[发明专利]管状物品的锻造熔接的方法和设备以及放热焊剂混合物和放热焊剂混合物的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于锻造熔接操作的、特别适用于将管锻造熔接在一起的方法、装置和放热混合物的组分。

背景技术

在碳氢化合物(油和气)回收产业中，管道可以由按照美国石油学会(API)定义的技术指标设计和制造的两个带有螺纹的雌雄组合连接。这种类型的连接也被称为“销”和“套管”连接。螺旋形的螺纹接缝给予了通过该管段的流体两个管子的截面处可能泄漏的螺旋路径。

出于经济、环境和安全的原因，泄漏在大多数情况下是不可接受的。为了密封这种潜在泄漏的螺旋路径，业内普遍的做法是用管道涂料涂覆螺纹。

然而，单独使用管道涂料不足以实现流体密封性的密封，某些类型的辅助O型环密封件通常是必需的。辅助O型环密封件通常放置在其中一个套管部分的环形凹部。当销和套管连接后，辅助密封在销/套管连接处的相应表面之间变形，以实现良好的密封。辅助密封环可以由聚合材料或金属材料制成。

另一种类型的金属对金属密封，即所谓的特殊螺纹连接，需要锥形螺纹轮廓以使配对的螺纹形成强化的金属对金属的、周向连续的密封。虽然这种类型的连接比其他类型更好，但它在加工时需要相对高的耐受性，同时也更昂贵。

特殊的和常规的螺纹连接具有比管子的本体(例如在石油钻井作业中使用的套管)更大的直径，因此，必须钻出较大直径的孔来运行例如套管螺纹管。直径较大的井钻起来更慢，因此也会更加昂贵。一般来说，螺纹连接不如钢套管的强度，因此螺纹连接不能承受与套管(管)本身相同的机械应力。

由于需要从更深的井中以及从更硬的岩石层和更恶劣的环境中得到碳氢化合物，碳氢化合物回收产业的生产成本正在稳步增加。更深的井需要更多的套管柱(管段衬孔)，因此，螺纹连接通常需要比如果使用平连接(flushconnection)钻直径更大的孔。另外，更复杂的地质状况通常意味着更恶劣的钻井环境以及在运行钻孔中增加的套管压力。螺纹连接往往是钻柱的最薄弱的部分，同时由于螺纹连接承受扭矩应力的能力有限，可以阻止在孔中运行时套管的转动。

新的技术(如可膨胀管件)已经被开发，以减少在常规钻井过程中，深处发生的管子直径的损失。该技术涉及迫使工具沿管道向下，以扩大直径，从而允许更多的流量。

然而，无论是螺纹连接还是特殊连接，在这种类型的应用中均不能很好的工作，因为它们可能会失去密封的完整性，或者甚至在扩展操作中失效。

另一方面，由于熔接过程中产生的不均匀的微观结构，传统的液体熔接技术也存在问题，因为它们可能会产生薄弱点/部分，从而导致在扩展操作过程中失效。为了克服这个问题，提出了锻造熔接。由于锻造熔接是一个固态接合过程，它具有在熔接过程中产生更均匀的微观结构的潜力，因而更适合于膨胀管技术。

锻造熔接是一种固态熔接过程，它通过首先加热两个连合部分以产生高温，通常为熔融温度的50-90％，然后通过使用锻造力以及随后的可控的冷却或焊后热处理来连接金属结构。由于该技术具有产生具有更均匀的微观结构和性能的更高质量的平焊缝的潜力，它已经被用于熔接钢管材的井套管以及用于近海管道建设，以及用于接合线圈管。

这种技术在连接API管件中的应用已经被例如Moe的美国专利号为4,566,625、5,721,413和Anderson等人的7,181,821、7,774,917以及Rudd等人的美国专利申请公开号为2011/0168693所描述。

典型的管(tube)或管道(pipe)锻造熔接操作首先从末端修型(endprofiling)和清洁开始，以尽量减少管端部的生锈。接着，将管装入腔室中，然后将腔室抽真空，再回充惰性气体。在腔室达到所要求的条件(例如，预定义的氧气和水蒸汽的水平)之后，在连接操作进行时用来避免被氧化的所谓的屏蔽活性气体(SAG)的保护下，将所述管端部加热至所需的温度(例如，＞1200℃)。然后对被软化的管道端部施加压力，以使它们连接在一起，以实现锻造熔接。根据钢的类型、锻造温度和加热的均匀性，通过这些锻造熔接过程产生的微观结构可能既不理想，也不均匀，因此，需要进行焊后热处理。这可能包括使钢自然冷却，或通过控制钢的冷却速率，或通过快速冷却钢然后再加热使其微观结构松弛。

为了得到高质量的焊缝，管的端部应是干净和无氧化物的。另外，在锻造室内的气氛应含有最低量的氧和水蒸汽成分。为了防止熔接过程中新的氧化铁的形成并减少经常存在(甚至在仔细清洗过程之后还存在)的残留氧化铁，使用SAG，例如氢气/氮气的混合物以减少空气。