以压成粉末以制备放热焊剂，同时它们更容易受到水分的影响。
优选的放热混合物通常含有(按重量计)20-50％的过渡金属氧化物、10-25％的燃料、10-60％的硼氧化物、以及0-50％的氟化物和/或氯化物。该混合物还可以含有0-30％的其它氧化物。典型地，该组分以细粉末的形式提供。
这些组合物可以表现出600℃到800℃之间的点火温度(即放热反应变成自持的温度)、以及1200℃到2200℃之间的燃烧温度(放热反应过程中达到的最高温度)以及能够无流失地涂覆管道末端的粘度。在放热反应后，这些混合物形成通常含有(按重量计)10-30％的碱性氧化物(例如氧化钙、氧化镁等)、2-20％的氧化铝、10-60％的氧化硼、0-30％液态金属和0-50％的氟化物和/或氯化物的熔融焊剂。在锻造熔接过程中，该熔融焊剂被挤出。
过渡金属氧化物的实例包括但不限于：铁、锰、镍、铜、钴、钛、钼和铬的氧化物。用于熔接API钢管材时，优选使用铁氧化物、镍氧化物、铬氧化物、和/或锰氧化物作为过渡金属氧化物。
可以含有的其他氧化物是作为玻璃网络改性剂的某些碱性氧化物，因此，可以减小熔融焊剂的粘度，从而有助于在管道表面的流动和涂覆以用于清洁和保护管道表面。它们包括但不限于：碱金属氧化物(例如锂氧化物、钠氧化物或钾氧化物)、碱土金属氧化物(例如钡氧化物、钙氧化物或镁氧化物)。在一些实施例中，过渡金属氧化物(如铁(II)氧化物和/或锰(II)氧化物)也可以用作玻璃网络改性剂。二氧化硅和硅的其它氧化物(例如如硅酸钠的硅酸盐)亦可以用作如下文讨论的玻璃形成剂。
硼氧化物有利地用在混合物中，从而在熔化时有助于焊剂混合物中的玻璃形成或玻璃态行为。它也可以在混合物中用作粘合剂，因为它可以在低温下部分或完全熔化。
因此，放热焊剂材料的牢固预成型体形状或单元(例如环)可以被制造。因此，这样的预成型体形状或单元可以通过加热(例如，＜500℃)而变得更加牢固，而不会造成导致放热焊剂燃烧的实质性反应。
也可以将硅氧化物用在混合物中，以作为玻璃形成试剂以及在某些情况下增加熔融焊剂的粘度。二氧化硅或其它氧化物如硅酸盐可以通过各种手段引入到混合物中。例如，当使用硅作为燃料时，它减少了混合物中的过渡金属氧化物。可选的或附加的二氧化硅或其它含硅化合物如硅酸钠可以用作该混合物的成分。
在焊剂混合物中所用的卤化物，例如氟化物和/或氯化物，包括但不限于碱金属的卤化物，如钾、锂和钠的卤化物；也可使用碱土金属的卤化物，如钡、钙、镁和锶的氟化物和/或氯化物。
其它卤化物，如铝的氟化物和/或氯化物，也可以使用。
碱土金属的氟化物优选用于高放热的混合物，即，那些能够产生相对高的燃烧温度(即放热反应过程中达到的最高温度，例如，>2000℃)的混合物，因为这些氟化物具有高沸点。对于弱放热的混合物，可以使用具有低沸点的氟化物和/或氯化物。
当使用氟化物和/或氯化物的混合物时，优选选择每种氟化物和/或氯化物的相对量以使得它们形成低熔点共晶组合物。在需要快速反应的场合下，在制备放热焊剂混合物时，使用这些氟化物和/或氯化物的预熔化的共晶组合物是有利的。预熔化的共晶卤化物混合物通过首先一起熔化每种卤化物组分来制备。然后将该熔融混合物冷却并粉末化以包含在放热焊剂混合物中。
除了放热反应所需要的燃料和过渡金属氧化物之外，该放热混合物有利地含有玻璃形成剂(例如，氧化硼、氧化硅)、玻璃网络改性剂(例如，可以是或也可以不是过渡金属氧化物的碱性氧化物)、一种或多种氟化物和/或氯化物的优化组合。
放热混合物中的每种组分以细粉末的形式提供对于效率和均匀混合是有利的。所有粉末的粒径可以介于325目(45μm)和60目(250μm)之间。粒度大于60目的粉末往往具有太长时间的点火和太慢的反应速度，同时粒度小于325目的粉末更昂贵并且可能更容易受到水分的影响。这特别适用于在燃料含有钙的情况下。一般说来，选择不同的颗粒尺寸提供了控制放热混合物的点火和反应速率的手段。
