专利名称：不锈钢－碳钢复合钢管爆炸焊接工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于异种金属材料钢管复合材料的爆炸焊接方法，特别涉及不锈钢—碳钢复合钢管的爆炸焊接技术领域。
背景技术：
目前在石油集输、炼制、化工、电力、制药等行业中，大量的使用了不锈钢管以及价格昂贵的稀有金属钛、镍、铜管等，导致投资成本过高。于是工程上开始应用不锈钢复合钢管制造流体输送管道，即在碳钢管内壁紧贴一层不锈钢或钛材制成复合钢管，外层为基管，内层为内复管。这样，以碳钢管为基管满足管道对强度的要求，以不锈钢作为紧贴基管内壁的内复管满足管道对防腐蚀的要求。国内现有的复合钢管大多数是在常温常压下用机械加工的方法将不锈钢或有色金属的内管镶嵌并紧贴在基管的内壁上，如专利号99238928.3；或是将复管和基管套装后经过冷拔或扩拔成复合管，如专利号94239122.5等。这两种复合钢管都不能形成双金属结合面的抗剪切结合，它们的结合面为贴合，在取样之后两种材料将自然脱落。这种复合不能承受负压载荷，使用范围受到限制。也有形成双金属间冶金结合的专利技术，如专利号01219508，它是采用碳钢管和不锈钢管将钎料螺旋缠绕于不锈钢内管上，碳钢管套装在外部，经机械膨胀，再经中频加热实现基、复管间的冶金结合。但是这种复合钢管因为使用了低熔点的钎料金属，如锡、铅等有害杂质，钎料在钢管组对焊接时将起到破坏作用，容易产生大量的气孔等缺陷，不利应用。爆炸复合钢管则能够使双金属的结合面达到物理结合和冶金结合的双重作用，且工艺简单，制造成本较低。爆炸复合钢管能够满足复杂工况条件下的流体输送要求。本技术发明就是为了实现双金属管结合区具有很高的抗剪切能力和粘结能力而提出的一种复合钢管爆炸焊接工艺。
为了了解本发明的技术动态，申请人曾进行了文献检索，检索到以下的相关文件《双金属复合管》凌星中、徐见平，北京石油化工学院、浙江嘉兴中达集团有限责任公司 中国专利CN2777320。
《薄壁不锈钢碳钢复合管》俞廷标 中国专利CN2663764。
《内覆不锈钢双金属复合管》北京石油化工学院学报2005年13卷4期。
《大型不锈钢/普碳钢原板坯的爆炸焊接》王铁福 南京理工大学弹道国防科技重点实验室 焊接学报2004年25卷2期。
……检索表明以碳钢为基材，内衬不锈钢复合管产品，文献中有报道，但采用的主要是基管和衬管间加钎料，运用感应力加热方法或电弧焊，高频焊或螺旋焊等焊接方法，与本技术方案所采用的爆炸焊接不同；采用爆炸焊接制备不锈钢—普碳钢原板坯、铝—不锈钢细长双金属复合管和工具钢与普碳钢复合板的研究，亦有过报道，但其产品与本产品又有所不同。另外，未发现在基管的外层配置有凹槽的套管模，以加固基管防止其爆炸变形的方法。
申请人亦曾对该产品及其生产方法的市场状况和生产工艺的研发情况进行了较认真的调研，亦发现没有相同的产品和生产工艺为社会公知公用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题1、为实施爆炸焊接，必须设计炸药筒，它的筒壁为双层纸质结构，在层间布入定量的炸药。2、设计一个控制爆炸装置，可以人工方式和遥控方式控制起爆器。3、为了提高产品质量在爆炸焊接过程中在基管的减振层外配置有上、下套管模。4、为了保证作业的安全可靠，在被爆炸焊接的复合钢管与备有起爆器的人工作业区之间设置有安全保护的屏蔽装置。
为此，采用了以下的技术方案首先不锈钢—碳钢复合钢管爆炸焊接工艺按以下流程进行A、原料选择，根据设计选择碳钢基管(4)和不锈钢内复管(5)的型号和尺寸；
