一种双金属复合管的制造方法

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技术领域\n本发明涉及一种用于石油、化学等工业的双金属复合管的制造方法。\n背景技术\n近年来，随着我国炼油企业向大型化、集约化方向发展，向设备要产量、 要效益，大大加重了设备负荷。而我国主要油田原油变重、酸值高、含硫高、 含盐量大，以及大量炼制进口中东高硫原油，都加重了炼油装置的腐蚀，因 此对设备及管线提出了更高的耐蚀要求。长期以来，石油化工系统大量采用 不锈钢、钛、铜及少量其它贵重金属无缝管，耗资巨大。因此，各类复合管 (包括双金属复合管)得到了越来越多的研究和应用。\n双金属复合管由位于外层的基管和位于内层的衬管组成。目前国内普遍 采用的制造方法为机械贴合(如热挤压、冷拔、冷旋压等工艺方法)；国外 采用的生产工艺除上述方法外还有管道防腐衬里涂层方法。各种机械贴合法 制造的复合管，基管与衬管未达到牢固的冶金结合。由于基管与衬管之间不 可避免地存在大量的层间间隙，当内层衬管出现局部孔蚀或裂隙、大量高腐 蚀性介质渗入基管与衬管之间时，就会形成间隙腐蚀，从而加速管道腐蚀， 进而造成管层间大面积分离。在温度和压力作用下，内层衬管受外压，发生 失稳甚至造成衬管鼓包，造成管道阻塞的事故发生。所以，需要采用一种新 的方法制造更高性能的冶金结合的双金属复合管，以代替采用现有的机械贴 合法所制造的复合管。\n目前，采用爆炸工艺方法仅仅用于爆炸复合板的生产。做为金属复合材 料，现有的爆炸复合板已经广泛应用于石油化工设备的制造。但采用爆炸工 艺方法还不能生产出双金属复合管，相应的复合管材料还是空白。\n近年来，应用于石油化工管线的喷涂、搪瓷表面改性的管材，尽管价格 低廉，但是存在漏涂、碰撞破损问题，起不到应有的耐蚀作用。加上施工要 求法兰连接，不仅增加了施工难度，而且提高了成本。如果以双金属复合管 材代替，那么将会产生巨大的经济效益，并可满足石油、化工等行业产品升 级换代的要求。\n发明内容\n本发明所要解决的技术问题是：采用现有的各种机械贴合法制造的双金 属复合管所存在的基管与衬管之间存在大量的层间间隙且二者结合不牢固、 在使用过程中易造成管层间大面积分离进而使内层衬管发生失稳甚至造成衬 管鼓包的问题。\n为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种双金属复合管的制造 方法，用于制造管径为Φ89毫米至Φ630毫米、外层基管为不耐腐蚀的无缝金 属管、内层衬管为耐腐蚀的无缝金属管的双金属复合管，其特征在于：该方 法依次包括如下步骤：\nA、清洗基管和衬管的表面，除去油污及氧化物；\nB、在衬管的外表面涂附具有耐腐蚀性的钎料；\nC、将衬管与基管套装起来，进行冷拉拔复合，使基管的内表面与衬管的 外表面之间获得一个适于钎焊的毛细间隙，且基管的内表面与衬管外表面上 的钎料涂附层紧密贴合；\nD、在惰性气体保护下，将冷拉拔复合管在中频感应加热钎焊装置中由管 底部至顶部垂直向下通过加热感应圈进行中频感应加热钎焊。\n采用本发明，具有如下的有益效果：采用本发明方法制造的双金属复合 管，在双金属复合管基管的内表面与衬管的外表面之间钎焊一层钎焊层，钎 焊层填满了基管与衬管之间的层间间隙并使基管与衬管之间可以达到100％的 冶金结合；其层间间隙为零，并能够通过《压力容器无损检测》JB4730-94 标准规定的超声波探伤检验。