CN104550281A - 复合管材制造工艺及成形复合生产线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合管材制造工艺及成形复合生产线，应用于以金属管为外层管、非金属管或金属管为内层管之间的复合，其工艺步骤为：将符合要求待复合的两种管料，按要求套合后，对其外层金属管料进行在线快速预加热处理，同步将其在特定的热态减径成形装置上进行无润滑的热变形，继之在变形区出口外端一定距离处通过冷却装置进行快速而均匀的冷却，最终得到具有高质量复合界面的复合管材。本发明确保生产的金属与非金属复合管材能够长期服役于温度小于150℃条件下较为复杂的工况环境，也能够确保金属与金属复合管材长期服役于高温高压或低温环境下的各类耐蚀工况，由于外层管为金属，使用过程中易于探测深埋地下管道的泄漏点。

Description

复合管材制造工艺及成形复合生产线

技术领域

本发明涉及材料制造技术领域，尤其是一种应用于以金属管为外层管、非金属管或金属管为内层管的复合管材制造工艺及成形复合生产线。

背景技术

作为一种新兴材料，金属与非金属、金属与金属的复合管材是集结构材料和功能材料于一身的金属基复合材料，具有延寿、轻量化、性价比高和节约贵重资源等优点，其市场关注度和学术关注度日见提升。随着各类管材品种服役环境的日趋复杂化和恶劣化，对在各种复杂条件下服役的各类管材与管部件的性能、品种、质量稳定性以及清洁生产等方面都提出了越来越高的要求。面对诸如酸性油气天井下用油套管的延寿问题；高含水采油注水管系的耐蚀问题；确保地面集输管和污水处理***管系的良好整体性问题；稠油集输管系有效保温和抗结块以提高输送效能问题；大幅改善大型海洋浮式生产储卸装备(FPSO)集输管系、污水管系耐蚀、防辐射、隔热、阻燃和轻量化等综合性能问题；煤化工工程煤油浆等多相流体输送管系耐磨蚀、耐冲蚀、抗结块问题，盐碱化工原液、中间产物输送管系防氯离子腐蚀、碱腐蚀和氢腐蚀的问题，等等，业内人士一直面临着艰难的抉择。有些技术成本低，使用简便(如采用具有缓蚀效应化学药剂或表面喷涂法)，但技术可靠性有限，环保也较差，有的则使用可靠性较好，但生产难度较大，高额耗费难以承受且货源稀缺。国家“十二五”发展规划也对开发高品质、高性能复合材料给予了极大关注，开发、生产、和推广用于现代能源工业、海洋工业、化学工业、环保工业、运输工业以及绿色建材工业的金属与非金属的高性能复合管材的呼声日益高涨。

现有国内外生产应用金属与金属、金属与非金属复合管，已有相当长的时间，不过，产品均局限于中低端品种，使用条件一般以酸碱腐蚀和海水腐蚀为主，对环境的相容性要求不甚苛刻。而在复合工艺上主要采用双层管套拔或内扩的塑性加工来完成层间复合，即通称的机械复合法。采用所谓的冶金复合的钢铁基双层复合管材所占比重目前还相当有限，更别说金属与非金属复合管材的应用了。这方面既有经济型问题，也有质量稳定性方面的问题，这些问题不可避免地削弱了传统复合管材的市场竞争力。尽管机械复合技术具有工艺简单、生产成本低、一次性投资少的优点，但所生产的复合管尚不具备高紧密度和高稳定性的层间复合质量，因而难以进入高端制造领域，在能源、海洋、现代煤化工等重大装备的高端制造领域中，层间复合质量及其稳定性对装备的制造质量和使用质量有着关键性的影响，这一切在客观上就催生了一种新技术开发的需要，以制造出更具竞争力、比传统机械复合管材具有更可靠层间结合质量的高品质复合管材，满足能源、海洋、现代煤化工等重大装备的高端制造的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中之不足，提供一种复合管材制造工艺及所用的成形复合生产线，以生产出满足能源工程、海洋工程以及化学工程等重大装备高端制造领域使用要求的复合管材，实现其优质、低碳、稳定、延寿的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种复合管材制造工艺，应用于以金属管为外层管、非金属管或金属管为内层管之间的复合，具有如下步骤：

