用于海底应用的管

技术领域

本发明涉及一种金属管，比如用于在海水中输送流体的管，并且涉及一种制造金属管，比如用于在海水中输送流体的管的方法，并且涉及一种用于在海水中输送流体的海底装置。

背景技术

用于在海水中输送流体的管在当今工业中具有几个重要应用，例如用于石油和天然气管道的管。

海底金属硬件，尤其是碳钢出油管，通常通过阴极保护(CP)来保护免于海水腐蚀。虽然在防止碳钢免于生锈方面非常有效，但CP可能损坏某些其他合金，像超级双相钢、铁素体钢以及甚至一些镍超合金。该问题被称为氢致应力开裂(HISC)并且当在部件的面向海水的表面处产生氢并且原子氢扩散到铁素体相中导致在应力下的脆化时，其就会发生。进而，这导致通常将具有高延展性的合金部件的灾难性脆性断裂。在过去几十年中，不可预知地发生了许多海底故障，有时导致石油泄漏、环境破坏、以及生产停工和昂贵的维修操作。HISC的工业解决方案包括油漆和塑料，但这些都不能稳健到足以完全最小化HISC故障的风险，如DNV推荐做法“Duplex stainless steel-design against hydrogen inducedstress cracking[双相不锈钢-抗氢致应力开裂设计]”(DNV-RP-F112，2019-09版)中所述的。

因此，当今工业中对于改进的制造用于在海水中输送流体的管的方法、改进的用于在海水中输送流体的管以及改进的用于在海水中输送流体的海底装置存在需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于在海水中输送流体的管，其至少部分地减轻了上述缺点。这一目的和其他目的，将在下文中变得显而易见，是通过一种用于在海水中输送流体的管实现的，该管具有

由选自双相不锈钢、超级双相不锈钢、铁素体钢、马氏体钢或镍超合金的合金形成的管状主体；

布置在该管状主体的外表面上的被配置为保护该管免于氢致应力开裂的层，其中该层由具有50-95wt％的铜含量和5-50wt％的镍含量的合金形成；其中

该管包括在该管状主体与该层之间的冶金结合，其中该冶金结合是通过在预定压力和预定温度下进行热压工艺持续预定时间形成的。

本发明的用于在海水中输送流体的管已被证明是应用于海底应用的非常有前途的管，在海底应用中管暴露于海水并与海水接触，并且在阴极保护下保护管的外表面免于腐蚀。本发明提供了一种管，该管包括冶金结合到具有50-95wt％的铜含量和5-50wt％的镍含量的层上的由双相不锈钢、超级双相不锈钢、铁素体钢、马氏体钢或镍超合金形成的管状主体，该层被配置为通过布置在该管状主体的外表面上来保护该管免于氢致应力开裂(HISC)。由于该层中使用的合金的材料特性，该层将提供针对HISC的优异保护。由于该管状主体中使用的合金的强度，该管还将表现出优异的机械特性。

本发明人已经表明，具有50-95wt％的铜含量和5-50wt％的镍含量的合金，比如铜镍合金，具有低的氢溶解度(例如约2ppm或更低)和低的氢扩散率。例如，扩散建模已经表明，与具有D＝10

在管状主体与保护层之间的界面处的冶金结合源于/源自热压工艺，比如热等静压工艺。管状主体与层之间的冶金结合提供了高强度和延展性界面的组合。因此，本发明的管的层耐用地附接到管状主体上并且提供高的抗剥落和腐蚀性并且因此确保管状主体保持受到保护免于HISC，因为该层充当管状主体上的氢阻挡涂层。通过热等静压工艺(HIPping)冶金结合到铜镍合金上的超级双相钢的拉伸强度测试表明，屈服强度为163MPa，极限拉伸强度为341MPa并且延展性为22％。在所述拉伸强度测试中，在铜镍合金中发生了颈缩和断裂，进一步突出了管状主体与层之间形成的牢固结合。本文中，术语“冶金结合”是指以固态形成的扩散结合，其中主要的结合机制是原子在界面上的相互扩散。这意味着本发明的管包括管状主体和在界面处冶金结合的层，并且源自管状主体的原子可以在界面的相对侧找到，并且反之亦然。

