异种金属复合管的制备工艺、设备及异种金属复合管

摘要

本发明提供了一种异种金属复合管的制备工艺、设备及由该工艺制备的异种金属复合管。其中，异种金属复合管的制备工艺包括：将第一金属内管设置于第二金属外管内，所述第一金属内管与所述第二金属外管间隙配合；将所述第一金属内管的端部封闭；向所述第一金属内管输入高压流动介质；对所述第二金属外管进行移动式加热；对所述加热装置已加热的所述第二金属外管的部分进行冷却。本发明的方案可以制备更长长度的异种金属复合管，内管与外管能够实现冶金结合。

说明书

技术领域

本发明涉及具有不同金属层的复合管的制备技术和设备，以及相应的异种金属复合管。

背景技术

在生产实践中，通常会需要利用异种金属复合管，即由两种及以上的不同金属构成复合管的不同层，以便能够利用不同金属各自优势来满足生产需要。例如钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。由于其具有的耐蚀性好的特点，钛合金在输送腐蚀性介质的管路中应用广泛。但薄壁的钛合金管强度较低，厚壁的钛合金管的成本高昂，因此钛合金的应用受到了限制。随着技术的发展，钛合金复合管的优势逐步体现出来。这种复合管兼具了钛合金以及与之复合的金属的优势，一方面能具备耐蚀性、足够的强度等属性，另一方面也降低了成本。因此，钛合金复合管得以在化工、电力、交通等各个领域广泛应用。

目前，钛合金复合管的制备方法按照所制备的钛合金与其他金属的复合界面是否达成冶金结合而分成两类。复合界面不能达成冶金结合的复合管，复合界面结合强度低，使用范围有限。复合界面能够达成冶金结合的复合管，具有复合界面结合强度高，使用范围广的优势。

制备达成复合界面冶金结合的钛合金复合管都需要借助热加工进行，由此会产生一系列的问题。例如名称为“一种高性能铜/钛复合管的制备方法”的中国专利(申请号：201410106155.3)公开的一种钛合金复合管的制备方法，采用旋锻法制备复合管。具体的是在套接在一起的内外管的内管中插入芯棒组成旋锻坯料，然后将所述坯料放入加热炉中加热，加热到预定温度后将坯料放入旋锻机中进行旋锻，从而制备出复合面达到冶金结合的复合管。从上述对该制备方法的描述中可见，需要对坯料进行加热后进行后续的旋锻工艺。这就导致了采用类似方法制备异种金属复合管会存在如下问题：

1、受限于加热炉内的空间，复合管的长度受到限制，不能制备更长的复合管。

2、需要对坯料进行整体加热后再进行旋锻，一方面生产成本高；另一方面坯料出炉后进行旋锻过程中的温度不易保持，旋锻的时间不能过长，这也导致这种技术不能制备较长的复合管。

发明内容

为了解决现有技术不能制备较长的异种金属复合管这一问题，本发明提供了异种金属复合管的制备工艺和设备。本发明的另一目的是提供基于本发明的制备工艺所制备的异种金属复合管。

本发明的技术方案如下。

异种金属复合管的制备工艺，包括如下步骤：

A、将第一金属内管设置于第二金属外管内，所述第一金属内管与所述第二金属外管间隙配合；

B、将所述第一金属内管的端部封闭；

C、向所述第一金属内管输入高压流动介质；

D、执行步骤C后，在所述第二金属外管外部设置加热装置对所述第二金属外管加热，所述加热装置沿所述第二金属外管的轴线方向对所述第二金属外管进行移动式加热；

E、设置冷却装置，所述冷却装置对所述加热装置已加热的所述第二金属外管的部分进行冷却。

可选地，所述第一金属内管的长度小于所述第二金属外管的长度，所述第一金属内管的两个端部均设置于所述第二金属外管内；还包括封闭所述第二金属外管的端部的步骤。

可选地，所述异种金属复合管的制备工艺还包括如下步骤：排出所述第一金属内管和所述第二金属外管之间的空间内的空气，并充入保护介质，所述保护介质的压力小于所述高压流动介质的压力。

可选地，在执行步骤D之前，在所述第一金属内管中设置条状辅助加热体。

可选地，所述辅助加热体的材质包括碳钢或不锈钢。

可选地，所述异种金属复合管的制备工艺还包括将所述第二金属外管设置在滑轮上，和/或将所述第二金属外管缠绕到卷轮上的步骤。

可选地，所述加热装置与所述冷却装置以预定间隔时间对所述第二金属外管的同一部分分别进行加热、冷却。

可选地，在步骤A中还包括将所述第一金属内管和所述第二金属外管沿重力方向竖立的步骤；在步骤D中所述加热装置沿所述重力方向自下而上依序对所述第二金属外管进行所述移动式加热。