(1)、备料：按技术要求下料制备待复合的内层管、外层管，其中外层管为金属管，内层管为金属管或非金属管；

(2)、套管：按要求将内层管套入外层管内，套合后的内层管外壁与外层管内孔之间的单边间隙量保持在2～15mm，套合好的内外层管通过上料台架上料；

(3)、预热：将套合好的内外层管通过送进装置传送入加热装置，对外层金属管进行预热处理，加热温度为200～900℃，其中内层管材质为非金属时，加热温度以满足实现内层管外表面软化为准；

(4)、热态减径成形：将外层管已预热处理好的内外层管传送入塑性成形复合机进行热态减径成形处理，成形时复合管件的运转速度为5～15m/min,成型后管件的减径量为3～10％；

(5)、冷却：将减径成形好的复合管件送入距塑性成形复合机出口端50～300mm处的冷却装置，采用环状水喷淋方式对复合管件的带温区段进行冷却处理，使内外层管形成高密度的复合结构；

(6)、精整：冷却后的复合管件通过下料台架传送入精整台架，对复合完毕的管件进行矫直、精整、切头处理，检测完毕下料，送入后续工序进行管体加工成最终产品。

优选地，所述的外层管预加热的加热方式为：内层管为非金属时选用远红外加热或感应加热方式；内层管为金属时选用感应加热方式。

所述的热态减径成形方式可以为热态轧制成形、或热态拔制成形、或热态顶推成形，其中顶推成形方式主要适用于内层管为金属管的复合管材制作。

一种用于上述制造工艺的成形复合生产线，包括按工艺流程依次排列的上料台架、加热装置、塑性复合成形机、冷却装置以及下料台架，位于加热装置前设有送进装置，位于冷却装置后设有牵引装置，下料台架后设有精整台架，所述的塑性复合成形机包括机座，机座上沿复合管件移动方向依次设有三套拔制装置，所述的拔制装置具有三个周向均布、外端面压紧贴合在复合管件外表面且旋转面与复合管件轴线平行的环形辊，环形辊外周面具有沿轴线方向贴合于复合管件表面的内凹弧，所述内凹弧的弧顶边彼此相接构成圆形，三套拔制装置上环形辊的内凹弧所构成的圆形的直径依次缩小。

所述的三套拔制装置上的环形辊布置后一套相对于前一套依次错位40°，这样三套拔制装置的环形辊可以沿外层管的全周向对外层管进行充分拔制。

所述的机座上设有周向三等分均布的托架，所述的环形辊转动设在托架上。

所述的上料台架与送进装置之间、牵引装置与下料台架之间、下料台架与精整台架之间均设有传送辊道。

本发明的有益效果是：本发明通过对内外层管采用塑性成形复合机进行热态减径成形，使得复合管材达到高质量的复合界面及其稳定性，能够确保生产的金属与非金属复合管材能够长期服役于温度小于150℃条件下较为复杂的工况环境；同样地，也能够确保金属与金属复合管材长期服役于高温高压或低温环境下的各类耐蚀工况，施工条件简约而便捷。由于外层管为金属，使用过程中易于探测深埋地下管道的泄漏点，从而更为可靠地用于能源、海洋、化学工程重大设备相关管系之中并能实现延寿的目标。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的工艺流程示意图。

图2是本发明所述成形复合生产线的布置示意图。

图3是图2中塑性复合成形机的侧面结构示意图。

图中1.上料台架 2.加热装置 3.塑性成形复合机 3-1.机座 3-2.环形辊 3-3.内凹弧 3-4.托架 4.冷却装置 5.下料台架 6.送进装置 7.牵引装置 8.精整台架 9.复合管件 10.传送辊道

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示的一种复合管材制造工艺，应用于以金属管为外层管、非金属管或金属管为内层管之间的复合，具有如下步骤：

(1)、备料：按技术要求下料制备待复合的内层管、外层管，其中外层管为金属管，内层管为金属管或非金属管；，上述非金属管，可以是各类硬塑料管，如PVC、PP、PE等，优选地采用玻璃纤维管、玄武岩纤维管以及碳纤维管等；上述金属管，可以是优质碳素钢无缝管和焊管，也可以是铜管、铝管、白铜管和不锈钢管乃至合金管等；优先地，所述外层管为优质碳素钢焊接管和合金钢管，所述内层管为各类合金钢管、不锈钢管和特种合金管；

