一种钛/钢层状复合焊管的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种钛/钢层状复合焊管的制造方法，本发明专利技术的制造方法采用正置大梯形形状坡口和倒置小梯形形状坡口的复合特型坡口设计，采用MAG焊、冷喷涂和TIG焊，分别依次按照碳钢层、Cu喷涂层和V喷涂层、纯钛或钛合金层TIG熔敷区的先后顺序进行焊接，并通过对Cu喷涂层、V喷涂层厚度的控制，解决了纯钛或钛合金层和碳钢材料间的熔焊连接难题，成功阻隔Ti、Fe、Cu间的扩散互溶，避免了脆性相的产生，最大限度的减小焊缝中固溶体和混合固溶体区的体积比，保证了纯钛或钛合金层的耐腐蚀性，又确保了基层碳钢的强韧化要求；本发明专利技术适用于机械化工、海水淡化、真空蒸发、电厂脱硫和油气储运领域。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于层状复合管焊接
，具体涉及一种钛/钢层状复合焊管的制造方法。
技术介绍
：腐蚀问题严重影响到了社会发展和人类安全，腐蚀是造成石油石化行业装备失效、事故频发的主要因素之一，我国油气管道每年因腐蚀需更换管道400km；造成了极大的物料损耗和浪费。钛/钢层状复合焊管以优良的综合性能，被广泛应用于机械化工、海水淡化、真空蒸发、电厂脱硫和油气储运等领域。但钛/钢复合材料的焊接仍然存在诸多问题。由于钛有较强化学活性，在焊接中易吸收有害气体(O，N和H)，易与Fe、C等元素作用生成连续分布的金属间化合物相TiFe，TiFe2和易碎的TiC相，影响焊缝性能。众所周知，由于钛和钢的冶金不相溶性，直接熔焊对于钛/钢复合材料的焊接是不可行的。为此，研究者们采用多种方法，进行了卓有成效的研究，也实现了钛和钢或不锈钢的有效连接。本专利技术有别于其他复合管材，尤其在复合层材料、特型坡口设计、过渡材料和方式及新型焊接技术方面独具匠心。钛/钢层状复合焊管，机械性能(包括拉伸性能、低温冲击韧性、DWTT性能、焊缝弯曲性能等)主要由外层碳钢贡献，而纯钛或钛合金层主要起抗腐蚀作用。目前国内复合管一般采用的制管方法有离心浇铸、冷加工扩散退火、液压胀合、爆炸复合、扩散复合等。2013年10月16日公布的公布号为CN 103350124 A的中国专利技术专利，专利名称为一种输送石油天然气的直缝双金属复合焊管的制造方法，该制造方法为：将复层为耐蚀合金层和基层为碳钢以“爆炸+热轧”方式结合在一起的双金属复合板通过JCOE成型工艺成型为直缝管状，最后通过焊接工艺将直缝焊接制成复层在内基层在外的直缝双金属复合焊管；“爆炸+热轧”方式结合在一起的双金属复合板，实现层状复合板的冶金结合，本专利技术主要是针对
纯钛或钛合金/碳钢层状复合焊管的制造，由于钛及钛合金比较活波，焊接过程中Ti与Cu、Fe易互溶，产生脆硬相，上述制造方法中的破口设计以及焊接工艺不适合纯钛或钛合金/碳钢层状复合焊管的制造。
技术实现思路
：为了克服上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种钛/钢层状复合焊管的制造方法，本专利技术的制造方法缩减了中间固溶体和混合固溶体区的体积比，使焊缝最大限度的保有纯钛或钛合金焊接材料的熔敷量，成功避免层间脆硬相的产生，实现了钛/钢层状复合焊管的可靠焊接，并保证了焊缝的焊接质量和综合力学性能。为了解决上述技术问题，本专利技术采取的技术方案为：一种钛/钢层状复合焊管的制造方法，包括的步骤为：步骤1：将纯钛或钛合金层和碳钢层通过爆炸+热轧方式制备成层状结构的复合板材，碳钢层和纯钛或钛合金层两者之间为冶金结合，纯钛或钛合金层的厚度为1～4mm；步骤2：纯钛或钛合金层一侧为倒置小梯形形状坡口，其破口夹角为60～70°，长边为5～7mm，深度为4～5mm；碳钢层一侧为正置大梯形形状坡口，其坡口夹角为60～80°，长边为16～22mm，深度为11～20mm；倒置小梯形形状坡口和正置大梯形形状坡口交汇于碳钢层侧，且交汇过渡面为平面状或弧面状；步骤3：坡口加工完后，采用JCO多道次渐进压制成管状，纯钛或钛合金层在管内侧，碳钢层在管外侧；然后采用MAG焊对碳钢层外坡口进行多层多道次小线能量焊接，形成碳钢层熔敷区，焊接过程背面纯钛或钛合金层坡口及附近10～20mm宽度范围内进行惰性气体保护；步骤4：碳钢层一侧完成焊接后空冷至室温，对焊管内部纯钛或钛合金层坡口进行清根处理，使坡口底部为平面状或弧面状，对坡口进行抛光并用丙酮和乙醇进行整个清洗且迅速吹干；步骤5：焊管内部纯钛或钛合金层一侧坡口清理吹干后，进行纯Cu粉末