可选地，所述异种金属复合管的制备工艺还包括在所述第一金属内管外壁与所述第二金属外管内壁之间设置焊料的步骤。

可选地，所述焊料包括铜粉、铜箔、铜镀层、铜合金粉、铜合金箔和/或铜合金镀层。

可选地，步骤C中所述高压流动介质包括惰性气体。

可选地，所述第一金属内管包括钛合金内管。

实施如前所述异种金属复合管的制备工艺的设备，包括封闭第一金属内管的端部的内管密封盖；在所述内管密封盖上设置有流动介质进入通道和流动介质排出通道；还包括邻近第二金属外管外壁设置的可对所述第二金属外管的局部进行加热的加热装置；还包括可以冷却所述第二金属外管的冷却装置。

可选地，所述的设备还包括封闭所述第二金属外管的端部的外管密封盖；在所述外管密封盖上设置有保护介质进入通道和保护介质排出通道。

可选地，所述加热装置包括电磁感应式加热装置。

可选地，所述的设备设置有驱动装置；所述驱动装置驱动所述第二金属外管沿其轴线方向移动，或驱动所述加热装置沿所述第二金属外管的轴线方向移动。

可选地，所述冷却装置包括冷却介质喷口，所述冷却介质喷口朝向所述第二金属外管设置；所述冷却介质喷口与所述加热装置固定连接。

可选地，多个所述加热装置沿所述第二金属外管的轴线方向设置。

可选地，所述加热装置包括环绕所述第二金属外管加热的环绕式加热源；和/或所述冷却装置包括环绕所述第二金属外管的环绕式冷却装置。

可选地，所述的设备还包括支撑所述第二金属外管的滑轮，和/或供所述第二金属外管缠绕的卷轮。

可选地，所述的设备还设置有监测被加热的所述第二金属外管的所述局部的测温设备。

可选地，所述测温设备包括非接触式测温计；所述非接触式测温计设置邻近所述加热装置设置。

异种金属复合管，采用如前所述异种金属复合管的制备工艺制备。

本发明的技术效果：

本发明的异种金属复合管的制备工艺，内管与外管之间是间隙配合，因此容易装配。在第一金属内管中充入高压流动介质，并且利用加热装置对装配好的第二金属外管和第一金属内管进行移动式加热。本发明的移动式加热是指加热装置同一时刻仅对第二金属外管的局部进行加热，完成该局部的加热后按一定的顺序对第二金属外管的其余部分进行这样的局部加热，直至完成对第二金属外管整体的加热。在加热过程中，第一金属内管受热部分的强度降低，此时在其内部高压流动介质的压力作用下在受热部分发生膨胀变形，使得在受热部分，第一金属内管的外壁紧贴所述第二金属外管的内壁，并且在高温作用下在第一金属内管的外壁和所述第二金属外管的内壁之间形成冶金结合。以钛合金复合管为例，由于复合管的钛合金内管只需发挥耐蚀性的特点，无须具有较高的强度，因此钛合金内管可以采用薄壁内管，这一方面可以节省材料成本，另一方面，对薄壁的钛合金管进行加压膨胀所需的制备成本也低。另外，本发明的制备工艺，无须对整个坯料进行整体加热，只需要加热装置对坯料进行局部的移动式加热即可。因此，加热炉的空间和加工时间不会对于制备复合管的长度产生限制。实现了本发明的目的。

另外，复合管被加热部分可以形成冶金结合，冷却装置可以及时对加热后的复合管的部分及时进行冷却，以避免结合面处脆性金属间化合物的生成，提高异种金属复合管的性能。

上述可选方式所具有的进一步效果，将在下文中结合具体实施方式加以说明。

附图说明

图1为本发明第一个实施例的示意图。

图2为本发明第二个实施例的示意图。

图中标识说明如下：

101、回收仓；102、阀门；103、压力计；104、阀门；105、压力计；106、流量计；107、外管密封盖；108、内管密封盖；109、不锈钢外管；110、钛合金内管；111、加热装置；112、冷却介质喷口；113、真空泵；114、阀门；115、阀门；116、第一惰性气体仓；117、第二惰性气体仓；118、阀门；

201、第一卷轮；202、第二卷轮；203、钛合金复合管；204、冷却装置；205、加热装置；206、不锈钢外管。

具体实施方式

本发明的异种金属复合管是指由不同金属层构成管壁的复合管。本发明的技术方案可以应用于多种不同种类金属制备复合管。图1和图2所展示的实施例，以钛合金内管作为本发明技术方案中第一金属内管的例子，不锈钢管作为第二金属外管的例子。