B、表面净化处理，对基管的内表面和内复管的外表面喷砂、除油锈及抛光处理；C、设备和工件组装，将碳钢基管套装在不锈钢内复管的外壁上，使后者的外表面与前者的内表面相接触；内复管管长较基管长100mm～300mm；在基管的外壁有减振层(3)；将基管置于具有半凹圆弧槽的下套管模(2)的凹槽中；将具有半凹圆弧槽的上套管模(1)扣盖在包有减振层(3)基管的上方；并用锁紧件(8)将之锁紧；使(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(8)成为一个整体置于爆炸平台(14)上；D、炸药筒设计与安装，将具有双层硬纸质结构，在层间填充有炸药的炸药筒(6)安装在内复管中；E、连接导爆器(13)与起爆器(17)，用导线(16)通过屏蔽装置(15)将两者连接起；导爆器含导爆索和电雷管，前者与炸药筒中的炸药相通，后者通过导线经屏蔽装置与起爆器相连接；F、爆炸焊接，启动置于屏蔽装置右方的起爆器，进行爆炸焊接；G、卸载、清除杂物，爆炸完成后，开启上套管模取出己爆炸成型的复合钢管、清除复合钢管内外表面的杂物；H、表面质量检查，凭目测进行内外表面质量检查，不得有裂纹、折叠、分层、划伤和凹坑等表面缺陷；I、超声波无损检测，用超声波探伤仪检测两种金属管结合区的结合率；J、热处理，当复合钢管处在低于300℃的状态时，将其置于热处理炉中进行热处理；入炉后的升温速度低于200℃/h，并根据不同类型的材料及结构，选定热处理温度的上限和保温时间，尔后出炉自然空冷；K、机械切割，对复合钢管的端部进行机械切割，除掉在起爆时产生的端部缺陷；L、性能检验，对复合钢管的各项性能进行检测验收，要求剪切强度≥200Mpa；剥离强度≥200Mpa；拉伸、弯曲、压扁等指标可参照GB/T8163-1999《流体输送用无缝钢管》标准执行。
其次是将空心圆筒状的炸药筒置于内复管中；圆筒壁为双层硬纸质结构，两层硬纸之间填充炸药，布药量为0.5g/em2～5g/em2；筒壁外套有一层塑料模。
第三，在爆炸过程中，基管的减振层外配置有上套管模(1)和下套管模(2)。
按照上述方案，即可绘出“不锈钢—碳钢复合钢管爆炸焊接工艺”流程图，如图1所示。
与现有技术相比本发明具有以下的有益效果(1)、用爆炸焊接工艺制备的不锈钢—碳钢复合管，这两种异型金属相结合的界面的结合强度很高，试验证明其抗剪切强度达330～365Mpa，两种材料的粘结强度为330～370Mpa。发明人通过一种不锈钢—碳钢在爆炸实验后的金相试验照片，如图6所示，可知两种金属结合部出现了明显的波形结合区，使它们的冶金结合率达95％以上。
(2)、设备、工艺简单，本方案与所公知的技术方案一样，不需要昂贵的设备和复杂的工艺；但却要一块开阔地作为爆炸场，它是实施本方案的一种投入成本。
(3)、由于在基管的减振层周边配置有上、下套管模具，它在爆炸复合工艺中具有啮合、紧固和定位的功能，使生产过程简化、产品质量稳定可靠，能有效地防止内复管在爆炸复合过程中塑性变形和阻止基管直径不规则的扩大。
图1不锈钢—碳钢复合钢管爆炸焊接方法工序流程图。
图2不锈钢—碳钢复合钢管爆炸焊接作业原理图。
图3图2的A-A剖视图。
图4炸药筒结构示意图。
图5图4的A-A剖视图。
图6不锈钢—碳钢爆炸实验后金相照片图具体实施方式
现根据以上附图，结合实施方式对本发明方案作进一步地说明。
如图1所示的不锈钢—碳钢复合钢管爆炸焊接工艺由12道工序组成，可以选择设计不同的要素，进行实施，达到发明的目的。
1、原料选择，可根据所需要的产品，选择设计不同材料的碳钢基管和不锈钢内复管。基管材料可以选用普通的10#、20#和16Mn等碳钢。内复管可采用高频焊接或自动氩弧焊接钢管或无缝钢管，如0Cr18Ni9、00Cr19Ni10、0Cr18Ni10Ti、00Cr17Ni14Mo2、00Cr18Mo2以及双相不锈钢等，其壁厚为0.5～4.0mm，内复管的外径比基管的内径小1～10mm，内复管管长较基管长100～300mm。