调节该混合物的组成以达到所期望的碱性、反应性、点火性以及适合组件(例如被焊接的API钢管类型)的粘度的组合。例如，用于焊接不锈钢管的放热混合物与焊接碳钢管的放热混合物在组成、点火温度以及燃烧温度均不同，因为用于熔解铬氧化物(在不锈钢的表面上)的焊剂可能不同于用于熔解铁氧化物或氢氧化物(在碳钢上)的焊剂。
不锈钢的焊接可以通过使用更激进的焊剂混合物(例如使用能释放出更多热能的具有更高发热量的混合物和/或使用含有较高量的能够有效溶解铬氧化物的氟化物和/或氯化物和/或氧化物)而完成。
这些组合物通常表现出600℃到800℃之间的点火温度(放热反应变成自持的温度)、1200℃到2200℃之间的燃烧温度，以及表现出能够无流失地涂覆管道末端的粘度。
根据本发明的第三个方面，提供了一种用于制造用于锻造熔接的放热焊剂混合物单元的方法。这些固体单元通常通过将各个组分的细微粉末一起混合，然后在模具中对获得的混合物进行压制，以生产进行锻造熔接过程中所需要形状的所谓“生”的或未反应的固体焊剂混合物单元而制备。
例如，当用于将管子锻造熔接在一起时，该单元被铸造成放热焊剂环的形状。焊剂环的尺寸和待连接的管子的直径相适应。焊剂环由事先混合好的包括氧化物成分、燃料、氟化物和/或氯化物的反应物粉末组成，所述混合的方法可以为传统的混合技术，诸如翻滚、球磨等，优选在无水分的惰性气氛中进行。然后将充分混合的反应物混合物单向地压入模具内，以形成具有已经设计好的端部轮廓和50-80％范围内的理论混合物密度的生坯密度的环状的生制件(green form)。
优选地，然后将环或其他固体单元在压制后进行热处理，例如在400-500℃的温度下处理2-30分钟，或者甚至在450-500℃下处理2-20分钟。可选地，加热也可以在压制过程中进行。具体的热处理温度和时间取决于待制备的环或其它固体单元的组成、质量和尺寸。一般来说，具有更高质量、更大环尺寸和更低氧化硼含量中的任意一个或多个的环需要较高的热处理温度和较长的加热时间，以产生最佳的结果。设计热处理以使全部或部分(取决于硼氧化物在混合物中的量)硼氧化物熔化，硼氧化物可以提高环的机械强度，从而更容易处理。同样的原则也适用于除了环之外的固体单元。热处理过的固体单元已经显示出(即使当受到一些中等的机械力时)改进的耐破碎性。
通常使焊剂环成形，以紧密地与待接合的管道端部贴合。管道端部根据不同的应用可以有各种形状，包括径向阳性形状、径向阴性形状以及带有可容纳熔融焊剂的容器的其他形状。从横截面看，管道壁具有阳性形状或阴性形状或带有可容纳熔融焊剂的容器的其他形状。有利地，至少一个正在被连接的管道末端的壁(从横截面看)在其末端具有从管道壁的内侧朝向管道壁的外侧向后倾斜(远离管道末端)的轮廓，来引导熔融焊剂和任何杂质离开熔合线到管的外部。例如，管道壁的端部可以从它的内表面倾斜回到它的外表面。
在管道的一个末端采用径向阴性形状的情况下，相应地与该阴性形状相配合的阳性形状也被采用。如果阴性轮廓和接受相应凸轮廓阳性形状的凹腔一起使用，阴端曲率半径应大于相应的阳端半径。这允许所有的焊剂和污染物在使用锻造力的时候有排除焊缝的路径。在如下文所述的垂直锻造的情况下，阴性轮廓当应用于下部的管道时有利于利用重力来协助维持熔融焊剂池。
管道端部被轮廓化不仅在锻造熔接时提供良好的相互接触，而且允许由于应用锻造力以及供给***的热量引起的轮廓改变。例如，管道端部的厚度在准备连接时可能减小(例如斜面化)，由于锻造力将热软化的管道末端压接在一起，从而导致结合处增厚。通过选择轮廓，这很容易由实验确定，给定的管道类型和尺寸可以通过本发明的方法锻造熔接在一起以产生平滑或基本平滑的连接，而不需要大量的连接后处理除去过量的管道材料。
使用(不比管道本身直径大的)平滑连接的连接管道具有显着的优点。例如，在油井的钻井作业中，与使用在管道段之间的连接比管道直径大的常规的***相比，光滑的管道连接可以允许在更大的钻孔深度使用较大直径的管道。