以下结合附图所示的实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

图1显示了本发明第一个实施例，为了更清楚地显示各部分结构，图1以剖视图形式显示了该装备的主要结构。钛合金复合管的制备工艺的步骤说明如下。

第一，在钛合金内管110的外壁上设置焊料，然后将钛合金内管110伸入不锈钢外管109中。焊料可以根据金属外管的材质做出相应的调整，在其他实施例中焊料可以采用钎焊剂、金属薄片等。在本实施例中，可以选择的焊料包括铜(纯铜)及铜合金焊料，铜合金例如磷铜合金、铜镍合金、锌铜合金、锡铜合金等。根据钛合金内管110的尺寸，以及设置焊料的便利性，可以采用涂覆铜粉、铜箔、铜镀层、铜合金粉、包覆铜合金箔片以及铜合金镀层等方式。焊料层的厚度一般不超过1毫米。在有些实施例中，例如已经清洗了钛合金内管的外表面和金属外管的内表面，可以不设置焊料。钛合金内管110的外径与不锈钢外管109的内径相匹配，使得钛合金内管110与不锈钢外管109形成间隙配合，因此，将钛合金内管110伸入不锈钢外管109的操作容易实现。如图1所示，钛合金内管110的长度小于不锈钢外管109的长度，并且，钛合金内管110的两个端部(图1中钛合金内管110与内管密封盖108结合部)都设置在不锈钢外管109内。将钛合金内管110和不锈钢外管109沿重力方向竖立。即如图1中所示钛合金内管110的轴线和不锈钢外管109的轴线与重力方向平行设置。

本实施例的第二金属外管，除了图1所示的不锈钢外管，还可以根据实际需要选择其他金属(合金)材料，例如碳钢外管、铜合金外管、钼合金外管、钨合金外管、铬合金外管、镉合金外管等。

第二，为钛合金内管110的两个端部分别设置内管密封盖108；为不锈钢外管109的两个端部分别设置外管密封盖107。外管密封盖107和内管密封盖108均起到密封的作用。至此，在不锈钢外管109内部形成了两个互相隔离的封闭空间——钛合金内管110内部空间和不锈钢外管109与钛合金内管110之间的空间。其中，不锈钢外管109与钛合金内管110之间的空间包括以下三个连通的空间：钛合金内管110外壁与不锈钢外管109内壁之间的间隙、图1中上方的内管密封盖108至外管密封盖107之间的空间、图1中下方的内管密封盖108至外管密封盖107之间的空间。在内管密封盖108至外管密封盖107上均设置有通孔，供管路通过。这些管路将钛合金内管110内部空间和不锈钢外管109与钛合金内管110之间的空间与外部连通。当然，为了保证密封性，在所述通孔边缘与所述管路之间均设置有密封件，在此不再赘述。

第三，打开阀门118和阀门104，使得存储高于常压的惰性气体的第二惰性气体仓117内的惰性气体充入不锈钢外管109与钛合金内管110之间的空间内，将其中的常压空气通过阀门104排出。通过压力计105监测不锈钢外管109与钛合金内管110之间的空间内的压力。通过流量计106计量排出的空气的量。由于不锈钢外管109与钛合金内管110之间的空间内的空气量可以通过计算得到，因此，当流量计计量排出气体已经达到或超过计算得到的空气的量时，可以关闭阀门104，延后关闭阀门118，使得不锈钢外管109与钛合金内管110之间的空间内的惰性气体的压力高于外部常压。也可以将图1中压力计105和阀门104的位置互换，从而利用压力计105精确监测不锈钢外管109与钛合金内管110之间的空间内的惰性气体的压力。此时不锈钢外管109与钛合金内管110之间的空间内充满了作为保护介质的惰性气体，避免空间内存在例如氧气等容易破坏后续工艺效果的气体。当然，在其他实施例中，也可以采取先用真空泵排出不锈钢外管109与钛合金内管110之间的空间内的空气后再充入惰性气体的方法。当然，在某些实施例中，可以不必设置外管密封盖，也就不必执行本步骤。

第四，关闭阀门102和阀门115，打开阀门114，启动真空泵113，抽出钛合金内管110内的空气。将钛合金内管110内空间抽真空达到预定真空度后，关闭阀门114和真空泵113。开启阀门116，由第一惰性气体仓116向钛合金内管110内空间充入高压惰性气体。充入钛合金内管110内的惰性气体的压力(利用压力计103进行监测)要大于不锈钢外管109与钛合金内管110之间的空间内的压力，并且钛合金内管110内的惰性气体的压力足以使得钛合金内管110在受热降低强度后可以产生膨胀变形。