的SCM冷喷涂焊接，Cu粉末颗粒度分布范围为10～50μm，Cu喷涂层厚度与纯钛或钛合金/碳钢爆炸接合面平齐或超出0～0.5mm，且完全覆盖下层碳钢；Cu层喷涂焊接完成后，对坡口内钛母材表面进行去Cu处理，再采用SCM冷喷涂技术进行高纯V粉末的喷涂焊接，V粉末颗粒度分布范围为5～45μm，V喷涂层厚度为0～0.5mm，且完全覆盖于Cu过渡层之上，不能穿透Cu喷涂层与碳钢相遇；完成V过渡层焊接后，对坡口内进行清理，然后采用TIG熔焊技术对纯钛或钛合金层外部坡口进行填充盖面焊接，形成纯钛或钛合金层TIG熔敷区，焊接不能熔透V喷涂层与Cu喷涂层发生互溶，整个焊接过程均采用惰性气体对焊缝区及附近区域10～20mm宽范围内进行保护。上述纯钛或钛合金层厚度为1～4mm。上述纯钛或钛合金为TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8、TA8-1、TA9、TA9-1、TA10、TA11、TA15、TA17、TA18、TC1、TC2、TC3、TC4或TC4ELI。上述碳钢为Q235、Q345、X52、X60、X65、X70、X80、X90或X100碳素结构钢、压力容器钢和高强高韧管线钢。本专利技术的有益效果：本专利技术通过采用正置大梯形形状坡口和倒置小梯形形状坡口的复合特型坡口设计，采用MAG焊、SCM冷喷涂和TIG焊，依次按照碳钢层、Cu喷涂层和V喷涂层、纯钛或钛合金层熔敷区的先后顺序进行焊接，并通过对Cu喷涂层、V喷涂层厚度的控制，使钛/钢层状复合焊管的熔敷区金属和过渡区金属熔焊连接质量可靠，阻止Fe、Ti、Cu的互溶，避免了层间脆硬相的产生，实现了钛/钢层状复合焊管的可靠焊接，保证了焊缝良好的焊接质量和综合力学性能。附图说明：下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。图1为钛/钢层状复合焊管焊缝中平面状过渡界面结构示意图。图2为图1中平面状过渡界面局部放大结构示意图。图3为钛/钢层状复合焊管焊缝弧面状过渡界面结构示意图。图4为图3弧面状过渡界面局部放大结构示意图。附图标记说明：1为碳钢层；2为纯钛或钛合金层；3为纯钛或钛合金层熔敷金属区；4为V喷涂层；5为Cu喷涂层；6为碳钢层熔敷金属区。具体实施方式：参见图1、2以爆炸+热轧工艺复合的钛/钢层状复合板材为实验原料板材，对板材进行表面清理去除硬块，对板材两边根据图2、4中坡口设计形式进行焊接特性坡口加工，然后采用JCO成型方式加工成管状，再采用本专利技术中推荐焊接材料和工艺进行复合管的熔焊连接。纯钛或钛合金层一侧坡口深度和宽度分别为4～6mm和5～7mm且坡口底部与碳钢层一侧的交汇界面为平面状或弧面状(分别如图2、3所示)两种，碳钢层一侧坡口宽度和角度分别为13～20mm和60～80°，待完成JCO成型合缝后，对纵缝先从碳钢一侧进行MAG焊接，用H08Mn2SiA焊丝；待全部完成碳钢侧焊接后，从钢管内侧即纯钛或钛合金层一侧进行坡口清根和洁净化处理，然后采用CSM技术进行纯Cu喷涂层喷焊，待完成Cu喷涂层喷焊后接着进行纯V喷涂层喷焊，最后进行纯钛或钛合金层的TIG填充盖面焊，用工业纯钛(纯度≧99.999％)TA1焊丝或钛合金焊丝焊接工艺参数如下表1、2、3所示，管体及焊缝性能如表4所示：表1 X65管线钢层一侧焊接试验参数表2 纯钛TA1焊接试验参数表3 纯Cu、V的喷涂参数表4 