本文所述的锻造熔接方法，可以在自动化或半自动化的锻造熔接机器上进行。例如，将两个管道的端部熔接在一起的锻造熔接机器可以包括：用于将管道固定至待熔接的端部对齐并紧密靠近的位置的夹具；用于点燃放热焊剂混合物的装置；用于提供热量到正在生产的接头或生产之后的接头上的装置；推动至少一个管道末端朝向另外一个管道末端，从而施加锻造力的装置。典型地，该设备具有一个控制器，例如基于微处理器的控制器，以控制机器的各种功能。该机器还可以包括其他功能，例如用于熔接后热处理的冷却装置(例如，供水)，在接头形成后用来清洗接头的清洗装置(例如振动器或磨擦工具)和用来检查制成的每条焊缝完整性的检测装置(例如在本领域中已知的超声波检测装置)。
虽然本发明是一种在空气中进行的锻造熔接，如果需要的话(例如，对于某些安全规定)，该机器还可以包括在其中进行锻造熔接的腔室，以及用于供给选定的气体或气体混合物到所述腔室的装置。该腔室也可以提供有真空泵，以便于当形成接头时在接头周围提供选定的气氛。
本发明的方法，尤其但不排他地，当使用锻造熔接机器的时候，包括例如在加热时两个管道末端朝向彼此的程序化的缓慢运动。例如，当使用位于接合点的感应线圈来为管道提供热量和点燃放热焊剂混合物时，两个管道的末端可以以相同的速度朝向彼此移动。
以相同的速度移动两个管道末端到加热区(例如由感应线圈提供)有利于均匀地加热两个管道末端。然而，这具有需要同时移动两个管道的装置的缺点。作为替代，第一管道保持固定，而第二管道朝向第一管道运动。在这种情况下，加热感应线圈可与移动管同时移动以保持均匀的加热。
典型地，所述运动在放置于管道末端之间的放热焊剂混合物点火之前以及焊剂环由于加热***的点处和该点之后开始。对于本发明的放热混合物，所述运动在通常出现在约500-550℃的放热混合物软化温度之后开始。
有利的是，点火开始前，管道末端最初以相对低的速度朝向彼此移动，例如大约每分钟4mm，通常在500-600℃的温度范围内，或者甚至在500-650℃的温度范围内。在放热环被点燃后，运动速率通常将增加，例如增加到每分钟10-60mm，通常当温度为约600-800℃，或者甚至在600-1000℃时。管道末端持续地一起运动，保证焊剂很好地涂覆到管道表面，以及随后由于管道被挤压到一起而将熔融焊剂挤压出来，以及最终应用所需的(通常为预编程的)锻造力。为了避免可能的对放热焊剂环的破坏，点火前的总移动距离一般不应超过约20％的环的高度。
在典型的方法中，两个管道的移动被选择为当(在使用锻造力之前)移动完成时，一个1-3mm的间隙保留在两个管道末端。然后应用锻造移动，移动管道末端使之接触并使它们连接到一起以获得熔接的焊缝。
在一个便利的排列中，当末端以一个垂直放置在另一个上端时，将管道连接到一起，即，使用垂直锻造。例如，在锻造熔接机器上，下部的一个管道具有放置在其末端顶部的放热焊剂环。上部的第二管道放置在下部管道的末端的上方，并且相应端对齐。然后使用感应线圈或其他加热装置点燃放热焊剂环，并且上部的管道以受控的方式且包括当达到合适的温度条件时使用锻造力降低到下部的管道上。
当处于水平方向或其他选定的角度时，两个管也可通过本文描述的方法熔接到一起。
附图说明
本发明进一步的特征和优点将通过参照附图描述的一些具体实施方式进行详细的描述。其中：
图1a-1f示出了管道采用放热焊剂环的锻造熔接；
图2示出了原位锻造熔接油田钻井管道；
图3为制备放热环的步骤流程图；和
图4a-4d示出了通过使用放热焊剂环锻造正在接合的轮廓化管道末端；
图5a和5b示出了顶部具有阳性(凸)轮廓和底部具有阴性(凹)轮廓的两个连接管道；和
图6a和6b示出了使用引导熔融焊剂到外部的轮廓连接管道。
一些优选具体实施方式和实验结果的描述
下述实施例示出了用于连接管道的放热混合物和放热环的制备、混合物的使用。然而，它们不应该视为对本发明的限制。
