用于通过连续液压扩展来制造管的方法和装置与流程

本公开涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于制造管的方法。本公开还涉及根据权利要求10的前序部分所述的用于制造管的装置。

背景技术：

无缝冷加工钢管(但也可为其它金属材料的管)通常通过以下主要工艺步骤制造：

首先，通过熔化废金属、在熔融金属罐(ladle)和转炉中进行精炼、然后连续铸造成被切割成坯件的板坯(strand)，从而生产出钢坯。然后，使坯件进行热轧，以形成圆棒，并且通过用心轴刺穿圆棒并进一步热轧或热挤压而从该圆棒形成中空管状坯料。也可以从锭铸钢制造中空坯料。最后，将处于冷态的中空管状坯料拉制成或皮尔格式轧制成最终尺寸的管。

拉制或皮尔格式轧制的最终步骤的共同之处在于，在加工步骤期间，中空坯料的外径减小。当制造具有大直径的管时，因而需要使用具有非常大直径的中空管状坯料作为起始材料。然而，减小中空坯料的尺寸所需的力随着中空坯料的尺寸而迅速增加，并且因此也相应地增加了制造设备(即用于热轧和冷轧的拉伸台和轧机)的尺寸。这最终导致高生产成本。

未来，预计对大直径冷加工无缝钢管的需求以及对其它材料的大直径冷加工无缝管的需求将会增加，特别是在石油和天然气开采方面，并且因此需要更高效且更低成本的用于制造这些产品的方法。

因此，本公开的一个方面在于提供一种有效且低成本的制造管的方法。本公开的另一方面在于提供一种有效且低成本的用于制造管的装置。

技术实现要素：

上述方面通过一种用于制造管110的方法实现，该方法包括以下步骤：

a.提供管状中空坯料100，其具有标称外径(d)和标称内径(d)；

b.提供扩展工具60，其包括外部工具部件61和内部工具部件64，所述外部工具部件61和内部工具部件64被同心地布置，使得内部工具部件64和外部工具部件61限定用于接收具有标称外径(d)和标称内经(d)的入口开口68以及用于具有外径(d1)和内径(d1)的管110的出口开口69；

其中，内部工具部件64包括第一密封部分65和第二密封部分66，所述第一密封部分65用于能够密封地支撑中空坯料100，所述第二密封部分66用于能够密封地支撑管110，其中，空间70在第一密封部分65与第二密封部分66之间延伸，并且其中，空间70连接至流体源；

c.使所述管状中空坯料100连续地移动穿过扩展工具60，并将流体供应至空间70，使得在管状中空坯料100内施加液压压力(p1)，其中，液压压力(p1)的大小被选择为使得管状中空坯料100塑性变形。

在本公开中，液压压力被表示为p、p1、p2、p3、p4和p5。然而，如本领域技术人员已知的，液压压力(p、p1、p2、p3、p4和p5)的数值可以是相同或不同的。

上文或下文限定的方法是用于扩展管(诸如无缝管)的方法，其中，管受到两种类型的力，即，压力和拉力。这意味着管的材料不会仅暴露于单侧力(如在通常使用的工艺中那样)，并且因此减少了在管中形成裂纹的风险。

通过上文和下文限定的方法，中空坯料的横截面从标称尺寸连续扩展成伸长管，该伸长管具有比标称中空坯料要薄的壁厚以及比标称中空坯料要大的内径和外径。由此，能够实现高生产率，并且因此降低每个管的生产成本。由于中空管状坯料的横截面被扩展，所以即使在制造大直径的管时，也能够使用小标称直径的中空管状坯料。

本发明方法的另一优点在于，中空管状坯料通过液压流体压力而扩展。与机械成形相比，扩展工具中的液压压力(p1)与中空管状坯料之间的摩擦将非常低。因此，将能够使用小的轴向力来推动或拉动中空坯料穿过扩展工具。这进而将提供诸如减少变形过程所需的力、设备尺寸小和功耗低的优点。