应当注意，由于铜和铁固有的不混熔性，将如本文所述的铜镍合金常规焊接或熔焊到钢上原则上是不可能的。

由选自双相不锈钢、超级双相不锈钢、铁素体钢、马氏体钢或镍超合金的合金形成的管状主体为管提供了良好的机械特性例如强度。所述合金由于其高强度和有利的机械特性而进一步适用于输送比如石油、天然气或水等流体。

本文中，术语“管状主体”是指管状细长中空主体，例如具有侧壁的主体，该侧壁围绕由该侧壁限定的内部体积，该内部体积被称为“孔”。管状主体可以在沿着管状主体的纵向中心轴线的方向上具有均匀的孔内半径。

在一些示例中，管状主体可以是弯曲的。管状主体可以具有锥形的外部形状。孔本身也可以是锥形的。

管状主体可以具有多于一个孔，比如两个孔、三个孔或四个孔。

管状主体的截面可以具有圆形形状、椭圆形形状或六边形形状。

优选地，管状主体由锻造金属形成。术语“锻造金属”是本领域技术人员已知的。当铸造金属以任何方式塑性变形时，形成锻造金属。塑性变形改变了金属的微观结构并且锻造金属表现出与其在铸造态时具有的特性不同的特性。

术语“由选自双相不锈钢、超级双相不锈钢、铁素体钢、马氏体钢或镍超合金的合金形成”是指管的管状主体应包括占大部分(按重量计)的所述合金，比如至少60％、比如至少70％、比如至少80％、比如至少90％、比如至少95％。在一些示例中，管状主体可由选自双相不锈钢、超级双相不锈钢、铁素体钢、马氏体钢或镍超合金的合金组成。

不锈钢可按其晶体结构分为四种主要类型：奥氏体、铁素体、马氏体和双相体。

术语“双相不锈钢”是本领域技术人员已知的。双相不锈钢包括基本等量的奥氏体和铁素体微观结构。双相不锈钢可以包含至少4.5wt％的Ni。

术语“超级双相不锈钢”是本领域技术人员已知的。超级双相不锈钢可以包含至少5.5wt％的Ni。超级双相钢可以具有40至45的耐点蚀当量(PREN)。

术语“铁素体钢”是本领域技术人员已知的。铁素体钢包含小于0.1wt％的C。

术语“马氏体钢”是本领域技术人员已知的。马氏体钢可以包含0-5wt％的Ni。

术语“镍超合金”是本领域技术人员已知的。镍超合金可以包含至少50wt％的Ni。镍超合金可以进一步包含Ni、C、Cr、Mo、W、Nb、Fe、Ti、Al、V和/或Ta和/或其组合物。

本文中，术语“内半径”是指管中心与管内壁之间的距离。

本文中，术语“层”是指布置在管状主体的外表面上的材料。层应被布置为使得其保护管状主体不与环境(例如海水)接触，优选地层被布置为使得其覆盖管状主体的外侧表面。层优选地由布置在管状主体上的片材或中空圆柱体形成。层可以优选地由锻造材料形成。

术语“由具有50-95wt％的铜含量和5-50wt％的镍含量的合金形成”是指层包括占大部分(按重量计)的合金，比如至少60％、比如至少70％、比如至少80％、比如至少90％、比如至少95％的合金。在一些示例中，管状主体可由具有50-95wt％的铜含量和5-50wt％的镍含量的合金组成。

具有50-95wt％的铜含量和5-50wt％的镍含量的合金可以优选地选自材料类别铜镍合金。合金可以进一步包含少量附加物，优选小于5wt％的比如Fe、Mn、Si和/或Al等合金元素。

形成层的合金可以具有55-95wt％的铜含量和5-45wt％的镍含量，比如60-95wt％的铜含量和5-40wt％的镍含量。合金可以具有5-15wt％的镍含量，以及任选地小于5％的铁、锰、硅和铝中的至少一种，余量为铜和小于0.5wt％的量的天然存在的杂质。合金可以具有25-35wt％的镍含量，以及任选地小于5％的铁、锰、硅和铝中的至少一种，余量为铜和小于0.5wt％的量的天然存在的杂质。