实施例1--使用含有(重量％)31.9％的铁(III)氧化物、6.0％的钙、8.1％的铝、9.7％的氟化钠、6.5％的氟化铝和37.8％的氧化硼的混合物制备放热焊剂环(如图3中所示，下面将讨论)。
首先，按照上述的比例称量各组分的粉末以制备放热混合物。然后通过诸如翻滚或球磨的传统的粉末混合技术充分混合粉末。然后在具有两个带有凸轮廓的活塞的模具中，将约6g反应物粉末的充分混合的混合物进行压制，以生成具有大约60％理论密度的并具有如下文所述并参考图4的用以接受管道末端的凹槽的生预成型件，形成尺寸为具有约50mm外径、5mm壁厚和4mm高度的放热焊剂环。然后将生预成型环在460℃下热处理2分钟，然后使其自然冷却。
然后将热处理过的预成型件(具有例如大约4mm的高度)放置在具有凸轮廓末端的两个钢管之间。钢管端部通过感应加热。一旦达到约750℃的温度，预成型件点燃反应产生热量(计算1600K的绝热燃烧温度，不含预加热)和生成含有钙、铝和硼的氧化物，钠和铝的氟化物，铁金属以及它们的化合物的熔融的产物材料。高温产物材料提供热到管道末端的表面，并且迅速地溶解表面的氧化物和受新的氧化作用的保护。管道随后一起移动共8mm(4mm为起始4mm的间隙，4mm为锻造距离)。熔融焊剂被挤出，同时管道熔合以形成焊缝。
实施例2--使用含有(重量％)23.5％的铁(III)氧化物、9.3％的氧化镍、13.9％的钙、3.9％的铝、5.4％的氟化钡、9.6％的氟化钙、9.6％的氟化镁和24.8％的氧化硼的混合物制备放热焊剂环(如图3中所示)。本实施例中，氟化物被预熔融在一起，然后将所得的氟化物混合物冷却并粉化，以形成用于焊剂环混合物的混合氟化物成分。按照上述的比例称量各组分的粉末以制备放热混合物。然后通过诸如翻滚或球磨的传统的粉末混合技术充分混合粉末。然后在具有两个带有凸轮廓的活塞的模具中，将约6g反应物粉末的充分混合的混合物进行压制，以生成具有大约60％理论密度的、具有约50mm外径、5mm壁厚和4mm高度尺寸的生预成型件。然后将生预成型件在460℃下热处理4分钟，然后使其自然冷却。然后将4mm高的生预成型件放置在具有凸轮廓末端的两个钢管之间。钢管端部通过感应加热。一旦达到约750℃的温度，预成型件点燃反应产生热量(计算1700K的绝热燃烧温度，不含预加热)和生成含有钙、铝和硼的氧化物，钡、钙和镁的氟化物，铁和镍金属以及它们的化合物的产物材料。高温产物材料提供热到管道末端的表面，并且迅速地溶解表面的氧化物和受新的氧化作用的保护。管道随后一起移动共8mm(4mm为起始4mm的间隙，4mm为锻造距离)。熔融焊剂被挤出，同时管道熔合以形成焊缝。
在实施例1和2中，氧化铁(III)和氧化镍被用作氧源，并且钙和铝用作放热反应的燃料。其他的过渡金属氧化物，如铁(II，III)的氧化物、锰的氧化物、铜的氧化物、钼的氧化物等也可以用作氧源。此外，其他燃料如镁、硅或其它金属可以代替钙、铝元素使用。此外，也可使用这些金属的合金作为燃料。
实施例3--使用含有(重量％)36.2％的锰(IV)氧化物、14.2％的钙-铝合金(含25重量％的铝)、8.0％的氟化钡、1.6％的氟化钙、1.5％的氟化镁和38.5％的氧化硼的混合物制备放热焊剂环(如图3中所示，下面将讨论)。
首先，按照上述的比例称量各组分的粉末以制备放热混合物。然后通过诸如翻滚或球磨的传统的粉末混合技术充分混合粉末。然后在具有两个带有凸轮廓的活塞的模具中，将约75g反应物粉末的充分混合的混合物进行压制，以生成具有大约60％理论密度的并具有如下文所述并参考图4的用以接受管道末端的凹槽的生预成型件，形成尺寸为具有约248mm外径的、11mm壁厚和3.5mm高度的放热焊剂环。然后将生预成型环在450℃下热处理30分钟，然后使其自然冷却。