因此，采用本发明方法制造的双金属复合管完 全消除了采用现有的各种机械贴合法制造的双金属复合管的基管与衬管之间 所存在的大量的层间间隙。钎焊层在本发明方法制造的双金属复合管的衬管 与基管之间形成一种冶金结合的中间层；合理地选择钎焊材料，可以使此中 间结合层的耐蚀及力学性能高于衬管及基管。因此，用本发明方法制造的双 金属复合管的衬管可以很牢固地与基管结合，有效地解决了采用现有的各种 机械贴合法制造的双金属复合管所存在的基管与衬管结合不牢固、在使用过 程中易造成管层间的大面积分离进而使内层衬管发生失稳甚至造成衬管鼓包 等一系列技术问题。\n就本发明双金属复合管的制造方法本身而言，其主要优点是：①涂附钎 料后的冷拉拔复合易于获得基管内表面与衬管外表面之间的令人满意的钎焊 间隙；在中频感应加热钎焊后，异种金属材料易于达到100％的冶金结合； ②钎焊过程采用中频感应加热钎焊，具有加热快、效率高、易实现自动化生 产等特点；③异种金属材料的中频感应加热钎焊在惰性气体保护下进行，防 止了基管与衬管的加热氧化；④在本发明的一个具体实施方式中，冷拉拔复 合管由管底部至顶部垂直向下通过加热感应圈进行中频感应加热钎焊，充分 利用钎料熔化后的自重和毛细润湿原理，在焊接过程中使得钎料熔液不断地 填充基管与衬管之间的层间间隙，有利于二者达到100％的冶金结合。\n用本发明方法制造的双金属复合管，是一种新型的冶金钎焊双金属复合 管；它兼备了基管(强度高、费用低)与衬管(耐腐蚀)两者的性能及优点。 用本发明方法制造的双金属复合管代替价格昂贵的由纯贵重金属制成的各类 管材，可节省费用约20％～30％，从而大大降低材料成本，并节约大量的稀 有资源。此外，采用合适的钎料钎焊的复合管还能同时满足现场施工时采用 氩弧焊接、手工电弧焊接进行对接焊的要求；可以与现有的金属复合材料配 套使用。总之，用本发明方法制造的双金属复合管作为一种新型防腐管材， 可满足生产过程中对介质腐蚀以及温度、压力的要求；可广泛应用于石油、 化工、制药、食品等行业中的高温、高压、高腐蚀环境，以及产品介质要求 防止铁离子污染的装置及配管工程系统中，具有很好的市场开发潜力。\n下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。\n附图说明\n图1是本发明中频感应加热钎焊过程与装置的轴向剖视示意图。\n图2是用本发明方法制造的双金属复合管的断面图。\n具体实施方式\n如图2所示，用本发明方法制造的双金属复合管包括位于外层的基管101 和位于内层的衬管103，在基管101的内表面与衬管103的外表面之间有一 层钎焊层102。\n本发明双金属复合管的制造工艺流程的主要步骤依次包括：A、基管与 衬管原材料清洗；B、衬管钎料涂附；C、冷拉拔复合；D、中频感应加热钎 焊。此外，需要时还可以对钎焊后的复合管进行后续热处理。下面对以上各 步骤进行详细的说明。\nA、基管与衬管原材料清洗\n不同的管材复合前，对基管101的内表面和衬管103的外表面进行清洗， 除去表面上的油污及氧化物。\nB、衬管钎料涂附\n清洗后，立即在衬管103的外表面涂附钎料。\nC、冷拉拔复合\n将衬管103与基管101两种管材套装起来(衬管103涂附钎料后，其外 径仍小于基管101的内径)，进行冷拉拔复合。通过复合，使基管101的内 表面与衬管103的外表面之间获得一个毛细间隙；该毛细间隙的值最好是 0.03～0.10毫米。