CN110270687B - 一种高强耐腐蚀钛-钢复合管及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高强耐腐蚀钛‑钢复合管及其生产工艺，包括外侧钢管、内侧钛管，两者同轴线套接，所述钢管内壁开设有若干开槽，所述钛管外壁固设有若干肋条组件，所述肋条组件外壁与钢管内壁过盈配合，所述钢管内壁、钛管外壁间填充有合金层；本发明对钛、钢管的复合面结构进行了针对性的设计，并填充了合金层，有效保证了层间密实度，界面结合稳定性高，同时填充的合金层对高温条件下金属元素的渗入具有良好的导向效果，另外，肋条组件除了提高强硬度还具有良好的自修复效果，对钛管的高温变形具有优异的补偿作用，降低了形变率，综合力学性能明显提高。

Description

一种高强耐腐蚀钛-钢复合管及其生产工艺

技术领域

本发明涉及复合管道技术领域，具体涉及一种高强耐腐蚀钛-钢复合管及其生产工艺。

背景技术

钛-钢复合管具有优异的耐蚀性和显著的经济性，可广泛地应用于石油石化、海洋工程、船舶、化工等领域，具有广阔的应用前景。

用于腐蚀介质的输送装备中的钛/钢复合管道，有着以下几个主要特点：1)外部可承受一定的工作压力；2)内部具有一定的耐腐蚀性能；3)由于钛材的密度较低，所以该复合管道在保证强度和耐腐蚀特性前提下，还可以减轻重量；4)替代单一耐腐蚀材料的使用，可以在一定程度上降低装配制造成本；5)具有良好结合强度。钛、复合管可以避免在外层钢层与电解质溶液(腐蚀介质)直接接触，从而避免产生电偶腐蚀。综合以上因素，该类钛、钢复合管道的应用前景较为开阔。

钛-钢复合管有两种类型，一种为有缝焊管，其生产采用钛钢复合板卷取后焊接而成；另一种为无缝复合管，其生产采用***复合法，***复合法分为内爆法和外爆法，采用***复合法生产的无缝钛-钢复合管能够满足结合强度要求。其中，有缝类型的钛-钢复合管对焊接要求较高，并且耐蚀性、力学性能及均匀性与无缝类型的钛-钢复合管相比均有一定差距，因此，当下无缝类型的钛-钢复合管应用需求越来越大。

采用***复合法生成的钛一钢复合板，既有钛的耐腐蚀，又有普通钢板作为结构件的强度和塑性，特别重要的是成本大幅度下降，因此被大量用于各种化学反应容器、热交换器材料及防腐蚀领域，但钛-钢***焊接时界面易产生过熔现象和脆性金属间化合物，影响复合材料界面的结合质量。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提出了一种高强耐腐蚀钛-钢复合管及其生产工艺，对钛、钢管的复合面结构进行了针对性的设计，并填充了合金层，有效保证了层间密实度，界面结合稳定性高，同时填充的合金层对高温条件下金属元素的渗入具有良好的导向效果，另外，肋条组件除了提高强硬度还具有良好的自修复效果，对钛管的高温变形具有优异的补偿作用，降低了形变率，综合力学性能明显提高。

为了实现上述的目的，本发明采用以下的技术方案：

一种高强耐腐蚀钛-钢复合管，包括外侧钢管、内侧钛管，两者同轴线套接，所述钢管内壁开设有若干开槽，所述钛管外壁固设有若干肋条组件，所述肋条组件外壁与钢管内壁过盈配合，所述钢管内壁、钛管外壁间填充有合金层。

高强耐腐蚀钛-钢复合管生产工艺包括以下步骤：

1)取钢管和钛管，对钢管、钛管进行表面处理，然后在钢管内表面进行开槽加工，在钛管外壁焊接肋条组件，然后再次对钢管、钛管进行表面处理；

2)将钛管插接在钢管内，通过拉拔机形成过盈配合，得到复合管坯；

3)采用加工好的预留注射孔的环形钢板遮盖复合管坯的两端，然后对复合管坯的两端进行焊接，采用金属注射成型技术向复合管芯间注入熔融合金流体，然后将注射孔处抽真空密封，得复合管粗品；