然后将热处理过的预成型件(具有例如大约3.5mm的高度)放置在具有凸(阳性)轮廓末端的两个钢管之间。钢管端部通过感应加热。一旦达到约750℃的温度，预成型件点燃反应产生热量(计算1800K的绝热燃烧温度，不含预加热)和生成含有钙、铝、锰和硼的氧化物，钡、钙和镁的氟化物，锰金属的熔融的产物材料。高温产物材料提供热到管道末端的表面，并且迅速地溶解表面的氧化物和受新的氧化作用的保护。管道随后一起移动共8mm(4mm为起始4mm的间隙，4mm为锻造距离)。熔融焊剂被挤出，同时管道熔合以形成焊缝。
含有25重量％铝的钙-铝合金被用于实施例3中。然而，也可以使用其他铝含量在10-50重量％的钙-铝合金。
图1a-1f示意性地示出了应用于管道截面中的锻造熔接方法。
图1a中示出了两个管道片段1和2的局部正视图。两个管道片段1和2均具有轮廓化的末端4,6(在本实施例中是倾斜的)。下部的管道片段1由夹具(未示出)固定，并在末端4的顶部具有放热焊剂环8(在该图中未示出，但可参见图1b)。管道片段2位于上方，并通过适当的夹具与管道片段1对齐。
感应加热线圈(为清楚起见未示出)位于所述管道末端4、6以及放热焊剂环8周围。通过感应线圈提供热量点燃焊剂环8，上部的管道片段2按照箭头A所指示的方向向下行进以挤出来自于焊剂环8的熔融焊剂。熔融焊剂清洗管道末端4、6，移除它们表面的氧化物，以及阻止氧或空气的侵入。
该过程继续进行，直到管道片段在图1c中所示的12处接触。在这个阶段，熔融焊剂已被从接触的管道表面之间驱出，而温度也适合于锻造熔接(通常在约800至1200℃)。移动A继续，以在管道片段1和2之间提供箭头B所示的与箭头A方向相反的锻造力；箭头C表明来自于接触区域12的软化的管道材料向外方向。可以理解的是，当施加锻造力时，也可以有一些材料向内(朝向管子的中心)移动。
图1d示出了管道1和2之间已完成的由虚线4表示的焊缝。通过选择适当的管道末端轮廓、放热焊剂环的大小和类型以及锻造力的应用，可以生产基本不需要焊接后处理(如去除残留在连接处的焊剂和/或过量金属)的光滑接头。如果需要或期望，该方法还可以包括在初始的熔接步骤之后的加热和冷却处理，以提高连接的质量。
图1e示出了图1b的放热焊剂环8的平面图，并且符合倾斜边4、6的放热焊剂环8的形状在沿X-X的横截面正视图(图1f)中将清楚地看到。将环8的横截面10成形以适应斜切的管道末端4、6。
图2示意性地示出了类似于图1所示的方法。油井钻井平台16具有以通常的方式从它向下延伸的钻井管道1(钻柱)。管道1需要另外一个管道片段2，以适合继续进行到更大的深度(钻驱动器等是常规的，在本图中未示出)。新的管道片段2悬挂在管道1的上部位置(通过线18悬挂)。被连接的两个管道1和2由锻造熔接机器固定，未详细示出，但由虚线20表示。该机器包括一个或多个夹具以将管道末端固定在适当位置，并根据需要驱动管道2向管道1移动。该机器20还包括加热装置(例如感应线圈)来加热管道末端4、6以及使用的放热焊剂环(未示出)。也可提供冷却装置，例如水冷装置或气冷装置。该机器20还可以有整套的超声装置或其他无损检测装置用来测试完成的连接。由方块22示意性表示的控制器控制了机器20的操作。使用机器20实施的锻造熔接过程与图1所示的相似。通过这种方式，可以在钻井过程中实现新的管道片段快速和安全地连接至钻柱。典型的实现测试的熔接时间可以是5-12分钟，其中包括加载新的管段就位的时间以及之后达到可再次用于钻井作业的熔接的时间。
图3是说明制备放热焊剂混合物的固体单元(例如在上述实施例1和2中讨论的焊剂环)的流程图。称量组分粉末24，然后均匀地混合在一起26。通常地，所述均匀混合通过例如在合适的滚筒或其它混合容器中翻滚在一起的方式进行。也可使用球磨。然后在挤压30到需要的如用于连接管道的环的形状之前，将该混合物装入合适的模子或模具28中。然后将通常具有50-80％理论密度的经挤压的固体单元进行热处理32，以形成最终的固体单元。设计热处理32以使全部或部分(取决于氧化硼在混合物中的量)硼氧化融化。这可以提供环的机械强度，从而更容易处理。