根据一个替代方案，管状中空坯料完全地通过扩展工具中的液压压力(p1)而扩展。其带来的主要优点在于，在扩展过程期间，中空管状坯料与扩展工具之间将几乎没有摩擦(或者摩擦非常小)。因此，用于将管状坯料移动穿过扩展工具所需的力可以非常小。

根据另一替代方案，管状中空坯料部分地通过液压压力而扩展，并且部分地通过机械成形而扩展。当在最终的管中需要窄公差时，机械端成形步骤是有利的。

作用在中空坯料上的液压压力(p)应足够高，以使管状中空坯料的材料增塑。因此，管状中空坯料中的切向拉伸应力应位于管状中空坯料材料的塑性区域中。为了实现这一点，优选地是，将扩展工具中的压力的大小选择为使得在管状中空坯料中实现的切向拉伸应力大于管状中空坯料材料的屈服极限或极限强度。优选地，扩展工具中的压力的大小被选择为使得在管状中空坯料中实现的切向拉伸应力小于管状中空坯料材料的极限拉伸强度。

根据另一替代方案，在管状中空坯料内，在管状中空坯料的从扩展工具的入口开口朝向管状中空坯料的第一端延伸的部分中施加液压压力(p3)。液压压力(p3)将使管状中空坯料在扩展过程期间稳定，使得避免了不受控制的屈曲。

根据另一替代方案，液压压力(p3)的大小适于使得在中空管状坯料中实现切向拉伸应力，其中，切向拉伸应力位于中空管状坯料的材料的弹性区域中。通过在扩展之前弹性地预张紧中空管状坯料，可以更进一步减小将管状中空坯料推动穿过扩展工具所需的轴向力。优选地，液压压力(p3)的大小适于使得在中空管状坯料中实现的切向拉伸应力比中空管状坯料材料的屈服极限或极限应力小约10％至约20％。

本公开还涉及根据权利要求10所述的用于制造管的装置。

附图说明

图1是用于执行根据本公开的第一优选实施例的方法的装置的示意图。

图2a是图1的一部分的放大图。

图2b是根据本公开的装置的替代方案的放大图。

图3a-图3c示意性地示出了根据本公开的方法的三个不同阶段。

图4a和图4b是用于根据本公开的方法的示意性示例的说明图。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于将中空管状坯料从标称内径d和标称外径d连续扩展成具有内径d1和外径d1的伸长管的装置1。

为了便于描述装置1，示出了处于操作中的情况，即，在管状中空坯料100扩展成扩展且伸长的管110期间。

该装置包括第一伸长管状壳体10，该第一伸长管状壳体10具有第一端11和第二端13以及包围内部空间15的周向圆筒形壁14。管状壳体10的第一端11由第一端壁12封闭。

用于推动管状坯料的保持元件30(也称为“推动元件”或“保持器元件”)被布置在内部空间15中。保持元件30是能够滑动地配合到第一管状壳体10的内部空间15中的圆柱形件。推动元件的一侧是平面的并且指向第一管状壳体10的第一端11。推动元件的另一侧指向第一管状壳体10的第二端13并且设置有圆柱形凹部33，即，孔，该凹部被设计用以接收位于第一管状壳体10的内部空间15中的中空管状坯料100的第一端101。

保持元件30、第一端壁12和周向圆柱形壁14限定第一管状壳体10的内部空间15中的压力腔室16。第一压力腔室16通过管道17连接至液压流体源(未示出)。推动元件30和压力腔室16构成用于推动(移动)中空管状坯料的推动装置(移动装置)。

扩展工具60被布置在第一管状壳体10的第二端13中。扩展工具60包括外部工具部件61和内部工具部件64，它们以彼此相距一定距离同心地布置。

图2a示出了根据第一替代方案的扩展工具60的放大视图。

外部工具部件61是环形的并且具有入口端62和出口端63。外部工具部件61被设计成使得其内径在从入口端62朝向出口端63的方向上增大。因此，在入口端62处，外部工具部件61的内径等于中空管状坯料的外径d，而外部工具部件的出口端63的内径等于扩展的管的外径d1。入口端62和出口端63圆筒形地延伸，以提供用于管状中空坯料和扩展的管的支撑表面。然而，外部工具部件61的精确设计可以改变，优选地，其内径从入口端62到出口端63连续地增加。