4)将复合管粗品在1050-1250℃下烧结处理，然后再在550-750℃下退火处理2-10h；

5)切除复合管粗品头尾部分，对复合管道的内外表面进行清洗，即得复合管成品。

作为本发明的进一步优化：肋条组件包括环形板以及固定焊接于环形板内壁、钛管外壁间的若干连接杆，所述连接杆、环形板均采用Zn-Cu-Ti合金。

作为本发明的进一步优化：开槽截面为梯形结构，由开槽开口端向内侧内径逐渐增大，且环形板宽度大于开槽开口端宽度。

作为本发明的进一步优化：合金层采用镍基合金，镍元素含量＞90wt％，镍基合金中包括以下重量百分比组分：Cu 0.7-2.0％、Cr 3.2-6.4％、Nb 0.2-0.6％、Ta 0.3-0.5％、Fe＜0.05％、C＜0.1％、硼纤维0.5-1.5％。

作为本发明的进一步优化：生产工艺中表面处理包括依次进行的碱洗、一次酸洗、喷砂、二次酸洗；其中碱洗采用7-10wt％的NaOH溶液在45-50℃条件下浸洗4-8min；一次酸洗、二次酸洗选用10-15wt％H2SO4溶液或50-70wt％HCL溶液或两者的混合液，在40-45℃条件下浸洗10-15min；喷砂等级达Sa2以上。

作为本发明的进一步优化：钛管上肋条组件外径大于钢管内径，过盈量为6-6.5％。

作为本发明的进一步优化：金属注射成型技术中镍基合金粉末装载量为55-58vt％，填充剂采用石蜡或体积比5:1的石蜡、聚乙二醇混合物，填充剂用量为32-38vt％，表面活性剂采用硬脂酸，表面活性剂用量为5-10vt％；金属注射成型温度为170-180℃。

作为本发明的进一步优化：烧结处理具体为先加热至1000℃，保温5-10min，然后以20℃/min的速率升温加热至1100℃，保温20-30min，最后在5min内升温至1250℃，保温2-3h。

由于采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：

本发明对钛、钢管的复合面结构进行了针对性的设计，并采用金属注射成型技术向钛、钢管的间隙内填充了合金层，有效保证了层间密实度，界面结合稳定性高，同时填充的合金层不仅对高温条件下金属元素的渗入具有良好的导向效果，而且，还有优异的金相力学性能强化效果。

另外，肋条组件除了在钛、钢管过盈配合中起到固定配位作用，而且其均匀广泛的分布，对层间力学传递具有良好的均衡作用，进一步提高了强硬度，同时，还具有良好的自修复效果，对钛管的高温变形具有优异的补偿作用，降低了形变率，综合力学性能明显提高。

合金层采用镍基合金，其高温溶融状态下加压注入钢管、钛管间，对两侧的管面进行热熔结合、渗入，不仅对钢材界面金相组织具有细化强化效果，对钛材也具有优异的融合渗入效果，强化元素一方面自异性流动，另一方面与其中的硼纤维形成交联缠绕的链状结构，在界面金属层间形成良好的连接桥梁，其与均匀分布其中的肋条组件配合作用，对Zn-Cu-Ti合金的元素导出传递也具有促进效果，有利于减小钛管的形变影响，同时保证了钛管的防腐性和有效寿命。整体界面结合力强，界面结合率可达99.9％，组织内应力低，长期使用后无层间脱离的现象，成品力学性能相较于传统的***式轧制结合明显提高，剪切强度可达310MPa，冷弯试验在弯心直径d＝3a，弯曲角度α＝180°条件下弯曲，界面完好，不出现分层和裂纹等缺陷。