图4示意性地示出了适用于本发明的锻造熔接过程的管道末端轮廓的例子。图4a示出了从末端4看的管道片段1，其被铣制成具有凸面曲线的径向阳性形状末端。
管道片段示出了沿AA线的横截面，图4c为在图4b中具有末端4横截面表面的放大的细节(圆圈部分X)。在图4c中可见，管道末端4的轮廓包括位于外壁36上的倾斜部分34和位于内壁40上的略微倾斜部分38(较浅角度和较短的长度)。该管道末端4的轮廓的外边缘(从横截面看的管壁)通过两条平行的短部分42、44和凸起末端端面46终止。
当连接具有图4c所示轮廓的两个管道末端时，可以使用局部横截面图4d中所示的具有两个凹槽48的放热焊剂环8。该方法可以参考上述图1和2所述的进行。在加热和点火放热焊剂环8、适当地推进管道末端4和6朝向彼此移动时，凸端面46将首先在位于它们表面上的最外面的点50处彼此接触。
当施加锻造力(箭头A和B所示)并且热软化的管道末端4、6扭曲并熔接在一起时，熔融焊剂将被从形成的关节处挤出，并且连接区域处的金属也将如箭头C和D所示的方向被迫向外，正在形成的关节处的管壁厚度增加。管道末端的倾斜部分34和38将至少容纳一些这种增厚，减少甚至防止接头比原管直径具有更大的直径。当为了改善接头质量而施加的冷却处理和任何热处理循环完成之后，接头可以通过需要或要求的清洗或磨擦而结束。
图5a和图5b示意性地示出了另一个适用于本发明的锻造熔接过程的管道末端轮廓的例子。在本实施例中，一个垂直熔接操作正在进行。
图5a示出了与图4d相似的两个管道末端4和6的示意性的局部横截面轮廓。上部的管道末端4具有阳性径向形状，包括斜面34、38和在其壁上的凸端面46。下部的管道末端6具有两个斜面34、38和具有凹端面52的阴性径向形状。放热焊剂环8没有任何具体示出，但由虚线表示。如上所述，将焊剂环加工成型以适应管道末端的轮廓。
图5b示出了与图5a中的部分横截面细节视图相似的两个相同管道末端4、6，但是在对放热焊剂环点火后的锻造熔接过程中，所述两个末端4、6通过锻造力按照箭头A和B的方向正在被压制到一起。熔融的焊剂易于保留在下部管道末端6的管壁凹端面52上，清洗在熔融焊剂中被熔接到一起的表面，使得金属表面具有更多的热转移和更有效的清洁。
位于下部的末端6上的凹面52的半径大于位于上部的末端6上的凸面46的半径，以使得熔融焊剂可以容易地在随后的熔接操作中按照箭头54的方向被挤压出。
图6a示出了与图5b中的部分横截面细节视图相似的两个管道末端4、6。管道末端4、6由于按照箭头A和B施加的锻造力而接触。本实施例中，上部管道的两个末端4在其末端55具有从管道壁40的内侧朝向管道壁36的外侧向后倾斜的轮廓，以引导熔融焊剂和任何杂质离开熔合线(接头在熔合线处形成)至管道之外。熔融焊剂的挤出由箭头54所示。通过这种方式，大部分的焊剂被引导到管道之外，此时在连接后更容易移除粘接到管道的材料。应当理解的是，本发明的这种实施例中使用的轮廓不必是如图6a中所示的那样径向倾斜向外的平坦的斜面56，但是可以具有例如倾斜向后的凸曲率并在管道末端处远离内壁。
图6b中示出了与图6a可比较的视图，但在本实施例中，将两个管道末端4、6铣成当施加锻造力时将熔融焊剂(以箭头54的方向)引向管道外壁36的轮廓。
可以理解的是，以上纯粹通过举例的方式描述了本发明，并且可以进行的对细节的修改也在本发明的范围内。
说明书中公开的每个特征以及(在适当情况下)权利要求和附图可以独立地或以任何适当的组合来提供。

Claims (36)

1.一种锻造熔接方法，该方法包括：
将至少两个用于熔接的部件彼此相邻地放置在一起，其间放置有放热焊剂混合物；
加热该放热焊剂混合物以引发放热反应；并且