内部工具部件64是伸长的旋转对称的实心件并且至少在外部工具部件61上延伸。然而，根据一个实施例，其优选地比外部工具部件更长。

内部工具部件64具有入口密封部分65和出口密封部分66。入口区段和出口区段是圆筒形的并且在内部工具部件的轴向方向上延伸，使得它们形成用于管状中空坯料的内表面的支撑表面和用于扩展的管的内表面的支撑表面。入口密封部分(第一密封部分)65和出口密封部分(第二密封部分)66的径向尺寸被设定为使得在入口密封部分65与管状中空部分的内表面之间以及在出口密封部分66与扩展的管的内表面之间实现液密密封。

用于中空管状坯料的入口开口68被限定在外部工具部件61的入口端62与内部工具部件64的入口密封部分65之间。用于扩展的管的出口开口69被限定在外部工具部件61的出口端63与内部工具部件64的出口密封部分之间。在入口开口68处，外部工具部件的入口端62和内部工具部件的入口密封部分65与管状中空坯料接触。在出口开口处，外部工具部件61的出口端63和内部工具部件64的出口密封部分与扩展的管接触。

内部工具部件64还包括空间70，所述空间70在内部工具部件64的入口密封部分65与出口密封部分66之间延伸。在图2a所示的实施例中，空间70是加工到内部工具部件中的周向凹部。周向凹部(空间)70可以具有任意形状，例如矩形横截面，并且该周向凹部70由入口区段65和出口区段66以及由内部工具部件64的底部限制。因此，周向凹部70朝向上部工具部件敞开并且在上部的工具部件的至少一部分上延伸。周向凹部70通过管道72连接至液压流体源(图中未示出)。在操作中，周向凹部70和管状中空坯料的内表面限定了压力腔室，使得液压压力被施加到管状中空坯料的内表面上。根据中空管状坯料的尺寸来选择周向凹部70的深度，并且使得周向地围绕管状中空坯料均匀地形成液压压力。

出口密封部分66的侧面73可以是倾斜的，以在扩展过程的初始阶段中将中空管状坯料朝向扩展工具的出口开口69引导。

还能够将内部工具部件64设计成使得管状中空坯料部分地由周向凹部70中的流体液压地变形，并且部分地在出口密封部分66与外部工具部件61之间机械变形。有利的是，对扩展的管的最终尺寸进行调节，并且确保对扩展工具的出口开口中的扩展的管进行完全流体密封。

图2b示出了扩展工具60的第二替代方案，其中，出口密封部分66具有沿着外部工具部件61同心地延伸的机械成形区段74，使得在成形区段74与外部工具部件61之间形成环形间隙。成形区段74的尺寸被设定为使得环形间隙在朝向出口开口69的方向上逐渐变窄。因此，在图2b中，中空管状坯料部分地通过周向凹部70中的液压压力p1抵靠上部的工具部件61而扩展，并且部分地通过上部的工具部件61与成形区段74之间的环形间隙中的机械成形而扩展。成形区段74可以是外部密封部分的一体部件或是独立的部件。

回到图1，用于连续扩展中空管状坯料的装置1还包括第二管状壳体80，所述第二管状壳体80用于接收扩展的管110。第二管状壳体80包括周向壁81。底壁将第二管状壳体80的第二端83封闭，并且其第一端84是敞开的。

第二管状壳体80被布置成与第一管状壳体10滑动接触。因此，第一管状壳体10的第二端13(即，包括扩展工具60的该第二端)被插入到第二管状壳体80的敞开的第一端84中。第二管状壳体的底壁82包括用于接收扩展的管的端部的环形凹槽85。液压卡盘(未示出)可以设置成邻近于环形凹槽85，以用于夹紧扩展的管的端部。