2、表面净化处理，这是一种常规的不可少的工序。
3、设备和工件组装，可对照图2进行，组装所涉及的零部件有基管(4)、内复管(5)、减振层(3)、上套管模(1)和下套管模(2)。减振层可用高密度聚氨脂材料，或高密度橡胶，或石墨制作，厚度为1～10mm，减振层衬覆在具有半凹圆弧的上、下套管模的内壁上；或覆盖在基管的外壁上。而基管套装在不锈钢内复管的外壁上，二者相接触。内复管管长较基管长100～300mm，内复管的外径比基管的内径小1～10mm。内复管、基管、减振层和上、下套管模构成圆筒形，且四者的中轴线重叠合一。在上套管模与下套管模相贴合的一侧配置有连接栓(9)；另一侧配置有手柄或锁紧件(8)；在减振层与锁紧件之间，上、下套管模贴合处安装有定位杆(7)。在本发明采用的套管模，即为申请号200620172640.1所提供的“复合钢管套管模”产品。当内复管、基管、减振层和上下套管模安装完毕后，即通过锁紧件将它们锁紧，成为一个整体置于爆炸平台(14)上。
4、安装炸药筒，空心圆筒状的炸药筒被置于内复管中。圆筒壁为双层硬纸质结构，两层硬纸之间填充炸药、布药量为0.5g/em2～5g/em2。筒壁外套有一层塑料模。申请人认为以下是两个典型的填充炸药的实施例。例1φ57×3.5的20#碳钢基管，内复管为0Cr18Ni9不锈钢管，φ45×2.0，长度L＝1000mm。在直径小于38mm的纸制炸药筒中填充铵盐炸药，炸药的填充量按2g/cm2进行安装，其炸药筒中的总布药量为2.5Kg。炸药筒制作完成后，在炸药筒的外表面套上一层1.0mm厚的塑料层，然后将之放入内复管内。例2φ273×9.0的20#碳钢基管，内复管为0Cr18Ni9φ245×3.5，长度L＝1000mm，在直径小于230的纸制炸药筒中填充铵盐炸药，炸药按3.5g/cm2进行，其总布药量为26Kg。炸药筒制作完成后，在炸药筒的外表面套上一层2.0mm厚的塑料层，然后将之放入内复管内。
5、将导爆器(13)与起爆器(17)相连接，用导线(16)通过屏蔽装置(15)将两者连接起来。导爆器含导爆索和电雷管，前者与炸药筒中的炸药相通，后者通过导线，经屏蔽装置与起爆器相连接。设计要求屏蔽装置与爆炸焊接物间距大于100米，屏蔽装置高2000mm，厚＞200mm，宽4000mm，起爆器、导爆器和电雷管可根据需要进行选择设计，它们均为市场上标准化商品，6、爆炸焊接，启动起爆器，实施爆炸焊接，是在工艺中的实质操作，但又是简单而规范化的作业。
7、卸载、清除杂物，是必不可少的环节。
8、表面质量检查，通过人工目测，定性定量相结合的检查。
9、超声波无损检测，用超声波探伤仪检测两种金属管结合区的结合率。
10、热处理，亦是一种常规的热处理工艺，当复合钢管处在低于300℃的状态下，将其置于热处理炉中进行热处理，入炉后的升温速度应低于200℃/h。并根据不同类型的材料及结构，选定热处理温度的上限和保温时间，尔后出炉自然空冷。如奥氏体不锈钢热处理温度为850～1050℃，应避开奥氏体敏化温度区间(450～800℃)；而铁素体不锈钢热处理温度为750～900℃，应避开铁素体脆性温度区间(350～650℃)。
11、机械切割，对复合钢管的端部进行机械切割，除掉爆炸焊接过程中端部产生的缺陷。所采用的设备和工艺也是己有的。
12、性能检验，按设计指标进行检测验收。剪切强度≥200Mpa；剥离强度≥200Mpa；拉伸、弯曲、压扁等指标可参照GB/T8163-1999《流体输送用无缝钢管》标准执行。