将这两个部件的接合面按压在一起。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，正在被熔接的部件是管状的，以及所述接合面为管的末端，特别地，管状部件为管道。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，该方法进一步包括将外部的热量施加到正在准备的连接处。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，该方法进一步包括受控冷却过程和熔接后热处理中的至少一者。
5.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，该方法进一步包括在填充有惰性气体或活性气体的腔室中进行操作。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，在空气中进行操作。
7.根据权利要求2-6中任意一项所述的方法，其中，两个管状部件被熔接，并且至少一个正在被熔接的部件的端部具有被铣成阳性径向形状、阴性径向形状以及在其端部从管状部件壁的内侧朝向管状部件壁的外侧向后倾斜的轮廓中一种轮廓的壁。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，两个管状部件的管末端均具有阳性径向形状的壁。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，一个管状部件的末端具有阳性径向形状的壁，并且另外一个管状部件的末端具有阴性径向形状的壁。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，阴性径向形状的壁末端具有接受相应的阳性径向形状的壁末端的凸轮廓阳性形状的凹腔；并且其中，阴端曲率半径大于相应的阳端半径。
11.根据权利要求2-10中任意一项所述的方法，其中，两个管状部件正在被熔接，并且在正在被熔接的末端，部件的壁厚减小。
12.根据权利要求2-11中任意一项所述的方法，其中，两个管状部件正在被熔接，并且其中，它们在垂直方向时被熔接。
13.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，两个部件正在被熔接，并且在将接合面按压在一起之前，它们在至少两个预锻造阶段中朝向彼此移动，所述预锻造阶段包括：
a)点燃放热混合物之前的较慢的移动；和
b)点燃放热焊剂之后的较快的移动。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述两个部件要么同时朝向彼此移动，要么其中一个部件朝向另外一个部件移动。
15.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，置于两个部件之间的所述放热焊剂混合物以成型的固体单元的形式存在。
16.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述放热焊剂混合物含有：
选自由铝、硅、钙、镁、钛，这些元素中两种或两种以上的混合物，以及含有这些元素中两种或两种以上的合金组成的组的燃料；
一种或多种过渡金属氧化物、硼氧化物和卤化物。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述放热焊剂混合物具有按重量计20-50％的过渡金属氧化物、10-25％的燃料、10-60％的硼氧化物以及0-50％的氟化物和/或氯化物的组分。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，所述过渡金属氧化物选自由铁、锰、镍、铜、钴、钛、钼和铬的氧化物组成的组。
19.根据权利要求16-18中任意一项所述的方法，其中，所述放热焊剂混合物进一步含有按重量计高达30％的选自由碱金属氧化物、碱土金属氧化物、硅的氧化物以及它们的组合组成的组。