纯钛及钛合金层/碳钢层冶金结合层状复合焊管管体及焊缝性能测试结果本专利技术适合于大口径(直径≥508mm)、薄复层(厚度≤4mm)的纯钛或钛合金/碳钢层状复合焊管的工程化、批量化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛/钢层状复合焊管的制造方法，包括将纯钛或钛合金层和碳钢层通过爆炸+热轧方式制备成层状结构的复合板材，其特征在于：所述制造方法还包括以下步骤：步骤1：所述复合板材制备完成后进行破口加工，纯钛或钛合金层(2)一侧为倒置小梯形形状坡口，其破口夹角为60～70°，长边为5～7mm，深度为4～5mm；碳钢层(1)一侧为正置大梯形形状坡口，其坡口夹角为60～80°，长边为16～22mm，深度为11～20mm；倒置小梯形形状坡口和正置大梯形形状坡口交汇于碳钢层(1)侧，且交汇过渡面为平面状或弧面状。步骤2：坡口加工完后，采用JCO多道次渐进压制成管状，纯钛或钛合金层(2)在管内侧，碳钢层在管外侧；然后采用MAG焊对碳钢层(1)外坡口进行多层多道次小线能量焊接，形成碳钢层熔敷区(6)，焊接过程背面纯钛或钛合金层(2)坡口及附近10～20mm宽度范围内进行惰性气体保护；步骤3：碳钢层(1)一侧完成焊接后空冷至室温，对焊管内部纯钛或钛合金层(2)坡口进行清根处理，使坡口底部为平面状或弧面状，对坡口进行抛光并用丙酮和乙醇进行整个清洗且迅速吹干；步骤4：焊管内部纯钛或钛合金层(2)一侧坡口清理吹干后，进行纯Cu粉末的SCM冷喷涂焊接，Cu粉末颗粒度分布范围为10～50μm，Cu喷涂层(5)厚度与纯钛或钛合金/碳钢爆炸接合面平齐或超出0～0.5mm，且完全覆盖下层碳钢；Cu喷涂层(5)焊接完成后，对坡口内钛母材表面进行去Cu处理，再采用SCM冷喷涂技术进行高纯V粉末的喷涂焊接，V粉末颗粒度分布范围为5～45μm，V喷涂层(4)厚度为0～0.5mm，且完全覆盖于Cu过渡层(5)之上，不能穿透Cu喷涂层(5)与碳钢相遇；完成V喷涂层(4)焊接后，对坡口内进行清理，然后采用TIG熔焊技术对纯钛或钛合金层(2)外部坡口进行填充盖面焊接，形成纯钛或钛合金层熔敷区(3)，焊接不能熔透V喷涂层(4)与Cu喷涂层(5)发生互溶，整个焊接过程均采用惰性气体对焊缝区及附近区域10～20mm宽范围内进行保护。...

【技术特征摘要】
1.一种钛/钢层状复合焊管的制造方法，包括将纯钛或钛合金层和碳钢层通过爆炸+热轧方式制备成层状结构的复合板材，其特征在于：所述制造方法还包括以下步骤：步骤1：所述复合板材制备完成后进行破口加工，纯钛或钛合金层(2)一侧为倒置小梯形形状坡口，其破口夹角为60～70°，长边为5～7mm，深度为4～5mm；碳钢层(1)一侧为正置大梯形形状坡口，其坡口夹角为60～80°，长边为16～22mm，深度为11～20mm；倒置小梯形形状坡口和正置大梯形形状坡口交汇于碳钢层(1)侧，且交汇过渡面为平面状或弧面状。步骤2：坡口加工完后，采用JCO多道次渐进压制成管状，纯钛或钛合金层(2)在管内侧，碳钢层在管外侧；然后采用MAG焊对碳钢层(1)外坡口进行多层多道次小线能量焊接，形成碳钢层熔敷区(6)，焊接过程背面纯钛或钛合金层(2)坡口及附近10～20mm宽度范围内进行惰性气体保护；步骤3：碳钢层(1)一侧完成焊接后空冷至室温，对焊管内部纯钛或钛合金层(2)坡口进行清根处理，使坡口底部为平面状或弧面状，对坡口进行抛光并用丙酮和乙醇进行整个清洗且迅速吹干；步骤4：焊管内部纯钛或钛合金层(2)一侧坡口清理吹干后，进行纯Cu粉末的SCM冷喷涂焊接，Cu粉末颗粒度分布范围为10～50μm，Cu喷涂层(5)厚度与纯钛或钛合金/碳钢爆炸接合面平齐或超出0～0.5mm，且完全覆盖...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕宗岳，杨军，田磊，刘海璋，张万鹏，杨耀彬，
申请(专利权)人：宝鸡石油钢管有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61