双金属复合焊管制造工艺的制作方法

本发明涉及一种双金属复合焊管制造工艺，特别是用于石油管道的双金属复合焊管制造工艺。

背景技术

石油、化工等领域使用的管道，既有防腐又有强度的要求，现通常采用双金属复合管，其内层多为奥氏体不锈钢或镍基合金，外层常采用碳钢；目前双金属复合管多采用机械扩径方式对其全长进行分段扩径以实现焊管椭圆度的矫形，它需对外管进行加热至500-900℃，再将扩径芯模在内管中沿轴向移动，对内管进行扩径成型，之后再进行冷却，使得内外管贴合，由于管件有轴向尺寸的变化，端头结构不规整，还需进行切头等后续加工；该工艺的主要缺点为：扩径时对内管内表面的机械损伤较大，其拉伸变形有可能使这类原材料缺陷扩大，影响其强度和耐腐蚀性，且大型扩径机结构复杂，设备成本高；加上需对外管进行加热，能耗高，制造成本高。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的上述不足，提供一种双金属复合焊管制造工艺，它不仅模具简单、设备成本低、操作方便，且可保证钢管圆度、强度和防腐性能。

为了达到上述目的，本发明的一种双金属复合焊管制造工艺，其特征在于包括以下步骤：a）下料：需根据弯曲成型后的定径后外径da、定径前外径db及双金属板材的技术参数，分别计算出板材实际宽度尺寸l实；、管坯展开理论长度l理、、成型过程伸长量△l、双金属板材结合界面到中性层的距离a；其中db=da/(1-sr)，sr为缩径率，，h为板材总厚度，δ为内层金属厚度，σs1为内层金属的屈服强度，σs2为外层金属的屈服强度，a为结合界面到中性层的距离，l理=π(db-2h+2δ+2a），△l=kπh[1+h/(db-2h)]，k为卷弯条件系数，l实=l理-△l；实际板材下料宽度为l实；并在板材两端铣出焊接坡口；b）弯曲成型：1)预弯边：将板材两端分别弯曲、形成弧形的预弯区；2）j形成型：在压力机配有一个带圆弧段的上模和下模，先使板材的一半让开预弯区、按设定的步长、横向多次进入上模和下模之间成型，使得板材的一侧在上、下模之间压弯成预定的曲率，使板材的一半先成为横卧的j形；3）c形成型：随后上模抬起，板材未成型的一边让开预弯区、按设定的步长、横向多次进入上模和下模之间成型，使得板材的另一侧在上、下模之间压弯成预定的曲率，形成横卧的“c”形管坯；4）o形成型：最后在“c”形管坯中间通过上模和下模进行最后一次弯曲，使横卧的“c”形管坯开口缩小，成为开口的“o”形管坯；c）焊接：将“o”形管坯开口处的直缝焊接，获得外径db的管坯；d）热处理：将管坯送入炉内在预设温度进行去应力退火；e）缩径校圆：在压力机装配内径为da的上、下模具，上、下模具具有半圆弧的内腔，将外径db的管坯置于下模具内，上模下行至合模，管坯外壁与模具完全贴合进入缩径阶段，管坯径向产生一定的压缩变形，管坯内、外壁均进入塑性变形状态，合模保压后、上模抬起完成管坯缩径矫圆；

该工艺由于采用缩径校圆，需准确计算下料时双金属板材的实际宽度，而这与定径后外径、定径前外径、缩径率、管坯展开理论长度及成型过程伸长量有关，定径前外径db=da/(1-sr)；而管坯展开理论长度与中性层位置的位置有关，中性层即为双金属复合板在弯曲时宽度保持不变的假想层，因复合板复合界面处硬度、强度高于内层和外层，塑性低于内层和外层，在弯曲成型时，管坯中心层会从截面形产生一定的位移量，通过材料力学的方法确定中心层的位移量，可计算得到中性层处管坯展开理论长度，，a为结合界面到中性层的距离，求出a后，就确定了中性层的位置，即可以计算管坯展开理论长度l理=π(db-2h+2δ+2a）；另外，成型过程钢板塑性变形而使长度增加，会使管坯直径增大，为精确控制定径前外径的大小，故在计算复合板有效宽度l实时要考虑管坯中性层及成型过程伸长量△l的影响，△l=kπh[1+h/(db-2h)]，k为卷弯条件系数；板材实际下料宽度尺寸l实=l理-△l，通过上述公式进行计算，可以更加精准的控制管坯直径及椭圆度。

弯曲成型中的j形成型和c形成型，均采用等距小步长成型方式，可以使最终成型的管坯径向截面的几何形状为曲率一致的圆，最后的o形成型使横卧的“c”形管坯开口缩小，成为开口的“o”形管坯，可有效保证管坯全长方向的平直度，且生产效率高；预弯边可确保最后的收口为理想的弧面；缩径校圆通过配套管径的上、下模具合模后对椭圆管坯进行矫圆，可减小椭圆度，保证钢管圆度，不仅模具简单、设备成本低、操作方便，且压缩变形更容易减小原材料上的细小裂纹或孔洞缺陷，提高钢管的承压强度，加上内层防腐金属不受损伤，可保证防腐性能；

作为本发明的一种优选，步骤a）中的焊接坡口为ｘ型坡口；在步骤c）中,“o”形管坯的直缝焊接过程分为四个阶段，依次为外层预焊、外层内焊、外层外焊和内层焊接；分步焊接使得焊缝外观波纹均匀细致、光泽好，而且输入的线能量低、合金元素的稀释少，可提高防腐性能和强度；