纵观上述12道工序可知1、表面净化处理，导爆器与起爆器的连接方法，爆炸焊接，卸载和清除杂物，质量检查，超声检测，机械切割和性能检验等8道工序为公知的常规作业。它们与其它工序一起共同构成本发明的完整的不锈钢—碳钢复合钢管爆炸焊接工艺。
2、在原料选择、设备和工件组装、炸药筒设计安装和热处理等4道工序中，可通过原材的选择设计、零部的结构设计、安装工艺及其参数的选择控制等不同实施方式完成本发明。
权利要求
1.一种不锈钢—碳钢复合钢管爆炸焊接工艺，包括炸药配置，其特征是该工艺按以下流程进行A、原料选择，根据设计选择碳钢基管(4)和不锈钢内复管(5)的型号和尺寸；B、表面净化处理，对基管的内表面和内复管的外表面喷砂、除油锈及抛光处理；C、设备和工件组装，将碳钢基管套装在不锈钢内复管的外壁上，使后者的外表面与前者的内表面相接触；内复管管长较基管长100mm～300mm；在基管的外壁包有减振层(3)；将基管置于具有半凹圆弧槽的下套管模(2)的凹槽中；将具有半凹圆弧槽的上套管模(1)扣盖在包有减振层(3)基管的上方；并用锁紧件(8)将之锁紧；使(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(8)成为一个整体置于爆炸平台(14)上；D、炸药筒设计与安装，将具有双层硬纸质结构、在层间填充有炸药的炸药筒(6)安装在内复管中；E、连接导爆器(13)与起爆器(17)，用导线(16)通过屏蔽装置(15)将两者连接起来；导爆器含导爆索和电雷管，前者与炸药筒中的炸药相通，后者通过导线，经屏蔽装置与起爆器相连接；F、爆炸焊接，启动置于屏蔽装置右方的起爆器，进行爆炸焊接；G、卸载、清除杂物，爆炸完成后，开启上套管模取出已爆炸成型的复合钢管，清除复合钢管内外表面的杂物；H、表面质量检查，凭目测进行内外表面质量检查，不得有裂纹、折叠、分层、划伤和凹坑等表面缺陷；I、超声波无损检测，用超声波探伤仪检测两种金属管结合区的结合率；J、热处理，当复合钢管处在低于300℃的状态下，将其置于热处理炉中进行热处理；入炉后的升温速度低于200℃/h，并根据不同类型的材料及结构，选定热处理温度的上限和保温时间；尔后出炉自然空冷；K、机械切割，对复合钢管的端部进行机械切割，除掉在起爆时产生的端部缺陷；L、性能检验，对复合钢管的各项性能进行检测验收，要求剪切强度≥200Mpa；剥离强度≥200Mpa；拉伸、弯曲、压扁等指标可参照GB/T8163-1999《流体输送用无缝钢管》标准执行。
2.根据权利要求1所述的一种不锈钢—碳钢复合钢管爆炸焊接工艺，其特征是空心圆筒状的炸药筒被置于内复管中；圆筒壁为双层硬纸质结构，两层硬纸之间填充炸药，布药量为0.5g/em2～5g/em2；筒壁外套有一层塑料模。
3.根据权利要求1所述的一种不锈钢—碳钢复合钢管爆炸焊接工艺，其特征是在爆炸过程中，在基管的减振层外配置有上套管模(1)和下套管模(2)。
全文摘要
不锈钢－碳钢复合钢管爆炸爆炸工艺属于异种金属材料复合钢管爆炸焊接方法，特别涉及不锈钢－碳钢复合管的爆炸焊接技术领域。所要解决的技术问题是设计炸药筒和控爆装置；在基管的减振层外配置上、下套管模；设置屏蔽安全装置。其技术方案是按以下工艺流程完成爆炸焊接原材料选择；表面净化处理；设备和工件组装；炸药筒设计与安装，炸药筒为空心圆筒状，筒壁为双层硬纸结构，层间布炸药；导爆器与起爆器连接；爆炸焊接；卸载、清除杂物；表面质量检查；超声波无损检测；热处理；机械切割和性能检验。此外，在基管外配有减振层和套管模。可作为不锈钢－碳钢复合钢管爆炸焊接的一种方法。
文档编号C21D9/08GK101032783SQ20071005187
公开日2007年9月12日 申请日期2007年4月16日 优先权日2007年4月16日
发明者束润涛 申请人:束润涛