本文中，术语“侧表面”(或包封侧表面)是指圆柱形形状或六边形形状的管的外部区域，不包括顶部和底部。管状主体的顶部和底部被提供为开口，其被布置为连接到海底装置中的其他部件。开口典型地不被布置为与海水接触并且因此可能不需要针对HISC的保护。

本文中，术语“氢致应力开裂(HISC)”是指在具有阴极保护的情况下，在经受海水、应力和氢气时发生的金属制品的脆化和裂纹形成现象。

本文中，在热压工艺过程中使用的预定压力、预定时间和预定温度可以在热压工业中，例如在热等静压工业中通常使用的范围内。例如，预定时间可以在1h至10h的范围内。预定压力可以在20MPa至200MPa的范围内。预定温度可以在500℃至1400℃的范围内。预定时间、预定压力和预定温度可以全部由于技术人员已知的各种参数而变化。例如，它们可以由于正在制造的金属基管的尺寸或形状而变化。此外，它们可以由于材料选择(例如使用哪种金属)而变化。

本文中，术语“用于在海水中输送流体的管”是指适于在其内部输送流体中空并且其中管的外部适于与海水直接接触的中空管。管可以具有在管开口处测量的管中心与管外壁之间的最长距离的至少10％、比如至少20％、比如至少30％或至少40％的最小壁厚。管中心定义为从管外壁测量的在管开口处的截面处的管的几何中心。管可以具有管的半径的小于10％、比如小于5％的壁厚。

在圆柱形管的情况下，管中心与外壁管之间的最长距离是管的外半径。

在锥形管的情况下，管的厚度逐渐变窄，如从管的一个点到管的第二个点测量的。在锥形管的情况下，管的壁厚可以基本恒定。

本文中，术语“流体”是指天然气或液体比如石油。

在一些实施方案中，管状主体由含镍合金形成，该含镍合金选自双相不锈钢、超级双相不锈钢、铁素体钢、马氏体钢或镍超合金。

在一些实施方案中，当管状主体由如本文定义的含镍合金形成时，用于在海水中输送流体的管可以包括管状主体镍贫化区，其中管状主体镍贫化区中的镍含量低于管状主体镍贫化区之外的管状主体中的镍含量。管状镍贫化区源于/源自热压工艺。主体镍贫化区可以对管的截面(例如管状主体和层的界面)的能量色散X射线光谱(EDS)分析中看到并且充当指纹，指示金属管是使用热压工艺制造的。此外，主体镍扩散区指示在管状主体中发生了扩散并且从而指示材料是扩散结合的。

本文中，术语“主体镍贫化区”是指位于管状主体和层的界面与具有初始镍含量的管状主体的内部部分之间的管状主体的一部分。

在一些实施方案中，用于在海水中输送流体的管可以包括层镍贫化区，其中层镍贫化区中的镍含量低于层贫化区之外的层中的镍含量。类似于主体镍贫化区，层镍贫化区源于/源自热压工艺。层镍贫化区可以对管的截面(例如管状主体和层的界面)的能量色散X射线光谱(EDS)分析中看到并且充当指纹，指示金属管是使用热压工艺制造的。此外，层镍扩散区指示在层中发生了扩散并且从而指示材料是扩散结合的。

本文中，术语“层镍贫化区”是指位于管状主体和层的界面与具有初始镍含量的层的外部部分之间的层的一部分。

在一些实施方案中，用于在海水中输送流体的管可以在界面处包括镍富集区，并且镍富集区的镍含量高于富集区之外的管状主体和富集区之外的层中的至少一个中的镍含量。镍富集区源于/源自热压工艺。镍富集区可以对管的截面(例如管状主体和层的界面)的能量色散X射线光谱(EDS)分析中看到并且充当指纹，指示金属管是使用热压工艺制造的。此外，镍富集区指示在界面中发生了扩散并且从而指示材料是扩散结合的。

