CN116221509A - 高强度耐腐蚀合金复合油管及其制造方法 - Google Patents

高强度耐腐蚀合金复合油管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高强度耐腐蚀合金复合油管及其制造方法。所述复合油管包括高强度外管、耐腐蚀合金覆层和钎焊层，外管由基管及同心对接焊在基管两端的高强度耐腐蚀合金接环组成，耐腐蚀合金接环上加工有外螺纹；耐腐蚀合金覆层通过钎焊层冶金复合于外管内壁。所述制造方法包括以下步骤：耐腐蚀合金接环固溶处理；基管与接环同心对接焊形成外管；对接焊焊缝内、外表面加工；外管内表面清理；薄壁耐腐蚀合金管固溶处理、外表面清理；钎料薄带包在薄壁耐腐蚀合金管外，一起装入外管，机械复合；冶金复合；淬火及预回火处理；接环冷变形强化；终回火处理；加工螺纹。本发明所得的复合油管，满足高强度、耐腐蚀、冶金复合、螺纹连接的需求。

Description

高强度耐腐蚀合金复合油管及其制造方法
技术领域
本发明涉及双金属复合钢管技术领域，具体而言，尤其涉及一种高强度耐腐蚀合金复合油管及其制造方法。
背景技术
在普通钢基管内复合耐腐蚀合金层的双金属复合钢管，兼有基管强度高及耐腐蚀合金层耐蚀性好的优异性能，价格便宜，可用作多种领域的耐腐蚀管道材料。
双金属复合钢管分为机械复合钢管和冶金复合钢管两类。机械复合钢管(又称内衬管，其耐腐蚀合金层称为衬层)基管与衬层间机械过盈配合，在后续成形及使用中，衬层易发生失稳造成管道堵塞等，应用受限。冶金复合钢管(又称内覆管，其耐腐蚀合金层称为覆层)基管与覆层界面金属键结合，能够承受塑性加工，可以在温度、载荷变动的条件下使用，应用范围更广。
随着使用条件的日益苛刻与多样化，对双金属复合钢管的要求越来越高。首先，管与管之间除焊接连接外，还提出了螺纹连接等要求，这使得双金属复合钢管的结构更加复杂。其次，要求覆层具有更好的耐腐蚀性能，需要使用奥氏体/铁素体型双相不锈钢、铁镍基耐腐蚀合金甚至镍基耐腐蚀合金等。此外，油、气田用深井油管等，不但油、气介质的内压力很高，而且自重引起的纵向应力也很大，这对双金属复合钢管的强度提出了更高的要求。
对于这类要求耐腐蚀性更强、强度更高、结构更加复杂的双金属复合钢管，现有技术尚无法满足。
发明内容
根据上述提出的现有技术无法制造出耐腐蚀性更强、强度更高、结构更加复杂的双金属复合钢管的技术问题，而提供一种高强度耐腐蚀合金复合油管及其制造方法。本发明外管与耐腐蚀合金覆层之间冶金复合，通过对基管和管端接环分步采取热处理强化和冷变形强化的方法，使外管整体具有一致的高强度性能，从复合油管的内表面、端面直至螺纹表面，实现复合油管的防腐完整性，可通过既有螺纹接箍将复合油管逐根连接起来形成管柱。
本发明采用的技术手段如下：
一种高强度耐腐蚀合金复合油管，包括：外管、耐腐蚀合金覆层和钎焊层，所述外管由高强度基管以及外壁开有外螺纹的高强度耐腐蚀合金接环组成，所述接环同心对接焊在基管的两端，且焊接处形成对接焊焊缝；所述耐腐蚀合金覆层通过钎焊层冶金复合于外管的内壁，所述钎焊层的端面具有封焊焊缝。
进一步地，所述基管的材料为低中碳低合金钢，通过热处理强化以满足高强度及塑性、韧性的要求。
进一步地，所述耐腐蚀合金覆层为耐腐蚀合金薄壁管，材料为奥氏体/铁素体型双相不锈钢、奥氏体组织铁镍基合金或奥氏体组织镍基合金。
进一步地，所述高强度耐腐蚀合金接环的材料与耐腐蚀合金覆层的材料相同，或为耐腐蚀性能比耐腐蚀合金覆层高一个等级的耐腐蚀合金，该耐腐蚀合金接环为非热处理强化型材料，其强化方式为冷变形强化；所述接环的力学性能与基管匹配；
所述对接焊焊缝的内、外径与基管及接环的内、外径相同；对接焊焊缝的力学性能与基管及接环匹配。
进一步地，所述钎焊层的厚度为0.01～0.20mm，材料为铜基钎料或镍基钎料。