杆86从内部工具部件64延伸穿过第二管状壳体80的底壁。主流体通道87延伸穿过杆86，以用于将内部工具部件中的周向凹部70与液压压力源(未示出)连接。该杆还包括出口通道88，所述出口通道88用于将液压流体供应至位于第二管状壳体中的扩展的管的内部。

在装置1的操作中，推动中空管状坯料穿过扩展工具的轴向力还迫使内部工具部件64穿出第一管状壳体10的端部之外。为了防止这种情况，扩展的管110、第二管状壳体的底壁和内部工具部件64限定压力腔室89，该压力腔室89经由杆86中的出口通道88连接至流体源(未示出)。当在压力腔室89中供应流体时，在内部工具部件64上施加反液压压力p2，该反液压压力p2迫使内部工具部件在中空管状坯料的扩展期间保持在位。

根据本公开的替代方案，用于扩展中空坯料的装置还可包括流体通道18，该流体通道18将液压流体源(未示出)与中空管状坯料的从扩展工具的入口端朝向保持器元件30延伸的部分中的中空管状坯料的内部连接。如图1中可以确定的，管状中空坯料1的周向壁、保持器元件30和扩展工具60限定压力腔室40，该压力腔室40可被加压，以便在整个过程期间以及贯穿整个过程使管稳定。

在用于扩展中空坯料的装置1中，在中空管状坯料的外表面与第一管状壳体10的周壁14之间存在环形狭槽41。环形狭槽41的目的是在扩展过程中适应中空管状坯料的横向移动。根据一个替代方案，环形狭槽41还可以通过流体通道连接至液压流体源并且被加压。通过在环形狭槽45中提供液压压力p4，可以在扩展期间使管状中空坯料稳定。

能够使用机械力来代替使用液压压力将保持器元件30与管状坯料一起朝向扩展工具移动。例如，通过使用与线性电机连接的推杆。

还能够将管状中空坯料推动穿过扩展工具，并且同时拉动第二管状壳体远离扩展工具。

还应理解，用于制造管的装置包括必要的密封元件，以防止液压流体在该装置的各种部件之间泄漏。例如，适当的密封元件可以被布置在扩展工具的入口开口与出口开口中。还应当理解，与液压流体源的连接包括必要的泵和阀，以便实现合适的压力。

下面将参考图3a-图3c描述根据本公开的方法。

图3a示出了处于起始位置中的用于扩展中空管状坯料的装置1。因此，推动元件30朝向第一管状壳体的第一端缩回。第二管状壳体80已经缩回，使得其底壁85邻近于扩展工具60的出口开口69。

管状中空坯料100被放置在第一管状壳体的内部空间15中。管状中空坯料的第一端被插入推动元件30的圆柱形凹部33中。管状中空坯料的第二端被插入扩展工具60的入口开口68中。管状中空坯料由钢制成，诸如不锈钢、诸如双相不锈钢或高合金不锈钢。钢的实例是unss32750和unsn08028(可从ab山特维克材料技术公司购得(absandvikmaterialstechnology))。管状中空坯料的内径d可为132mm，外径d可为160mm，长度可为8900mm。然而，管状中空坯料也可以由其它金属材料制成，诸如铝、铜、碳钢或锆。

中空管状坯料的周向壁限定轴向凹部70，使得实现液密的压力腔室。

在第二步骤中，见图3b，通过经由通道88引入的液压流体将周向凹部70加压到液压压力p1。液压压力p1作用在中空管状坯料的内表面上。

周向凹部70中的液压压力p1的大小被选择为使得在中空管状坯料中实现切向拉伸应力，该切向拉伸应力的大小使得中空管状坯料的材料增塑。这将导致中空管状坯料在径向方向上朝向外部工具部件61均匀地变形。高压力不仅扩大了管状中空坯料的内径，还减小了中空管状坯料的壁厚。因此，与中空管状坯料相比，所得到的扩展的管较长，并且壁厚减小。

这也可以相应地解释为：周向凹部70中的高度加压的流体作用在增塑的中空管状坯料的内表面上。因此，增塑的中空管状坯料在外部工具部件61与高度加压的液压流体之间被挤压，这进而将导致用于管状中空坯料的壁厚减小。