本文中，术语“镍富集区”是指其中镍含量高于主体镍贫化区和/或层镍贫化区的镍含量的界面。

在一些实施方案中，在界面处的所述镍富集区在沿着管的纵向中心轴线的方向上在界面的两侧上延伸。镍富集区表明已经发生了扩散并且在管状主体与层之间沿着管的纵向中心轴线存在冶金结合并且因此指示在管状主体与层之间的牢固结合。

镍富集区和镍贫化区可以各自在垂直于冶金结合的延伸的方向上延伸。

典型地，镍富集区和镍贫化区中的每一个具有在10-100μm范围内的在垂直于冶金结合的延伸的方向上的长度。

在一些实施方案中，含镍合金的镍含量是至少3重量-％、比如至少5重量-％、比如至少10重量-％。合金的所述镍含量提供了比如可成形性和延展性等机械特性。

在一些实施方案中，层具有0.5-25mm、比如1-20mm、比如5-15mm的厚度。所述厚度的层确保了足够的特性比如耐刮擦性和耐物理冲击，意味着层不会被穿透并且从而确保管状主体不会暴露于环境例如海水。

在一些实施方案中，层的铜-镍合金具有面心立方(FCC)晶体结构。具有FCC结构的铜-镍合金提供低的氢溶解度和缓慢的氢扩散并且因此具有FCC结构的铜-镍合金有效地保护管状主体免于HISC。

在一些实施方案中，层由锻造金属片获得。锻造金属片可以具有0.5mm至25mm、比如1mm至20mm、比如5mm至15mm的厚度。

在一些实施方案中，层由锻造金属管获得。锻造金属管可以优选地具有与管状主体的外周长相对应的内周长。锻造金属管可以具有0.5mm至25mm、比如1mm至20mm、比如5mm至15mm的壁厚。

在一些实施方案中，层被布置为使得其覆盖管状主体的外侧表面。将层布置为使得其覆盖管状主体的外侧表面为管提供了对例如在使用期间与海水接触的管的部分的HISC保护。

在一些实施方案中，管在管状主体与层之间的界面处包括迹线，其中所述迹线是通过晶体失配形成的。

这些迹线源于/源自热压工艺。管状主体与层之间的前界面可以按原样被追迹为其表现为直线，沿着该直线布置金属晶粒。直线典型地沿着彼此接触的管状主体与层的后表面之间的先前界面的全长延伸。迹线是通过在冶金结合处在界面处管状主体与层中的金属晶粒之间的晶体失配形成的。

这些迹线可以在最终产品的蚀刻样品中看到，从而充当指纹，指示金属管是根据热压工艺或热等静压工艺制造的。

由于管状主体的侧表面和层冶金结合在一起的，迹线在垂直于沿着管的长度截取的管的纵向延伸的任何截面中都将是可见的。

在一些实施方案中，层被配置为防止在管上的微生物生长和/或其他生物生长。与海水接触的管上的微生物和生物(例如节肢动物、腹足动物和甲壳动物)生长是当今所有海底工业的巨大问题。如本文定义的具有50-95wt％的铜含量和5-50wt％的镍含量的层是有利的，因为由于铜的抗微生物性质，其还防止管上的微生物和生物生长。因此，本发明有利地提供了一种当在海水中受到阴极保护时具有改进的寿命的管，因为其由于氢在铜中的低扩散率而提供了优异的耐HISC性，并且因为其提供了免于微生物和生物腐蚀的保护。

本发明的另一个目的是提供一种用于制造用于在海水中输送流体的管的改进方法，其至少部分地减轻了上述缺点。这一目的和其他目的，将在下文中变得显而易见，是通过一种用于制造用于在海水中输送流体的管的方法实现的，该方法包括以下步骤：