本发明还提供了一种高强度耐腐蚀合金复合油管的制造方法，包括如下步骤：
S1、以内、外径与基管的内、外径相等的短管段为接环，将接环进行固溶处理，基管与接环的端面加工坡口，将二者同心对接焊焊接在一起，形成外管；其中，选择与基管及接环均能匹配的焊接材料与焊接方法，进行对接焊；
S2、对对接焊焊缝的内、外表面进行加工，使对接焊焊缝的内、外径与基管及接环的内、外径相等；
S3、清理外管的内表面；
S4、对耐腐蚀合金薄壁管进行固溶处理，清理外表面；
S5、将钎料带包在耐腐蚀合金薄壁管外，一起装入外管内，通过外管缩径或内管扩径，进行机械复合，形成机械复合管坯；
S6、将机械复合管坯加热进行冶金复合，形成冶金复合管坯；
S7、对冶金复合管坯进行淬火及预回火热处理；
S8、对冶金复合管坯上的接环和对接焊焊缝进行冷变形强化；
S9、对冶金复合管坯进行终回火热处理；
S10、对冶金复合管坯进行校直、喷砂处理等；
S11、对冶金复合管坯端面进行加工，钎焊层端缝封焊形成封焊焊缝；
S12、在接环的外壁上加工外螺纹，制备得到高强度耐腐蚀合金复合油管。
进一步地，所述步骤S6中，加热冶金复合为：将机械复合管坯全长加热到钎料熔点+(50～150)℃的温度，保温一定时间后控制冷却，进行冶金复合，且使接环、对接焊焊缝及耐腐蚀合金覆层处于固溶处理状态。
进一步地，所述步骤S7具体包括如下步骤：
将步骤S6处理后的冶金复合管坯全长加热到基管的上临界温度+(50～150)℃，保温一定时间后水冷，对基管淬火，并使接环、对接焊焊缝及耐腐蚀合金覆层保持固溶处理状态；再将淬火后的冶金复合管坯全长加热到比基管的最终回火温度低(50～100)℃的温度，保温一定时间进行预回火处理，使基管的硬度降低到比最终要求硬度高3HRC～6HRC的硬度，消除淬火引起的残余内应力。
进一步地，所述步骤S8中，将接环、对接焊焊缝进行镦粗、轧长冷变形，使接环、对接焊焊缝的强度达到最终强度要求。
进一步地，所述步骤S9中，终回火热处理为：将步骤S8处理后的冶金复合管坯全长加热到基管的最终回火温度，保温一定时间后冷却，使基管的强度降低到最终强度要求，接环和对接焊焊缝保持冷变形所得的强度不变，接环、对接焊焊缝及耐腐蚀合金覆层保持固溶处理状态，冷变形引起的残余内应力部分消除。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的高强度耐腐蚀合金复合油管及其制造方法，外管与耐腐蚀合金覆层之间冶金复合；通过对基管和管端接环分步采取热处理强化和冷变形强化的方法，使外管整体具有一致的高强度性能；从复合油管的内表面、端面直至螺纹表面，实现复合油管的防腐完整性；可通过既有螺纹接箍将复合油管逐根连接起来形成管柱。
综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术无法制造出耐腐蚀性更强、强度更高、结构更加复杂的双金属复合钢管的问题。
基于上述理由本发明可在双金属复合油管等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种纵剖面结构示意图。
图2为本发明的一种工艺流程示意图。
图3为本发明实施例的一种冷镦粗变形后的纵剖面结构示意图。
图中：1、外管；2-耐腐蚀合金覆层；3-钎焊层；4-封焊焊缝；5-螺纹；11-基管；12-接环；13-对接焊焊缝；12′-冷镦粗变形后的接环；13′-冷镦粗变形后的对接焊焊缝；21′-冷镦粗变形后的覆层端部。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
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中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明的目的是解决现有技术不足，提出一种高强度耐腐蚀合金复合油管及其制造方法，以满足高性能复合油管的要求。