(2)、套管：按要求将内层管套入外层管内，套合后的内层管外壁与外层管内孔之间的单边间隙量保持在2～15mm，套合好的内外层管通过上料台架1上料；

(3)、预热：将套合好的内外层管通过送进装置6传送入加热装置2，对外层金属管进行预热处理，加热温度为200～900℃之间合理选择，其中在内层管材质采用金属管时，加热温度可在450℃-900℃之间进行选择，以避免金属有害相析出，确保不会严重弱化内外层金属管的塑性、耐蚀性、可焊性和冲击韧性，外层管的加热方式优先地选择中频(工频)感应加热方式；内层管材质为非金属时，外层管预热处理温度受到内层管材质软化温度t的限制，一般而言快速瞬间加热温度T应满足T≤t+300℃，此时对外层管进行加热的方式可采用远红外加热技术或感应加热技术，加热温度掌控在以满足实现内层管外表面软化为准；

(4)、热态减径成形：将外层管已预热处理好的内外层管传送入塑性成形复合机3进行热态减径成形处理，该塑性成形复合机3为三机架三辊结构，热态减径成形方式为热态轧制成形或热态拔制成形或热态顶推成形，优选热态拔制成形方式，成形时复合管件9的运转速度为5～15m/min,成型后单机架的管件减径量为3～10％；

(5)、冷却：将减径成形好的复合管件9送入距塑性成形复合机3出口端50～300mm处的冷却装置4，采用环状水喷淋方式对复合管件9的带温区段进行冷却处理，使内外层管形成高密度的复合结构；

(6)、精整：冷却后的复合管件9通过下料台架5传送入精整台架8，对复合完毕的管件进行矫直、精整、切头处理，检测完毕下料，送入后续工序进行管体加工成最终产品。

如图2所示的一种用于上述制造工艺的成形复合生产线，包括按工艺流程依次排列的上料台架1、加热装置2、塑性复合成形机3、冷却装置4以及下料台架5，位于加热装置2前设有送进装置6，位于冷却装置4后设有牵引装置7，下料台架5后设有精整台架8，同时位于上料台架1与送进装置6之间、牵引装置7与下料台架5之间、下料台架5与精整台架8之间均设有传送辊道10，依靠传送辊道10作用，使待复合的管材在上述各装置之间流转传送。

如图3所示，所述的塑性复合成形机3包括机座3-1，机座3-1上沿复合管件9移动方向依次设有三套拔制装置，每套拔制装置包括周向三等分均布安装在机座3-1上的三个托架3-4、转动设在所述托架3-4上的环形辊3-2，所述环形辊3-2的旋转面与复合管件9轴线平行，环形辊3-2外周面具有沿轴线方向贴合于复合管件9外表面的内凹弧3-3，所述内凹弧3-3的弧顶边彼此相接构成贴紧于复合管件9表面的圆形状，且三套拔制装置上环形辊3-2的内凹弧3-3所构成的圆形的直径沿复合管件9移动方向依次缩小而实现减径成形。

三套拔制装置上环形辊3-2的布置方式为：后一套相对于前一套错位一个角度设置，具体说就是第二套拔制装置上的环形辊3-2相对于第一套拔制装置上的环形辊3-2错位40°设置，而第三套拔制装置上的环形辊3-2相对于第而套拔制装置上的环形辊3-2错位40°设置，这样，三套拔制装置上的环形辊3-2可以沿复合管件9的全周向对复合管件9进行充分拔制。

实施例一：产品为用于含水油田注水管和低温浅井油管，规格为Φ73×

5.5mm(内层2.5mm)的金属管与玻璃纤维管的复合管。包括以下步骤：

1、备料：制备好材质为K55钢、规格为Ф79×3mm的钢管，作为待复合的外层管，规格为Ф67×2.5mm的玻璃纤维管作为待复合的内层管；

2、套管：在上料台架1上将上述玻璃纤维管套入外层钢管中，组成单边间隙量为3mm的待复合管料；

3、预热：待复合管料通过传送辊道10传送后由送进装置6送入加热装置2，对约200mm长度的外层金属管采用远红外加热方式快速加热至350-420℃，此时内层管外表面处于软化状态，便于后续工序的复合；

4、热态减径成形：将外层管已预热的内外层管料，通过牵引装置7牵引，送进三机架三辊环结构的塑性复合成形机3中，以15m/min的成形速度进行减径成形，使其被轧制成为两层紧固在一起的机械复合管；

5、冷却：减径成形完毕的机械复合管，由牵引装置7拉动，通过安装在塑性复合成形机3出口端100mm处的冷却装置4，采用环状水喷淋方式，使减径成形后的机械复合管的外层金属得到快速冷却，进而获得内外层间形成具有高紧密度的复合管件9；