-提供管状主体，该管状主体包括选自双相钢、超级双相不锈钢、马氏体钢、铁素体钢或镍超合金的合金；

-提供由具有50-95wt％的铜含量和5-50wt％的镍含量的合金形成的片材或管；

-布置所述片材，使得其覆盖该管状主体的外表面以形成管组件；

-周向密封该管组件，在该管状主体与该片材之间形成空腔；

-从所述空腔移除气体；

-使管组件在预定压力和预定温度下经受热等静压工艺持续预定时间，从而闭合该空腔，使得该管状主体和该片材或中空圆柱体彼此冶金结合以形成用于在海水中输送流体的管。

本发明进一步基于以下认识：用于在海水中输送流体的管可以使用热处理工艺比如热等静压工艺例如通过提供包括选自双相钢、超级双相不锈钢、铁素体钢或镍超合金的含镍合金的管状主体，提供并布置由具有50-95wt％的铜含量和5-50wt％的镍含量的合金形成的片材或中空圆柱体，使得其覆盖该管状主体的外表面以形成管组件，周向密封该管组件以形成空腔，从所述空腔中移除气体并使该管组件在预定压力和预定温度下经受热压工艺持续预定时间来制造。

因此，耐HISC管可以以有效的方式制造。

本发明提供了一种制造方法，该制造方法在管状主体与层之间产生冶金结合，该冶金结合具有高结合强度。

在一些实施方案中，用于制造用于在海水中输送流体的管的方法进一步包括

-使用于在海水中输送流体的管经受选自固溶退火、淬火和回火的热处理。可以进行使用于在海水中输送流体的管经受热处理以改变管的物理和/或化学特性，比如增加延展性、降低硬度、增加韧性、防止不期望的低温过程。

在一些实施方案中，所提供的铜-镍合金片材或中空圆柱体用作热等静压筒。与例如如果使用单独的热等静压筒相比，使用所提供的铜-镍合金片材作为热等静压筒固有地导致更少的材料被机加工掉。因此，减少了来自该工艺的废料的量并且减少了再加工废料的环境影响。

本文中，术语“筒”是指具有包围一定体积的连续侧壁的可闭合隔室。筒优选地设置有垂直于第二进入开口布置的第一进入开口。进入开口可以通过闭合构件以防流体的方式闭合。可替代地，筒设置有与侧壁(即底部部分)成一体的一体式闭合构件。

在一些实施方案中，用于制造用于在海水中输送流体的管的方法进一步包括

-使用车削或铣削从用于在海水中输送流体的管中通过机加工去除材料。通过从用于在海水中输送流体的管中去除材料，甚至可以在热等静压工艺之后进一步定制形状。有利地，由于该方法涉及在金属管组件与金属管之间没有或小于5％的形状变化，因此该方法可用于制造能够在车床上围绕其纵轴对称旋转的管，从而在必要时允许有效的材料去除。

在一些实施方案中，热压的预定时间在1-10小时的范围内，预定压力在20-200MPa的范围内，和/或预定温度在500℃-1400℃的范围内。本文中，在热压工艺过程中使用的预定时间和预定温度可以在热压工业中，例如在热等静压工业中通常使用的范围内。预定时间、预定压力和预定温度可以全部由于技术人员已知的各种参数而变化。例如，它们可以由于正在制造的金属基管的尺寸或形状而变化。此外，它们可以由于材料选择(例如使用哪种金属)而变化。

在一些实施方案中，所提供的片材或中空圆柱体具有0.5-25mm的厚度。热压工艺可以是热等静压工艺，也称为HIPping工艺，其特别适用于制造用于在海水中输送流体的管。HIPping工艺典型地涉及在高压安全壳中使部件(在这种情况下为管组件)经受高温和等静压气体压力，例如使用氩气作为加压气体。在一些实施方案中，等静压气体压力在20-200MPa、比如50-180MPa、比如80-170MPa的范围内。通过使用HIPping来制造管，可以进一步降低管的结构中的孔隙率并且进一步增加结构的密度。因此，使用HIPping的优点在于，在HIPping工艺步骤之后的管具有近净形状，即在HIPping工艺步骤之后制造的管的形状与最终管的期望形状相同、或几乎相同、或充分相同。因此，与现有技术的方法相比，可以省略或至少减少与再成形相关的管的后处理。此外，以及根据本发明的至少一个示例实施方案，在HIPping工艺过程中，使组装的管装置的部分或零件经受一些侧向剪切。侧向剪切可以充当表面处理并去除任何残留的氧化层或污垢，并且从而确保良好的冶金结合。