如图1所示，一种高强度耐腐蚀合金复合油管，该复合油管包括：高强度基管11与同心对接焊在基管11两端的带外螺纹5的高强度耐腐蚀合金接环12所组成的外管1，冶金复合于外管1内壁上的耐腐蚀合金覆层2，位于外管1与耐腐蚀合金覆层2之间并使二者冶金复合的钎焊层3，以及钎焊层3端面的封焊焊缝4。
优选的，所述基管11，其材料为低中碳低合金钢，可通过热处理对其强化，并具有良好塑性和韧性。
优选的，所述耐腐蚀合金覆层2，为耐腐蚀合金薄壁管，材料为奥氏体/铁素体型双相不锈钢、奥氏体型铁镍基耐腐蚀合金、奥氏体型镍基耐腐蚀合金等。
优选的，所述高强度耐腐蚀合金接环12，其材料可以与耐腐蚀合金覆层2材料相同，也可以是耐腐蚀性能比耐腐蚀合金覆层2高一级的耐腐蚀合金，属于非热处理强化型材料，其强化方式为冷变形强化；接环12的力学性能与基管11匹配。即，需要通过冷变形强化达到与基管相匹配的高强度力学性能。
优选的，所述接环12同心对接焊于基管11两端，对接焊焊缝13的内、外径与基管11及接环12的内、外径相同；对接焊焊缝13的力学性能与基管11及接环12相匹配。
优选的，所述钎焊层3，为厚度0.01～0.20mm的铜基或镍基合金钎料层。
如图2所示，本发明还提供了一种高强度耐腐蚀合金复合油管的制造方法，依次按如下步骤进行：
S1、选择外径及壁厚相同的基管和接环，其中，以内、外径与基管11的内、外径相等的短管段为接环12，将接环12进行固溶处理，基管11与接环12的端面加工坡口，将两者同心对接焊焊接在一起，形成外管1；
S2、加工对接焊焊缝的内、外表面，使对接焊焊缝13的内、外径与基管11及接环12的内、外径相等；
S3、清理外管1的内表面；
S4、对耐腐蚀合金薄壁管进行固溶处理，清理外表面；
S5、将钎料带包在耐腐蚀合金薄壁管外，一起装入外管1内，通过外管缩径或内管扩径进行机械复合，形成机械复合管坯；
S6、将机械复合管坯加热进行冶金复合，形成冶金复合管坯；
S7、对冶金复合管坯进行淬火及预回火热处理，即将冶金复合管坯加热到一定温度后水冷使基管淬火，然后进行预回火处理；
S8、对步骤S7处理后的冶金复合管坯上的接环12和对接焊焊缝13进行冷变形强化，其中，对接环12进行冷塑性变形强化，对接焊焊缝13为冷变形过渡区；
S9、对步骤S8处理后的冶金复合管坯进行终回火热处理；
S10、对冶金复合管坯进行校直、喷砂处理等；
S11、对冶金复合管坯端面进行加工，钎焊层3端面封焊形成封焊焊缝4；
S12、在接环12的外壁上加工外螺纹5，从而制备得到高强度耐腐蚀合金复合油管。
优选的，所述步骤S1的对接焊，是选择与基管11及接环12均能匹配的焊接材料与焊接方法，进行对接焊，保证焊接质量。
优选的，所述步骤S6的加热冶金复合，是将机械复合管坯全长加热到钎料熔点+(50～150)℃的温度，保温一定时间后控制冷却，进行冶金复合，且使接环12、对接焊焊缝13及耐腐蚀合金覆层2处于固溶处理状态。
优选的，所述步骤S7对冶金复合管坯进行淬火及预回火热处理，是将步骤S6处理后的冶金复合管坯全长加热到基管11的上临界温度+(50～150)℃，保温一定时间后水冷，使基管11淬火，接环12、对接焊焊缝13及耐腐蚀合金覆层2保持固溶处理状态；再将淬火后的冶金复合管坯全长加热到比基管11的最终回火温度低(50～100)℃的温度，保温一定时间进行预回火处理，使基管11的硬度降低到最终要求硬度+3HRC～6HRC的硬度，消除淬火引起的残余内应力。
优选的，所述步骤S8对冶金复合管坯上的接环12和对接焊焊缝13进行冷变形强化，是将接环12、对接焊焊缝13进行镦粗、轧长冷变形，使接环12、对接焊焊缝13的强度达到最终强度要求，冷变形前后的尺寸不变。