第五，在紧邻不锈钢外管109的外壁设置了加热装置111。本发明的加热装置可以采用火焰加热器、电阻加热器、超声波加热器、红外加热器、等离子加热器等。在本实施例中，采用了电磁感应式加热器，利用电磁感应原理进行快速加热。在本实施例中加热装置111是周向环绕不锈钢外管109的环绕式加热装置，能够实现对局部的不锈钢外管109的周向的全面加热。

如图1所示，加热装置111自重力方向的下方(即图1中的下方)开始，在不锈钢管109的外部开始加热。根据钛合金内管110的壁厚、钛合金内管110内惰性气体的压力等参数，可以确定加热装置111加热的温度和向上移动的速度，使得加热装置111加热的钛合金内管110的部分强度降低。由于加热装置111是环绕式加热装置，因此，钛合金内管110被加热部分在周向上均发生了强度降低的现象，同时在钛合金内管110内惰性气体的压力作用下在周向上均匀膨胀变形，进而驱使该部分钛合金内管110的外壁周向触压到不锈钢外管109的内壁。由于事先在钛合金内管110的外壁上设置了焊料，因此，焊料填充了两个接触表面不平整之处。焊料的这一作用，使得不必预先对钛合金内管110的外壁和不锈钢外管109的内壁进行表面平整处理，也可以达到两个表面充分结合。这样一方面节省了加工成本，另一方面也解决了长的不锈钢外管内壁不易处理的难题。在加热装置111提供的热能作用下，结合钛合金内管110膨胀的压力，使得钛合金内管110与不锈钢外管109两者在该处形成了周向的冶金结合。在该处形成了冶金结合后，加热装置111继续向上移动，对钛合金内管110与不锈钢外管109尚未被加热的部分进行加热。当然，也可以是加热装置111不动，而是钛合金内管110和不锈钢外管109向下移动，只要能与加热装置111之间形成相对移动，即加热装置111实现相对移动式加热即可。随着加热装置111向上移动加热，钛合金内管110和不锈钢外管109之间形成冶金结合的面积逐步增加，直至钛合金内管110和不锈钢外管109之间的结合面全部形成冶金结合。

由于钛合金内管110与不锈钢外管109是沿重力方向竖立设置的，因此，当焊料受热融化而具有一定的流动性时，这种设置方式使得焊料在重力作用下仍然能够在钛合金内管110的周向上均匀分布，有利于获得更优质的冶金结合面。

如上所述，当加热装置111向上移动式加热时(图1中加热装置111上所示的黑色箭头标明了加热装置111的移动方向)，由于钛合金内管110膨胀并与不锈钢外管109形成冶金结合，因此，两者之间的间隙不复存在，原来充斥在这里的惰性气体被挤压上行。被挤压上行的惰性气体最终会聚集在图1中上方的内管密封盖108至外管密封盖107之间的空间，使得这里的压力升高。如果压力不大，则无须处理；如果压力过大，甚至会接近或超过钛合金内管110内的压力，则需要适时开启阀门104，降低这里的压力。但仍然需要保持钛合金内管110与不锈钢外管109之间尚未受热结合部分的空间内的压力要大于外部的大气压，以避免外部空气进入到这一空间，对钛合金内管110与不锈钢外管109的结合产生不利影响。对钛合金内管110与不锈钢外管109之间尚未结合部分的空间内的压力可以凭借计算评估，并根据加热装置111的加热进度适时开启阀门104，也可以通过压力计直接监测压力。

在其他采用电磁感应加热器的实施例中，如果需要提高加热效率，也可以在钛合金内管中设置辅助加热棒体或辅助加热管体。辅助加热棒体或辅助加热管体可以采用例如碳钢或不锈钢等易于被感应加热的材质。当加热装置在外部加热时，辅助加热棒体或辅助加热管体也会升温，可以从内部对钛合金内管进行加热，以提升加热效率。在其他实施例中，辅助加热棒体也可以依靠自身发热进行辅助加热，例如采用电热棒作为辅助加热棒体。

第六，还设置了冷却装置，冷却装置的冷却介质喷口112设置在加热装置111的下方。冷却介质喷口112朝向不锈钢外管109环绕设置，即冷却装置为环绕式冷却装置。当加热装置111向上移动时，冷却介质喷口112朝加热装置111刚加热完成的不锈钢外管109的部分周向喷射冷却介质，以便尽快对该部分进行冷却。从而可以避免钛合金内管110与不锈钢外管109之间冶金结合面处脆性金属间化合物的生成，提高钛合金复合管的性能。至此制成了钛合金复合管。