附图说明

图1为本发明钛-钢复合管截面图；

图2为本发明钛管示意图；

图3为本发明钛管侧视图；

图中：1钢管、2钛管、3肋条组件、4合金层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种高强耐腐蚀钛-钢复合管，如图1至3所示，包括外侧钢管1、内侧钛管2，两者同轴线套接，所述钢管1内壁开设有若干开槽，所述钛管2外壁固设有若干肋条组件3，所述肋条组件3外壁与钢管1内壁过盈配合，所述钢管1内壁、钛管2外壁间填充有合金层4；

合金层采用镍基合金，镍基合金中镍元素含量＞90wt％，镍基合金中包括以下重量百分比元素组分：Cu 0.7-2.0％、Cr 3.2-6.4％、Nb 0.2-0.6％、Ta 0.3-0.5％、Fe＜0.05％、C＜0.1％、硼纤维0.5-1.5％；

开槽截面为梯形结构(或扇形结构或多层阶梯状，在此不做具体限定，保证开槽内接触面积由外向内可逐渐增大变化即可)，由开槽开口端向内侧内径逐渐增大，开槽内径为渐变式，一方面有利于增大合金层与钢管间的接触结合面，另一方面内径的不断增大，在机械结合上能够提供一定的稳定效果。

肋条组件包括环形板以及固定焊接于环形板内壁、钛管外壁间的若干连接杆，连接杆、环形板均采用Zn-Cu-Ti合金。设置的环形板宽度大于开槽开口端宽度，当钛管在拉拔机的作用下向钢管内***时，能够过盈贴合，保证拉拔进程顺畅，拉拔配装完成后，钛管上肋条组件与开槽口呈交错状态，其不论是作为支撑件还是肋条加强件，均有利于整体结构的均衡稳定。

肋条组件一端(连接杆)与钛管外壁固定焊接，另一端(环形板)与钢管内壁过盈贴合，当钛管与钢管配合套接时，两者间的间隙仍为连通状态，因此，向其中注入溶融的合金材料时，能够均匀的进入各个区域进行填充。采用溶融合金固化成型来连接钛管和钢管待结合面，相较于传统抽真空或高温***融合，操作更为温和，可控性强(温度、注射压力、速度等)，其对结合面的冲击影响以及高温下对钛管、金属管的变形影响均较小，界面过渡自然，组织结构更为稳定。

实施例2：

高强耐腐蚀钛-钢复合管生产工艺包括以下步骤：

1)取钢管和钛管，对钢管、钛管进行表面处理，然后在钢管内表面进行开槽加工，在钛管外壁焊接肋条组件，然后再次对钢管、钛管进行表面处理；

2)将钛管插接在钢管内，通过拉拔机形成过盈配合，钛管上肋条组件外径大于钢管内径，过盈量为6-6.5％，得到复合管坯；

3)采用加工好的预留注射孔的环形钢板遮盖复合管坯的两端，然后对复合管坯的两端进行焊接，采用金属注射成型技术向复合管芯间注入熔融合金流体，然后将注射孔处抽真空密封，得复合管粗品；

4)将复合管粗品在1050-1250℃下烧结处理，然后再在550-750℃下退火处理2-10h；

5)切除复合管粗品头尾部分，对复合管道的内外表面进行清洗，即得复合管成品。

生产工艺中表面处理包括依次进行的碱洗、一次酸洗、喷砂、二次酸洗；其中碱洗采用8.5wt％的NaOH溶液在45-50℃条件下浸洗4-8min；一次酸洗、二次酸洗选用体积比1:1.5的10wt％H2SO4溶液、70wt％HCL溶液的混合液，在40-45℃条件下浸洗10-15min；喷砂等级达Sa2以上。