20.根据权利要求16-19中任意一项所述的方法，其中，所述放热焊剂混合物含有Ca-Al合金作为唯一燃料或一种燃料，并且该合金含有10-50重量％的Al。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述Ca-Al合金含有10-50重量％的Al。
22.一种用于实施按照权利要求1-15中任意一项所述的锻造熔接方法的放热焊剂混合物，该放热焊剂混合物含有：
选自由铝、硅、钙、镁、钛，这些元素中两种或两种以上的混合物，以及含有这些元素中两种或两种以上的合金组成的组的燃料；
一种或多种过渡金属氧化物、硼氧化物和卤化物。
23.根据权利要求22所述的放热焊剂混合物，其中，所述放热焊剂混合物具有按重量计20-50％的过渡金属氧化物、10-25％的燃料、10-60％的硼氧化物以及0-50％的氟化物和/或氯化物的组分。
24.根据权利要求22或23所述的放热焊剂混合物，其中，所述过渡金属氧化物选自由铁、锰、镍、铜、钴、钛、钼和铬的氧化物组成的组。
25.根据权利要求22-24中任意一项所述的放热焊剂混合物，其中，所述放热焊剂混合物进一步含有按重量计高达30％的选自由碱金属氧化物、碱土金属氧化物、硅的氧化物以及它们的组合组成的组。
26.根据权利要求22-25中任意一项所述的放热焊剂混合物，其中，所述放热焊剂混合物含有Ca-Al合金作为唯一燃料或一种燃料。
27.根据权利要求26所述的放热焊剂混合物，其中，所述Ca-Al合金含有10-50重量％的Al。
28.一种用于制备用于锻造熔接的放热焊剂混合物单元的方法，该方法包括通过将各个组分的细微粉末一起混合而制备根据权利要求22-27中任意一项所述的放热焊剂混合物；
然后在模具中对获得的混合物进行压制，以生产未反应的放热焊剂混合物单元。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，在压制之后，将所述未反应的放热焊剂混合物单元进行热处理。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，在压制之后，将所述未反应的放热焊剂混合物单元在400-500℃的温度下热处理2-30分钟，或者在450-500℃的温度下热处理2-20分钟。
31.根据权利要求28所述的方法，其中，将所述未反应的放热焊剂混合物在模具中压制的过程中进行热处理。
32.根据权利要求28所述的方法，其中，将所述未反应的放热焊剂混合物在模具中压制的过程中在400-500℃的温度下热处理2-30分钟，或者在450-500℃的温度下热处理2-20分钟。
33.根据权利要求28-32中任意一项所述的方法，其中，所述放热焊剂混合物含有：
选自由铝、硅、钙、镁、钛，这些元素中两种或两种以上的混合物，以及含有这些元素中两种或两种以上的合金组成的组的燃料；
一种或多种过渡金属氧化物、硼氧化物和卤化物。
34.一种用于通过权利要求2-21中任意一项所述的方法实施管锻造熔接的锻造熔接机器，该锻造熔接机器包括：用于将管道固定至待熔接的端部对齐并紧密靠近的位置的夹具；用于点燃放热焊剂混合物的装置；用于提供热量到正在生产的接头或生产之后的接头上的装置；以及推动至少一个管道末端朝向另外一个管道末端，从而施加锻造力的装置。
35.根据权利要求34所述的锻造熔接机器，其中，所述机器进一步包括冷却装置、在接头形成后用来清洗接头的清洗装置、用来检查制成的每条焊缝完整性的检测装置中的至少一者。
36.根据权利要求34或35所述的锻造熔接机器，其中，所述机器进一步包括：
在其中进行锻造熔接的腔室；
用于供给选定的气体或气体混合物到所述腔室的装置；和，
任选的真空泵，以便于当形成接头时在接头周围提供选定的气氛。
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