6、精整：冷却后的复合管件9通过下料台架5传送入精整台架8，对复合完毕的管件进行矫直、精整、切头处理，检测完毕下料，送入后续工序进行管体加工成最终产品。

实施例二：产品为用于稠油地面输送管。规格为Φ219×11mm(内层5mm)的20号优质碳素钢焊接钢管与玄武岩纤维管的复合管，具体实施工艺过程包括以下步骤：

1、备料：同时下料制备好20号碳素钢、规格为Ф227×6mm并已去除内毛刺的单质焊接钢管作为待复合双层管料的外层管，尺寸为Ф207×5mm的玄武岩纤维管作为待复合双层管料的内层管料；

2、套管：在上料台架1上将所述玄武岩纤维管料套入外层20号碳素钢焊接钢管中，组成单边间隙量为4mm的待复合管料。

3、预热：待复合管料通过传送辊道10传送后由送进装置6送入加热装置2，对约200mm长度的外层金属管采用远红外加热方式快速加热至350-420℃，此时内层管外表面处于软化状态，便于后续工序的复合；

4、热态减径成形：将外层管已预热的内外层管料，通过牵引装置7牵引，送进三机架三辊环结构的塑性复合成形机3中，以8m/min的成形速度进行减径成形，使其被轧制成为两层紧固在一起的机械复合管；

5、冷却：减径成形完毕的机械复合管，由牵引装置7拉动，通过安装在塑性复合成形机3出口端150mm处的冷却装置4，采用环状水喷淋方式，使减径成形后的机械复合管的外层金属得到快速冷却，进而获得内外层间形成具有高紧密度近内复合界面的复合管件9；

6、精整：冷却后的复合管件9通过下料台架5传送入精整台架8，对复合完毕的管件进行矫直、精整、切头处理，检测完毕下料，送入后续工序进行管体加工成最终产品。

实施例三：产品为用于煤化工装置上从液化反应器到高低温分离器和加氢反应器之间中等口径的反应物输送管，规格为Φ219×11mm(内层4.5mm)的20号优质碳素钢与347H不锈钢的复合管，具体工艺过程包括以下步骤：

1、备料：同时下料制备好20号碳素钢、规格为Ф229×6.5mm单质管料作为待复合的外层管料；尺寸为Ф206×4.5mm的347H不锈钢管料作为待复合的内层管料；

2、套管：在上料台架1上将所述347H不锈钢管料套入外层20号碳素钢管中，组成单边间隙量为5mm的待复合管料；

3、预热：待复合管料通过传送辊道10传送后，由送进装置6和牵引装置7送入加热装置2，对一定长度的外层金属管采用工频感应加热方式快速加热至780-860℃；

4、热态减径成形：将外层管已预热的内外层管料，通过牵引装置7牵引，送进三机架三辊环结构的塑性复合成形机3中，以10m/min的成形速度进行热态减径成形，使其被轧制成为两层紧固在一起的机械复合管；

5、冷却：减径成形完毕的机械复合管，由牵引装置7拉动，通过安装在塑性复合成形机3出口端150mm处的冷却装置4，采用环状水喷淋方式，使减径成形后的机械复合管的外层金属得到快速冷却，进而获得内外层间形成具有高紧密度近内复合界面的复合管件9；

6、精整：冷却后的复合管件9通过下料台架5传送入精整台架8，对复合完毕的管件进行矫直、精整、切头处理，检测完毕下料，送入后续工序进行管体加工成最终产品。

实施例四：产品为用于含有较高H2S、CO2浓度的深井酸性油气井油气层以上的油管。规格为Φ88.9×7.34mm(内层2.5mm)的N80优质碳素钢管与G3高级耐蚀合金管材的复合管材，具体工艺过程包括以下步骤：

1、备料：同时下料制备好N80优质碳素钢、规格为Ф96.9×4.84mm单质管料作为待复合双层管料的外层管料；尺寸为Ф79.22×2.5mm的G3高级耐蚀合金管料作为待复合双层管料的内层管料。

2、套管：在上料台架1上将所述G3高级耐蚀合金管料套入外层N80碳素钢管中，组成单边间隙量为4mm的待复合管料；

3、预热：待复合管料通过传送辊道10传送后，由送进装置6和牵引装置7送入加热装置2，对一定长度的外层金属管采用工频感应加热方式快速加热至820-900℃；

4、热态减径成形：将外层管已预热的内外层管料，通过牵引装置7牵引，送进三机架三辊环结构的塑性复合成形机3中，以6m/min的成形速度进行热态减径成形，使其被轧制成为两层紧固在一起的机械复合管；