由于采用了上述移动式加热、冷却的方式，钛合金复合管的制备工艺可以制备更长的钛合金复合管。同时，在保证钛合金复合管的结合强度的情况下，实施成本低廉。

完成冷却步骤后，可以开启阀门102，将钛合金内管109内的惰性气体回收到回收仓101中，以节省成本。

图1所示实施例中的惰性气体采用了氩气。

图2显示了钛合金复合管的制备工艺第二个实施例。本实施例所展示的方案，主要针对被加工的钛合金复合管很长，并具有一定的柔韧性的情况。如图2所示，将按图1中所示第一至第四步骤装配好的不锈钢外管206缠绕到第一卷轮201上。图2中所示的冷却装置204和加热装置205与图1中所示冷却装置和加热装置111相同，只是冷却装置204和加热装置205固定设置。将不锈钢外管206向下牵拉经过加热装置205和冷却装置204如图1中第五和第六步骤处理，处理过后形成的钛合金复合管203缠绕到第二卷轮202上。在执行如图1中第五和第六步骤处理过程中，第一卷轮201不断释放不锈钢外管206(及其中的钛合金内管)，第二卷轮202不断收卷制成的钛合金复合管203。当然，在其他实施例中，也可以利用滑轮替代第一卷轮201和第二卷轮202，使得在重力方向上(图2中的上下方向)节省操作空间。

图1和图2中也显示了钛合金复合管的制备设备，并在前述对第一实施例和第二实施例进行说明时也说明了制备设备的各组成部分及其功能。在此，对本发明的异种金属复合管的制备设备的技术方案，结合图1和图2进行详细说明。以下的说明重点在于对制备设备的构成部件的结构进行说明，前述提及的各部件的具体功能，不再赘述。

参考图1，钛合金复合管的制备设备包括设置在钛合金内管110的两个端部、封闭钛合金内管110的内管密封盖108；以及封闭不锈钢外管109的两个端部的外管密封盖107。在内管密封盖108上设置有流动介质(惰性气体)进入通道(阀门115所在的管道)和流动介质排出通道(阀门102所在的管道)。在外管密封盖107上设置有保护介质(惰性气体)进入通道(阀门118所在的管道)和保护介质排出通道(阀门104所在的管道)。

钛合金复合管的制备设备还包括加热装置111，加热装置111是周向环绕不锈钢外管109的环绕式加热装置；在加热装置111的下方设置有环绕式冷却装置的冷却介质喷口112。

加热装置111是电磁感应式加热装置。钛合金复合管的制备设备的加热装置能够实现对不锈钢外管109的移动式加热。实现移动式加热在制备设备上有多种方案，在此举例如下：

一是设置驱动装置，该驱动装置能够驱动加热装置111沿不锈钢外管109的轴线方向移动。

二是设置驱动装置，该驱动装置能够驱动不锈钢外管109沿其轴线方向移动。

三是沿不锈钢外管109的轴线方向设置多个所述环绕式加热装置，在加热时，加热装置依据一定的时间顺序，分别执行开始加热和停止加热的动作，以此来实现所述移动式加热。

在所述加热装置111上还设置有测量被加热部分(不锈钢外管109被加热的局部)的温度的非接触式测温计。非接触式测温计可以采用已有技术设备，例如市面有售的工业用红外线测温仪。非接触式测温计测得的温度数据可以作为控制的依据，以人工或控制电路方式对加热装置111的工作参数进行调整，例如加热装置111的加热时间、功率、相对于不锈钢外管109的移动速度等，以提高钛合金复合管的性能。

针对上述三种实现移动式加热的加热装置，也可以将冷却装置设置成移动式冷却装置，以便实现对加热后的不锈钢外管109及时进行冷却。前两种设置驱动装置的方式，可以将冷却装置(冷却介质喷口112)与加热装置111固定连接，以实现冷却装置与加热装置的同步移动(或相对移动)。针对后一种方式，需要紧邻每个加热装置设置冷却装置，冷却装置延迟加热装置一定的时间间隔对加热完成的部分进行冷却。

参考图2，钛合金复合管的制备设备还可以包括支撑所述金属外管的滑轮，和/或供所述金属外管缠绕的卷轮(第一卷轮201和第二卷轮202)，以制备更长的钛合金复合管，节省操作空间。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以采用等同技术进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均包含于本发明所涵盖的范围内。