热压工艺可以涉及使管组件经受单轴压力，例如通过使用热压设备和同时施加热量和压力。因此，层和管状主体在高到足以引起烧结和蠕变过程的温度下彼此冶金结合。应当注意，对于例如HIPping，传统上罐或筒，比如HIPping罐或HIPping筒，在使填充粉末的罐经受热压之前，用金属粉末填充。因此，粉末在预定压力和预定温度下被热压预定时间，并且因此被固结成金属基部件。在代替使用管状主体和片材的本发明方法中，克服或至少减少了使用例如粉末作为制造方法的起始材料的缺点，比如低填充密度和最终产品的所得形状变化。因此，根据本发明的方法可以被描述为用于制造管的无金属粉末热压(或HIPping)制造方法。

本发明的另一个目的是提供一种用于在海水中输送流体的海底装置，其至少部分地减轻了上述缺点。这一目的和其他目的，将在下文中变得显而易见，是通过一种用于在海水中输送流体的海底装置实现的，该海底装置包括

-如以上定义的管；

-阴极保护装置，该阴极保护装置连接到该管并且被布置为使该管承受一定电压用于保护该管的外表面免于腐蚀。

本文中，术语“阴极保护装置”是指用于通过建立电化学电池来控制金属表面的腐蚀的装置，其中金属表面(在这种情况下为保护层)被制成阴极，连接到包括牺牲材料和/或DC电源的更容易腐蚀的阳极。

在一些实施方案中，阴极保护装置被布置为使管承受在小于0mV至-1500mV饱和甘汞电极(SCE)范围内的电压。

本发明的管可以是的可用于海底装置的管的示例尤其包括：采油树部件、出油管、油管挂、阀盖、阀体、翼块、液压块、套管、连接器、轮毂、接头产品、歧管、压力盒、提升管、套环、法兰、短接头、Y形件、三通、套管、弯头、隔板、旋风分离器等。

附图说明

通过结合附图参考本发明的实施方案的以下说明性和非限制性详细描述，将更充分地理解本发明的以上目的以及附加目的、特征和优点，其中：

图1a示出了现有技术的管的示意图。

图1b示出了根据本发明的实施方案的管的示意图。

图2a示出了根据本发明的实施方案的管的截面。

图2b示出了根据本发明的实施方案的位于管状主体与层之间的界面处的晶体失配的示意图。

图3示出了根据本发明的实施方案的管的镍含量随距管状主体和层的界面的距离变化的示意图。

图4a-c描绘了根据本发明的实施方案的管的冶金结合的显微照片。

图5a-c描绘了如实施例中研究的各种拉伸棒。

图6示出了解释根据本发明的实施方案的方法的步骤的流程图。

图7示意性地展示了根据本发明的实施方案的海底装置。

具体实施方式

图1a描绘了由例如超级双相不锈钢形成的单件管状主体101形成的现有技术的管100。此类管通常用于在海水中输送流体。当经受比如阴极保护手段等腐蚀保护手段时，此类管的耐腐蚀性良好。然而，阴极保护的应用(使管承受一定电压)以及与海水的直接接触可能导致另一种有害影响，从而导致灾难性故障，即氢致应力开裂(HISC)。此外，不锈钢易受作为水生生物的各种微生物的生长的影响。此种生长也可能导致管的灾难性故障。

本发明人已经发现，与现有技术的管相比，提供如图1b所示的管具有大大改进的耐氢致应力开裂性。图1b描绘了由管状主体101’和层102’形成的管100’。在这个示例中，管状主体101被描绘为含镍合金(例如超级双相不锈钢)的中空圆柱体。层102’被描绘为具有50-95wt％的铜含量和5-50wt％的镍含量的合金的中空圆柱体。本文中，管状主体101’和层102’被描绘为具有不同的厚度，其中管状主体101’与外层102’相比具有更大的厚度。与超级双相不锈钢相比，已经发现具有50-95wt％的铜含量和5-50wt％的镍含量的合金具有非常低的氢扩散率。通过防止氢扩散到管中，层102’保护管100免于HISC。此外，层102’中的铜为层提供抗微生物特性，其防止管100’上的微生物和水生生物生长。