5、冷却：减径成形完毕的机械复合管，由牵引装置7拉动，通过安装在塑性复合成形机3出口端150mm处的冷却装置4，采用环状水喷淋方式，使减径成形后的机械复合管的外层金属得到快速冷却，进而获得内外层间形成具有高紧密度近内复合界面的复合管件9；

6、精整：冷却后的复合管件9通过下料台架5传送入精整台架8，对复合完毕的管件进行矫直、精整、切头处理，检测完毕下料，送入后续工序进行管体加工成最终产品。

本发明通过对内外层管采用塑性成形复合机3进行热态减径成形，使得复合管材9达到高质量的复合界面及其稳定性，能够确保生产的金属与非金属复合管材9能够长期服役于温度小于150℃条件下较为复杂的工况环境；同样地，也能够确保金属与金属复合管材9长期服役于高温高压或低温环境下的各类耐蚀工况，施工条件简约而便捷。由于外层管为金属，使用过程中易于探测深埋地下管道的泄漏点，从而更为可靠地用于能源、海洋、化学工程重大设备相关管系之中并能实现延寿的目标。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种复合管材制造工艺，应用于以金属管为外层管、非金属管或金属管为内层管之间的复合，其特征是：具有如下步骤：

(1)、备料：按技术要求下料制备待复合的内层管、外层管，其中外层管为金属管，内层管为金属管或非金属管；

(2)、套管：按要求将内层管套入外层管内，套合后的内层管外壁与外层管内孔之间的单边间隙量保持在2～15mm，套合好的内外层管通过上料台架(1)上料；

(3)、预热：将套合好的内外层管通过送进装置(6)传送入加热装置(2)，对外层金属管进行预热处理，加热温度为200～900℃，其中内层管材质为非金属时，加热温度以满足实现内层管外表面软化为准；

(4)、热态减径成形：将外层管已预热处理好的内外层管传送入塑性成形复合机(3)进行热态减径成形处理，成形时复合管件(9)的运转速度为5～15m/min,成型时管件的减径量为3～10％；

(5)、冷却：将减径成形好的复合管件(9)送入距塑性成形复合机(3)出口端50～300mm处的冷却装置(4)，采用环状水喷淋方式对复合管件(9)的带温区段进行冷却处理，使内外层管形成高密度的复合结构；

(6)、精整：冷却后的复合管件(9)通过下料台架(5)传送入精整台架(8)，对复合完毕的管件进行矫直、精整、切头处理，检测完毕下料，送入后续工序进行管体加工成最终产品。

2.根据权利要求1所述的复合管材制造工艺，其特征是：所述的外层管预加热的加热方式为：内层管为非金属时选用远红外加热或感应加热方式；内层管为金属时选用感应加热方式。

3.根据权利要求1所述的复合管材制造工艺，其特征是：所述的热态减径成形方式为热态轧制成形或热态拔制成形或热态顶推成形。

4.一种用于权利要求1所述制造工艺的成形复合生产线，包括按工艺流程依次排列的上料台架(1)、加热装置(2)、塑性复合成形机(3)、冷却装置(4)以及下料台架(5)，位于加热装置(2)前设有送进装置(6)，位于冷却装置(4)后设有牵引装置(7)，下料台架(5)后设有精整台架(8)，其特征是：所述的塑性复合成形机(3)包括机座(3-1)，机座(3-1)上沿复合管件(9)移动方向依次设有三套拔制装置，所述的拔制装置具有三个周向均布、外端面压紧贴合在复合管件(9)外表面且旋转面与复合管件(9)轴线平行的环形辊(3-2)，环形辊(3-2)外周面具有沿轴线方向贴合于复合管件(9)表面的内凹弧(3-3)，所述内凹弧(3-3)的弧顶边彼此相接构成圆形，三套拔制装置上环形辊(3-2)的内凹弧(3-3)所构成的圆形的直径依次缩小。

5.根据权利要求4所述的成形复合生产线，其特征是：所述的三套拔制装置上的环形辊(3-2)布置后一套相对于前一套依次错位40°。

6.根据权利要求5所述的成形复合生产线，其特征是：所述的机座(3-1)上设有周向三等分均布的托架(3-4)，所述的环形辊(3-2)转动设在托架(3-4)上。

7.根据权利要求4所述的成形复合生产线，其特征是：所述的上料台架(1)与送进装置(6)之间、牵引装置(7)与下料台架(5)之间、下料台架(5)与精整台架(8)之间均设有传送辊道(10)。