实施例3：

参照实施例1的管道结构、实施例2的生产工艺，进行具体操作；

选用外径为Φ100mm、壁厚为8mm、长度为3m的304n不锈钢管和外径为Φ80mm、壁厚为5mm、长度为2.85m的TA2钛管分别作为复合的外管和内管；

所述合金层采用镍基合金，镍元素含量＞90wt％，镍基合金中包括以下重量百分比元素组分：Cu 1.5％、Cr 4.7％、Nb 0.4％、Ta 0.3％、Fe 0.022％、C 0.06％、硼纤维1.1％。

金属注射成型技术中镍基合金粉末装载量为56.2vt％，填充剂采用石蜡或体积比5:1的石蜡、聚乙二醇混合物，填充剂用量为36.5vt％，表面活性剂采用硬脂酸，表面活性剂用量为7.3vt％；金属注射成型温度为175℃。

烧结处理具体为先加热至1000℃，保温5min，然后以20℃/min的速率升温加热至1100℃，保温30min，最后在5min内升温至1250℃，保温2.5h。

退火处理具体为先升温至750℃，保温0.5h，然后调节温度为600℃，保温3h，最后在550℃保温5h。

本实施例最终制得的复合管批次成品，界面结合率为99.8％，剪切强度为310MPa，冷弯试验无裂纹。

实施例4：

选用外径为Φ106mm、壁厚为8.3mm、长度为3m的304n不锈钢管和外径为Φ88mm、壁厚为6.2mm、长度为2.85m的TA2钛管分别作为复合的外管和内管；

所述合金层采用镍基合金，镍元素含量＞90wt％，镍基合金中包括以下重量百分比元素组分：Cu 1.5％、Cr 4.7％、Nb 0.4％、Ta 0.3％、Fe 0.022％、C 0.06％、硼纤维1.1％。

金属注射成型技术中镍基合金粉末装载量为58vt％，填充剂采用石蜡或体积比5:1的石蜡、聚乙二醇混合物，填充剂用量为36vt％，表面活性剂采用硬脂酸，表面活性剂用量为6vt％；金属注射成型温度为180℃。

烧结处理具体为先加热至1000℃，保温10min，然后以20℃/min的速率升温加热至1100℃，保温20min，最后在5min内升温至1250℃，保温2.5h。

退火处理具体为先升温至750℃，保温0.5h，然后调节温度为600℃，保温3h，最后在550℃保温5h。

本实施例最终制得的复合管批次成品，界面结合率为99.9％，剪切强度为306MPa，冷弯试验无裂纹。

实施例5：

选用外径为Φ150mm、壁厚为11.5mm、长度为3m的304n不锈钢管和外径为Φ122mm、壁厚为5mm、长度为2.85m的TA2钛管分别作为复合的外管和内管；

所述合金层采用镍基合金，镍元素含量＞90wt％，镍基合金中包括以下重量百分比元素组分：Cu 1.5％、Cr 4.7％、Nb 0.4％、Ta 0.3％、Fe 0.022％、C 0.06％、硼纤维1.1％。

金属注射成型技术中镍基合金粉末装载量为55.8vt％，填充剂采用石蜡或体积比5:1的石蜡、聚乙二醇混合物，填充剂用量为35.7vt％，表面活性剂采用硬脂酸，表面活性剂用量为8.5vt％；金属注射成型温度为170-180℃。