复合间隙的控制对下一步熔化钎焊的钎料填充、达到百分 之百的焊接效果是非常重要的。冷拉拔复合后，基管101的内表面与衬管103 外表面上的钎料涂附层紧密贴合。\nD、中频感应加热钎焊\n中频感应加热钎焊是用本发明方法制造双金属复合管的关键步骤，属于 异种金属材料的复合钎焊。由于用本发明方法制造的异种双金属材料复合管 以及由其制造的各种管件制品主要用作炼油、化工等行业中在一定的温度和 压力下输送汽、液、固腐蚀介质的各种规格的可实施熔化焊连接的管子及管 件，因此采用钎焊的焊接方法；充分利用钎料的均匀性和稳定性以及在熔化 状态下的流动性、润湿性，在毛细作用下将钎料填充至异种金属之间，完成 复合管异种金属材料界面的焊接。\n钎料的选择应根据被复合的异种母材(衬管与基管)的性能而定，原则 上是与被焊母材相匹配。例如，不锈钢一碳钢采用Ni-Cr-B-Si(镍一铬 —硼—硅)系的镍基钎料，铜—碳钢采用铜基钎料，钛—碳钢采用银基钎料。 钎料本身还应具有高温抗氧化性和耐腐蚀性。以上对中频感应加热钎焊方法 以及通过举例对基管、衬管与钎料材料的选择给予了集中说明。\n接步骤C，将冷拉拔复合后的复合管在中频感应加热装置中钎焊。\n图1是用本发明的一种中频感应加热钎焊装置钎焊复合管的示意图(轴 向剖视图)。该中频感应加热钎焊装置有一个密封腔6，内设加热感应圈5； 加热感应圈5与中频电源相连。密封腔惰性气体导管9伸入密封腔6内。冷 拉拔复合后的待焊复合管1用吊杆3垂直吊装于中频感应加热装置中，穿过 密封腔6和加热感应圈5。吊杆3的顶部设有吊钩301，与升降设备相连。 在密封腔6壳体的上部和下部分别围绕复合管设置密封腔上密封法兰401和 密封腔下密封法兰402。复合管的上下管口分别围绕吊杆3设置上管口密封 法兰201和下管口密封法兰202。复合管惰性气体导管8经上管口密封法兰 201伸入复合管的内部空腔。设置上述各密封法兰的目的主要是为了防止惰 性气体逸出。\n中频感应加热钎焊过程如图1所示。经复合管惰性气体导管8和密封腔 惰性气体导管9分别向冷拉拔复合管1的内腔及密封腔6的内部通入惰性气 体以置换空气，以便在钎焊加热过程中对基管和衬管进行防氧化保护。惰性 气体可以使用氮气、氩气等；例如通入重量百分比为99.999％的纯净氩气， 其流量控制在6～12升/分钟。\n然后启动中频电源，通过加热感应圈5对冷拉拔复合管1进行感应加热。 电源功率的选择应根据被加热复合管的管壁温度而定(即以达到高出钎料熔 化温度30℃～60℃为准)。例如对φ159×(8+3)毫米的复合管(复合管管 径为φ159毫米，碳钢基管厚度为8毫米，不锈钢衬管厚度为3毫米，钎料 为Ni-Cr-B-Si系的镍基钎料)，电源功率选80～160千瓦，加热温度为1040 ℃～1100℃之间，以保证钎料的熔化焊接。\n当上述冷拉拔复合管1被加热到钎焊温度时，启动升降设备，由吊杆3 带动其垂直向下、从管底部至顶部以100～200毫米/分钟的速度通过中频加 热感应圈5进行中频感应加热钎焊；钎焊结束后即完成本发明双金属复合管 的制造过程。制成的双金属复合管参见图2，在基管101的内表面与衬管103 的外表面之间钎焊了一层钎焊层102。钎焊层102的厚度与冷拉拔复合工序 所形成的基管101的内表面与衬管103的外表面之间的毛细间隙相同；最佳 值为0.03～0.10毫米。为清楚起见，图2对钎焊层102的厚度进行了夸大示 意。\n当钎焊后的复合管需要进行热处理时，可以进行后续热处理。