作为本发明的一种优选，步骤b）中预弯边通过卷板机完成；加工效率高；

综上所述，本发明不仅模具简单、设备成本低、操作方便，且可保证钢管圆度、强度和防腐性能。

附图说明

图1为本发明双金属板材弯曲时确定中性层位置的结构分析图。

图2为本发明弯曲成型工序加工过程的示意图。

图3为本发明焊接工序加工过程的示意图。

图4为本发明缩径校圆工序加工过程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

该双金属复合焊管制造工艺，包括以下步骤：a）下料：需根据弯曲成型后的定径后外径da、定径前外径db及双金属板材的技术参数，分别计算出板材实际宽度尺寸l实、管坯展开理论长度l理、、成型过程伸长量△l、双金属板材结合界面到中性层的距离a；其中db=da/(1-sr)，sr为缩径率，如图1所示，，h为板材总厚度，δ为内层金属厚度，σs1为内层金属的屈服强度，σs2为外层金属的屈服强度，a为结合界面到中性层的距离，l理=π(db-2h+2δ+2a），△l=kπh[1+h/(db-2h)]，k为卷弯条件系数，l实=l理-△l；实际板材下料宽度为l实，并在板材两端铣出ｘ型坡口；b）弯曲成型：如图2所示包括1)预弯边：通过卷板机将板材两端分别弯曲、形成弧形的预弯区；2）j形成型：在压力机配有一个带圆弧段的上模和下模，先使板材的一半让开预弯区、按设定的步长、横向多次进入上模和下模之间成型，使得板材的一侧在上、下模之间压弯成预定的曲率，使板材的一半先成为横卧的j形；3）c形成型：随后上模抬起，板材未成型的一边让开预弯区、按设定的步长、横向多次进入上模和下模之间成型，使得板材的另一侧在上、下模之间压弯成预定的曲率，形成横卧的“c”形管坯；4）o形成型：最后在“c”形管坯中间通过上模和下模进行最后一次弯曲，使横卧的“c”形管坯开口缩小，成为开口的“o”形管坯；c）焊接：如图3所示，将“o”形管坯开口处的直缝焊接通过外层预焊、外层内焊、外层外焊和内层焊接依次进行，获得外径db的管坯；d）热处理：将管坯送入炉内在预设温度进行去应力退火；e）缩径校圆：如图4所示，初始状态：在压力机装配内径为da的上、下模具，上、下模具具有半圆弧的内腔，将外径db的管坯置于下模具内；整圆阶段：上模下行至合模，管坯外壁与模具内腔完全贴合进入缩径阶段，管坯径向产生一定的压缩变形，管坯内、外壁均进入塑性变形状态；缩径阶段：合模保压后、上模抬起完成管坯缩径矫圆；

双金属板材可通过爆炸焊接工艺获得；该工艺由于采用缩径校圆，需准确计算下料时双金属板材横向的实际宽度，而这与定径后外径、定径前外径、缩径率、管坯展开理论长度及成型过程伸长量有关，定径前外径db=da/(1-sr)，根据金属板材强度及相关实验验证发现，当缩径率sr为0.8%-1.0%左右时，可以获得比较好的椭圆度，sr的取值在此范围内；如图1所示，而管坯展开理论长度与中性层位置的位置有关，中性层即为双金属复合板在弯曲时宽度保持不变的假想层，因爆炸焊接获得的复合板复合界面处硬度、强度高于内层和外层，塑性低于内层和外层，在弯曲成型时，管坯中心层会从截面形产生一定的位移量，通过材料力学的方法确定中心层的位移量，可计算得到中性层处管坯展开理论长度，，a为结合界面到中性层的距离，求出a后，就确定了中性层的位置，即可以计算出管坯展开理论长度l理=π(db-2h+2δ+2a）；另外，成型过程钢板塑性变形而使长度增加，会使管坯直径增大，为精确控制定径前外径的大小，故在计算复合板有效宽度l实时要考虑管坯中性层及成型过程伸长量△l的影响，△l=kπh[1+h/(db-2h)]，k为卷弯条件系数，它与受压后塑形变形量有关，根据设计手册k取0.06-0.08；板材实际下料宽度尺寸l实=l理-△l，通过上述公式进行计算，可以更加精准的控制管坯直径及椭圆度。

弯曲成型工序中的j形成型和c形成型，均采用等距、小步长多次成型的方式，可以使最终成型的管坯径向截面的几何形状为曲率一致的圆，最后的o形成在型坯中间通过上模和下模进行最后一次弯曲使横卧的“c”形管坯开口缩小，成为开口的“o”形管坯，可有效保证管坯全长方向的平直度，且生产效率高；预弯边可确保最后的收口为理想的弧面；缩径校圆工序的初始阶段，管坯与模具内腔为线接触，随着压力机带动上模向下运行进入整圆阶段，管坯截面的椭圆度不断减小，但截面周长基本没有发生变化，此过程为弹性变形阶段；上模继续下行至合模，管坯外壁与模具内腔完全贴合进入缩径阶段，此时管坯截面壁厚中心线的周长小于初始阶段管坯截面壁厚中心线的周长，内、外壁均进入塑性变形状态，合模保压后上模抬起完成管坯缩径矫圆，通过配套管径的上、下模具合模后对椭圆管坯进行校圆，可减小椭圆度，保证钢管圆度，不仅模具简单、设备成本低、操作方便，且压缩变形更容易减小原材料上的细小裂纹或孔洞缺陷，提高钢管的承压强度，加上内层防腐金属避免了扩径校圆的损伤，可保证防腐性能；

“o”形管坯的直缝分步焊接使得焊缝外观波纹均匀细致、光泽好，而且焊接时输入的线能量低、合金元素的稀释少，可提高防腐性能和强度。