层102’已经通过热压工艺冶金结合到管状主体101’上。优选地，热压工艺是热等静压工艺。预定时间可以在1-10小时的范围内，预定压力可以在20-200MPa的范围内，和/或预定温度可以在500℃-1400℃的范围内。本文中，在热压工艺过程中使用的预定时间和预定温度可以在热压工业中，例如在热等静压工业中通常使用的范围内。预定时间、预定压力和预定温度可以全部由于技术人员已知的各种参数而变化。例如，它们可以由于正在制造的金属基管的尺寸或形状而变化。此外，它们可以由于材料选择(例如使用哪种金属)而变化。

热压工艺在管100’中在层102’与管状主体101’之间的界面处形成冶金结合。冶金结合103’提供了比用于层102’的合金更牢固的在层102’与管状主体101之间的结合。

通过热压工艺形成的冶金结合103’可以称为扩散结合。来自层102’的原子扩散到管状主体101’中。这可以使用例如SEM-EDS进行研究。指示本发明的冶金结合的指纹关于图2a-c进行描述。

此外，应当注意，由于铜和铁的不混熔性，具有50-95wt％的铜含量和5-50wt％的镍含量的合金不能焊接到钢管状主体上。通过使用比如热等静压工艺等热压工艺形成冶金结合103’，本发明人在管状主体101’上形成了保护层102’，当用于在海水中输送流体时，该保护层能够承受施加在管100’上的高压。层102应被布置为使得其基本上覆盖管状主体101’的整个外表面以保护管免于氢致应力开裂。

容易理解，图1b的管不限于圆柱形管状主体101’和层102’。其他形状，比如椭圆形或六边形是同样合适的。

图2a描绘了图1b所示的管的截面的示意图。图2a描绘了由管状主体201和层202形成的管200，对应于图1b中的管状主体101和层102。管包括在层202与管状主体201之间的界面处的冶金结合203。冶金结合围绕界面的全周长延伸，并将层202的每一部分接合到管状主体201。在图2b和c中，将解释冶金结合103的各种特性。

图2b描绘了位于管状主体201与层202之间的界面处的晶体失配的示意图。在层202与管状主体201之间的界面203的迹线(例如冶金可检测的迹线)，该迹线在通过热压工艺制造管之后在管中可见。在示意图中，线205，沿着该线金属晶粒的晶体失配280、280’是清晰可见的，该线和晶体失配形成迹线。因此，迹线是通过在管状主体201与层202之间的界面处的晶体失配形成的。

本文中，晶体失配指示已经通过在预定时间和预定温度和预定压力下的热压工艺形成冶金结合。用不同的方式表达，晶体失配是本发明的管的指纹。晶体失配表明在管状主体201与层202之间存在冶金结合。

图2c描绘了根据本发明的实施方案的管的管状主体201与层202之间的冶金结合的示意图。

在其中管状主体201包括含镍合金的实施方案中，在界面处可以发现又另一指纹，其指示通过本发明的热压工艺形成的冶金结合。

本发明人已经发现，冶金结合203可以通过例如SEM-EDS和测量冶金结合203附近的管状主体201和层202中的镍含量来表征。本发明人已经发现，镍贫化区206在冶金结合203附近的管状主体中形成。这意味着镍贫化区206中的镍含量低于管状主体201的其余部分中的镍含量。

类似地，可以在层202中发现镍贫化区204。

在冶金结合处，已经发现，可以发现镍富集区208在结合203的两侧延伸。镍富集区208中的镍的量高于管状主体201的其余部分和层202的其余部分中的至少一个中的镍的量。如果管状主体的其余部分和层202的其余部分中的镍含量基本相同，则镍富集区208的镍含量将高于管状主体201的其余部分和层202的其余部分。

镍富集区208和镍贫化区204、206各自在垂直于冶金结合203的延伸的方向上延伸。典型地，区204、206和208中的每一个具有在10-100μm范围内的在垂直于冶金结合203的延伸的方向上的长度。