例如钎焊 内衬管为奥氏体不锈钢、基管为低碳钢的复合管时，在密封腔6壳体的下方 围绕钎焊后的复合管设置淬火喷水圈7。在对复合管进行钎焊的同时，对通 过惰性气体保护部分的经加热感应圈5感应加热钎焊后的管段从外部进行喷 水冷却(参见图1)，使钎焊复合管内衬不锈钢层奥氏体固溶化，以保证不 锈钢的抗晶间腐蚀性能。\n在上述的具体实施方式中，冷拉拔复合管1由管底部至顶部垂直向下通 过加热感应圈5进行中频感应加热钎焊，充分利用钎料熔化后的自重和毛细 润湿原理，在焊接过程中使得钎料熔液不断地填充基管与衬管之间的层间间 隙，有利于二者达到100％的冶金结合。\n上述本发明的中频感应加热方式及装置，能满足异种金属材料的快速加 热钎焊焊接，并能保证不锈钢衬管的完全固溶状态，满足抗晶间腐蚀要求。 同时在加热、冷却两个过程中，充分利用了异种金属材料膨胀系数不同的特 点而对钎焊过程所产生的有益影响：即，在复合管被加热到钎料熔化温度时， 其不锈钢衬管的膨胀系数大于碳钢基管的膨胀系数，熔化的钎料在层间膨胀 差异造成的压力下进行焊接是极其有益的；而在钎料凝固过程中，通过外部 喷水冷却降温，焊后的复合管由外至内冷却收缩，可获得致密的钎焊层。\n采用本发明说明书所列举的上述几种基管、衬管及钎料所制造的双金属 复合管，其产品技术指标如下：\n双金属复合管管径：    Φ89～Φ630毫米\n内层衬管壁厚：        1.5～4毫米\n定尺(管长)：          3～9米\n屈服强度(σs)：      不小于基层\n抗拉强度(σb)：          不小于基层\n伸长率(δ)：              不小于基层\n结合层剪切强度：          ≥147MPa\n衬管晶间腐蚀(不锈钢衬管)：合格(《不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀\n                          试验方法》GB4334.5-90)\n复合钢管超声波探伤：      按《压力容器无损检测》\n                          JB4730-94标准执行\n使用温度：                ≤450℃\n应用举例：炼制高硫原油、高酸原油或高硫高酸原油的常减压塔底线、 常三线、常四线、减三线、减四线、催化分馏塔底线、回炼油线等高温、高 腐蚀管线，使用条件为：温度不高于300℃～400℃，压力为0.1～2.5MPa， 介质为烃+高温硫+高温硫化氢+高温环烷酸。管材如果选用碳素钢材料，其 腐蚀速度将超过0.5毫米/年，为不耐腐蚀材料。如果选用铬钼钢材料，其 耐腐蚀性无太大的提高，也属不耐腐蚀材料。若选用不锈钢材料，其材料费 用将大大增加，同时还有发生连多硫酸应力开裂的危险。在上述条件下，采 用本发明方法制造的双金属复合管(基管为20号碳钢，衬管为304L或316L 不锈钢)是一个较好的选择。\n以上通过具体实施方式对本发明制造双金属复合管的方法进行了详细的 说明。上述具体实施方式并不限制本发明的范围。根据实际需要，可采用本 发明方法生产多种材料(基管、衬管和与其相匹配的钎料的材料)和规格的 双金属复合管。本领域的技术人员需根据具体的情况按照本发明说明书提出 的方法来确定具体的加工参数，即可完全实施本发明。\n用本发明方法制造的双金属复合管除了可以作为管材使用外，还可以作 为新型复合材料加工制造成各种弯头、三通、大小头等管件，与其配套使用。