优选的，所述步骤S9的终回火热处理，是将步骤S8处理后的冶金复合管坯全长加热到基管11的最终回火温度，保温一定时间后冷却，使基管11的强度降低到最终强度要求，接环12和对接焊焊缝13保持冷变形所得的强度不变，接环12、对接焊焊缝13和耐腐蚀合金覆层2保持固溶处理状态；冷变形引起的残余内应力部分消除。
实施例1
如图1所示的一种高强度耐腐蚀合金复合油管，由外管1、耐腐蚀合金覆层2、钎焊层3、端部封焊焊缝4、外螺纹5组成，其中外管1包括基管11、基管11端部的接环12及两者间的对接焊焊缝13。所述基管11为低合金钢无缝管，外径88.9mm，壁厚6.45mm。所述耐腐蚀合金覆层2为825镍基合金薄壁管，壁厚2mm，通过钎焊层3冶金复合在外管1的内壁上。所述接环12为825镍基合金无缝管短段，外径、壁厚与基管11相同，长度150mm。所述钎焊层3为镍基合金钎料层，厚度0.05mm。
如图2所示，本实施例825镍基合金复合油管制造方法的主要步骤如下。
1、对接环12进行固溶处理，将基管11与接环12的端面加工成坡口，选择镍基合金焊丝，用氩弧焊将基管11与接环12同心对接焊焊接，形成外管1。
2、对对接焊焊缝13的内、外表面进行机械加工，使对接焊焊缝13的内、外径与基管11的内、外径相等，并使内、外表面在对接焊部位平滑过渡。
3、对外管1内表面喷砂清理。
4、825镍基合金薄壁管的外径比基管11的内径小2～4mm，对825镍基合金薄壁管进行固溶处理，对其外表面进行打磨清理。
5、将镍基合金钎料带包在825镍基合金薄壁管外，一起装入外管1，对825镍基合金薄壁管扩径，使825镍基合金薄壁管、钎料带及外管1紧密贴合，形成机械复合管坯。
6、将机械复合管坯加热到1120℃，保温后空冷，得到冶金复合管坯。
7、将冶金复合管坯加热到960℃，保温后水冷淬火，然后加热到420℃，保温后冷却，进行预回火处理。
8、对接环12和对接焊焊缝13镦粗、拔长冷变形，变形量30％，使接环12和对接焊焊缝13的强度达到最终要求的强度。如图3所示为本实施例的一种冷镦粗变形后的纵剖面结构示意图，包括冷镦粗变形后的接环12′、冷镦粗变形后的对接焊焊缝13′、冷镦粗变形后的覆层端部21′。
9、终回火处理，使基管11强度降低到最终要求的强度，接环12和对接焊焊缝13保持冷变形强化状态。
10、对复合管坯进行校直、喷砂处理等。
11、将复合管坯端面切平，用825镍合金焊丝将钎焊层3的端面封焊。
12、在接环12上加工外螺纹5。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (10)

1.一种高强度耐腐蚀合金复合油管，其特征在于，包括：外管(1)、耐腐蚀合金覆层(2)和钎焊层(3)，所述外管(1)由高强度基管(11)以及外壁开有外螺纹(5)的高强度耐腐蚀合金接环(12)组成，所述接环(12)同心对接焊在基管(11)的两端，且焊接处形成对接焊焊缝(13)；所述耐腐蚀合金覆层(2)通过钎焊层(3)冶金复合于外管(1)的内壁，所述钎焊层(3)的端面具有封焊焊缝(4)。
2.根据权利要求1所述的高强度耐腐蚀合金复合油管，其特征在于，所述基管(11)的材料为低中碳低合金钢，通过热处理强化以满足高强度及塑性、韧性的要求。
3.根据权利要求1所述的高强度耐腐蚀合金复合油管，其特征在于，所述耐腐蚀合金覆层(2)为耐腐蚀合金薄壁管，材料为奥氏体/铁素体型双相不锈钢、奥氏体组织铁镍基合金或奥氏体组织镍基合金。
4.根据权利要求1或3所述的高强度耐腐蚀合金复合油管，其特征在于，所述高强度耐腐蚀合金接环(12)的材料与耐腐蚀合金覆层(2)的材料相同，或为耐腐蚀性能比耐腐蚀合金覆层(2)高一个等级的耐腐蚀合金，该耐腐蚀合金接环(12)为非热处理强化型材料，其强化方式为冷变形强化；所述接环(12)的力学性能与基管(11)匹配；
所述对接焊焊缝(13)的内、外径与基管(11)及接环(12)的内、外径相同；对接焊焊缝(13)的力学性能与基管(11)及接环(12)匹配。