后面将在下文中说明液压压力的大小与管状中空坯料的增塑之间的关系。

与此同时，通过经由通道17引入的液压流体还将第一管状壳体中的压力腔室16加压到液压压力p5。这迫使保持器元件30朝向扩展工具60移动并且使中空管状坯料连续移动穿过扩展工具。

扩展的管110通过出口开口69离开扩展工具，并与第二管状壳体80的端壁85接合，该第二管状壳体80开始在第一管状壳体上滑动远离扩展工具。这个过程使扩展过程稳定并使其以稳定的速度进行。

图3c示出了处于最终位置的用于扩展管状坯料的装置。保持器元件30已通过压力腔室16中的液压压力p5推动至邻近于扩展工具的入口开口68的位置。在该位置中，保持器元件不能将中空管状坯料进一步推动穿过扩展工具。相反，中空管状坯料的最后部分被第二管状壳体拉动穿过扩展工具。这可以通过在第二管状壳体的第一端81上施加力f或者通过抓持第二管状壳体的第二端并将其在远离扩展工具的方向上拉动来实现。可以增加周向凹部70中的压力，以促进从扩展工具移除扩展的管的最后区段。

周向凹部70中的液压压力p1的大小对于扩展和拉长管状中空坯料是至关重要的。下面将更详细地说明液压压力的重要性。

当在管状中空坯料内施加压力(即，负载)时，在管状中空坯料的壁中形成切向应力。

金属材料在受到增加的负载时的特性是众所周知的，并且通常通过所谓的应力应变图来描述。

当金属材料件受到小的负载时，所形成的应力导致金属材料中的原子之间的距离增加，而不会影响它们的相互排列。如果移除负载，则金属材料件将恢复到原始尺寸。金属材料件因此弹性变形。在应力应变图中，这个区域通常被称为线性弹性区域。如果施加在金属材料件上的负载增加，则应力也将增加。当应力超过所谓的弹性极限或屈服极限时，原子平面将开始在彼此之上滑动，并且金属材料件经受永久变形，即，金属材料件塑性变形。塑性变形随着负载的增加而在金属材料件中均匀地增大，直到金属材料件中的应力达到所谓的极限拉伸应力。此后，腰部(waist)开始形成在金属材料件上，并且如果负载进一步增加，则试件最终会断裂(giveaway)。屈服极限与极限拉伸应力之间的区域通常被称为塑性区域。

对于金属材料，不存在定义的屈服极限。相反，术语“极限强度”用于确定塑性区域的起始。极限强度被定义为使材料剩余延伸率为0.2％的应力量。通常，极限强度被表示为rp0.2。

对于大多数建筑金属材料，屈服点、极限应力和极限拉伸应力都有记录，或者可以通过实验容易地确定。在所公开的方法中，该信息可以用于确定使中空管状坯料变形(即，扩展)所需的液压压力的大小。

下面是描述用于使管状中空坯料变形的足够的液压压力的计算的实例。

管状中空坯料的内径为132mm，并且壁厚为14mm。管状中空坯料由可从ab山特维克材料技术公司购得的unss32750型热轧钢制成。

这种特殊类型的钢的极限强度(rp0.2)为550mpa。

使管状坯料增塑所需的压力p可以用以下公式计算：

该公式通过考虑受到内部压力p的圆柱形罐中的切向应力σ导出，见图4a和4b。

罐的长度为l，内径为d，壁厚为wt和壁面积为a壁。作用在罐上的力f是总压力p，并且罐的壁中的总张力为t。

f＝pa

t＝σta壁＝σttl

σfh＝0

f＝2t

pdl＝2(σttl)

在变形期间，管状中空坯料应变硬化，这进而增加了抗变形性。这个效应需要在计算中考虑。因此，基于经验，在公式中使用较高的极限强度，即，1000mpa。

因此，为了使中空管状坯料增塑和变形，必须在中空管状坯料的内表面上施加至少212mpa的压力。