烧结处理具体为先加热至1000℃，保温5min，然后以20℃/min的速率升温加热至1100℃，保温30min，最后在5min内升温至1250℃，保温3h。

退火处理具体为先升温至750℃，保温0h，然后调节温度为650℃，保温4h，最后在550℃保温4h。

本实施例最终制得的复合管批次成品，界面结合率为99.86％，剪切强度为302MPa，冷弯试验无裂纹。

对照例1：

同实施例3，区别在于不设开槽，其它工艺、参数一致，得复合管成品。

本实施例最终制得的复合管批次成品，界面结合率为97.9％，剪切强度为284MPa，冷弯试验无裂纹。

对照例2：

同实施例3，区别在于不设开槽、不设肋条组件，此时钢管内壁通过热喷涂、电镀等常规工艺镀覆合金层，然后再通过拉拔过盈配合，采用常规热压轧制，得复合管成品。

本实施例最终制得的复合管批次成品，界面结合率为96.6％，剪切强度为245MPa，冷弯试验无裂纹。

对照例3：

同实施例3，区别在于不设开槽、不设肋条组件、不含合金层，直接将钢管、钛管通过拉拔过盈配合，再采用常规热压轧制，得复合管成品。

本实施例最终制得的复合管批次成品，界面结合率为95.2％，剪切强度为213MPa，冷弯试验无裂纹。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种高强耐腐蚀钛-钢复合管，包括外侧钢管、内侧钛管，两者同轴线套接，其特征在于：所述钢管内壁开设有若干开槽，所述钛管外壁固设有若干肋条组件，肋条组件包括环形板以及固定焊接于环形板内壁、钛管外壁间的若干连接杆，所述连接杆、环形板均采用Zn-Cu-Ti合金，所述肋条组件外壁与钢管内壁过盈配合，所述钢管内壁、钛管外壁间填充有合金层；

高强耐腐蚀钛-钢复合管生产工艺包括以下步骤：

1)取钢管和钛管，对钢管、钛管进行表面处理，然后在钢管内表面进行开槽加工，在钛管外壁焊接肋条组件，然后再次对钢管、钛管进行表面处理；

2)通过拉拔机将钛管插接在钢管内，形成过盈配合，得到复合管坯；

3)采用加工好的预留注射孔的环形钢板遮盖复合管坯的两端，然后对复合管坯的两端进行焊接，采用金属注射成型技术向复合管芯间注入熔融合金流体，然后将注射孔处抽真空密封，得复合管粗品；

4)将复合管粗品在1050-1250℃下烧结处理，然后再在550-750℃下退火处理2-10h；

5)切除复合管粗品头尾部分，对复合管道的内外表面进行清洗，即得复合管成品。

2.根据权利要求1所述的一种高强耐腐蚀钛-钢复合管，其特征在于：所述开槽截面为梯形结构，由开槽开口端向内侧内径逐渐增大，且环形板宽度大于开槽开口端宽度。

3.根据权利要求1所述的一种高强耐腐蚀钛-钢复合管，其特征在于：所述合金层采用镍基合金，镍元素含量＞90wt％，镍基合金中包括以下重量百分比元素组分：Cu 0.7-2.0％、Cr 3.2-6.4％、Nb 0.2-0.6％、Ta 0.3-0.5％、Fe＜0.05％、C＜0.1％、硼纤维0.5-1.5％。

4.根据权利要求1所述的一种高强耐腐蚀钛-钢复合管，其特征在于：生产工艺中表面处理包括依次进行的碱洗、一次酸洗、喷砂、二次酸洗；其中碱洗采用7-10wt％的NaOH溶液在45-50℃条件下浸洗4-8min；喷砂等级达Sa2以上。

5.根据权利要求1所述的一种高强耐腐蚀钛-钢复合管，其特征在于：钛管上肋条组件外径大于钢管内径，过盈量为6-6.5％。

6.根据权利要求1所述的一种高强耐腐蚀钛-钢复合管，其特征在于：金属注射成型技术中镍基合金粉末装载量为55-58vt％，填充剂采用石蜡或体积比5:1的石蜡、聚乙二醇混合物，填充剂用量为32-38vt％，表面活性剂采用硬脂酸，表面活性剂用量为5-10vt％；金属注射成型温度为170-180℃。

7.根据权利要求1所述的一种高强耐腐蚀钛-钢复合管，其特征在于：烧结处理具体为先加热至1000℃，保温5-10min，然后以20℃/min的速率升温加热至1100℃，保温20-30min，最后在5min内升温至1250℃，保温2-3h。

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