5.根据权利要求1所述的高强度耐腐蚀合金复合油管，其特征在于，所述钎焊层(3)的厚度为0.01～0.20mm，材料为铜基钎料或镍基钎料。
6.一种如权利要求1-5任意一项权利要求所述的高强度耐腐蚀合金复合油管的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、以内、外径与基管(11)的内、外径相等的短管段为接环(12)，将接环(12)进行固溶处理，基管(11)与接环(12)的端面加工坡口，将二者同心对接焊焊接在一起，形成外管(1)；其中，选择与基管(11)及接环(12)相匹配的焊接材料与焊接方法，进行对接焊；
S2、对对接焊焊缝(13)的内、外表面进行加工，使对接焊焊缝(13)的内、外径与基管(11)及接环(12)的内、外径相等；
S3、清理外管(1)的内表面；
S4、对耐腐蚀合金薄壁管进行固溶处理，清理外表面；
S5、将钎料带包在耐腐蚀合金覆层(2)外，一起装入外管(1)内，进行机械复合，形成机械复合管坯；
S6、将机械复合管坯加热进行冶金复合，形成冶金复合管坯；
S7、对冶金复合管坯进行淬火及预回火热处理；
S8、对冶金复合管坯上的接环(12)和对接焊焊缝(13)进行冷变形强化；
S9、对冶金复合管坯进行终回火热处理；
S10、对冶金复合管坯进行校直、喷砂处理；
S11、对冶金复合管坯端面进行加工，钎焊层(3)端缝封焊形成封焊焊缝(4)；
S12、在接环(12)的外壁上加工外螺纹(5)，制备得到高强度耐腐蚀合金复合油管。
7.根据权利要求1所述的高强度耐腐蚀合金复合油管的制造方法，其特征在于，所述步骤S6中，加热冶金复合为：将机械复合管坯全长加热到钎料熔点+50℃～+150℃的温度，保温一定时间后控制冷却，进行冶金复合，且使接环(12)、对接焊焊缝(13)及耐腐蚀合金覆层(2)处于固溶处理状态。
8.根据权利要求1或7所述的高强度耐腐蚀合金复合油管的制造方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括如下步骤：
将步骤S6处理后的冶金复合管坯全长加热到基管(11)的上临界温度+50℃～+150℃，保温一定时间后水冷，对基管(11)淬火，并使接环(12)、对接焊焊缝(13)及耐腐蚀合金覆层(2)保持固溶处理状态，再将淬火后的冶金复合管坯全长加热到比基管(11)的最终回火温度低50℃～100℃的温度，保温一定时间进行预回火处理，使基管(11)的硬度降低到比最终要求硬度高3HRC～6HRC的硬度，消除淬火引起的残余内应力。
9.根据权利要求1所述的高强度耐腐蚀合金复合油管的制造方法，其特征在于，所述步骤S8中，将接环(12)、对接焊焊缝(13)进行镦粗、轧长冷变形，使接环(12)、对接焊焊缝(13)的强度达到最终强度要求。
10.根据权利要求1或9所述的高强度耐腐蚀合金复合油管的制造方法，其特征在于，所述步骤S9中，终回火热处理为：将步骤S8处理后的冶金复合管坯全长加热到基管(11)的最终回火温度，保温一定时间后冷却，使基管(11)的强度降低到最终强度要求，接环(12)和对接焊焊缝(13)保持冷变形所得的强度不变；接环(12)、对接焊焊缝(13)和耐腐蚀合金覆层(2)保持固溶处理状态；冷变形引起的残余内应力部分消除。
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CN117182243A (zh) * 2023-09-25 2023-12-08 中国科学技术大学 一种在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺

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