镍富集区和镍贫化区可以参考图3进一步解释。图3示出了在冶金结合303的每侧上的层302和管状主体301中的镍含量(由Y轴表示)随距界面的距离变化的示意曲线图。在这个示例中，管状主体301和层302具有约10wt％的镍含量。层302的镍含量在Y轴的右侧示出，并且主体301中的镍含量在Y轴的左侧示出。x轴在镍含量为10wt％时与Y轴相交，在这个示例中，镍含量是超级双相管状主体和铜-镍层中的镍含量。

在距结合303一定距离处，在冶金结合的两侧上的镍含量低于进一步远离结合303的层和管状主体的其余部分。管状层和层的这些部分是各自的贫化区。镍贫化区中的镍含量具有约5wt％的最小值。甚至更靠近界面的两侧，镍富集区从管状主体延伸到层并且具有约15wt％的最大镍含量。

考虑镍富集区是在如本文所述的热压工艺过程中通过镍从镍贫化区富集扩散形成的。因此，镍富集和贫化区被认为指示通过本发明的热压工艺形成的冶金结合，至少对于其中管状主体的合金含有镍的实施方案。

图4和5在下面的标题“实施例”下进行讨论。

图6示出了描述用于制造用于在海水中输送流体的管的方法的不同步骤的流程图。方法600包括：提供601管状主体，该管状主体包括选自超级双相不锈钢、双相不锈钢、马氏体钢、铁素体钢或镍超合金的含镍合金；提供602由具有50-95wt％的铜含量和5-50wt％的镍含量的合金形成的片材或管；布置603所述片材或管，使得其覆盖该管状主体的外表面以形成管组件；周向密封604该管组件，在该管状主体与该片材之间形成空腔；从所述空腔移除605气体；使管组件在预定压力和预定温度下经受606热压工艺持续预定时间，从而闭合该空腔，使得该管状主体和该片材彼此冶金结合以形成管。

在提供601管状主体时，管状主体是具有围绕内部体积的内壁的中空物体。管状主体可以优选地是中空圆柱体。管状主体应当在管状主体的顶部具有至少一个开口并且在管状主体的底部具有一个开口。

可替代地，管状主体是中空多面体，比如中空长方体，其具有在长方体的至少一侧形成的通向内部体积的进入开口。

在提供602片材或中空圆柱体时，提供了能够至少部分覆盖管状主体的外表面的元件。优选地，片材或中空圆柱体可以完全覆盖管状主体的外表面。

片材或中空圆柱体可以容易地可获得现货。

在布置603所述片材或中空圆柱体使得其覆盖管状主体的外表面以形成管组件时，片材或中空圆柱形被定位成覆盖管状主体的外表面。优选地，片材或中空圆柱体被定位成覆盖管状主体的外表面。

在其中片材被布置为使得其覆盖管状主体的外表面的示例中，片材被包裹在管状主体的外表面周围以便包封管状主体的外表面。片材在片材的接合端通过焊接接合。

在其中中空圆柱体被布置为使得其覆盖管状主体的外表面的示例中，中空圆柱体在管状主体的外表面上。

管状主体的侧向内壁将包围一定体积，该体积将对应于制造的用于在海水中输送流体的管的内部通道。

在周向密封604管组件时，在管状主体与片材或中空圆柱体之间形成空腔，周向密封管组件，在管状主体与片材之间形成空腔。这可以通过提供第一和第二闭合构件并布置所述闭合构件使得它们覆盖管状主体的开口来进行。然后，通过例如焊接将闭合构件密封到片材或中空圆柱体，以形成围绕管状主体的闭合筒。

在从所述空腔移除605气体时，管状主体与片材或中空圆柱体之间的接触得到改进。气体可以优选地经由与中间空间流体连通的压接管移除。管状主体与片材或中空圆柱体之间的良好接触是有利的，因为它改进了在随后的热压工艺期间形成的冶金结合。

在使管组件在预定压力和预定温度下经受606热压工艺持续预定时间时，从而闭合空腔，使得管状主体和片材彼此冶金结合以形成管。优选地，热压工艺是热等静压工艺。预定时间可以在1-10小时的范围内，预定压力可以在20-200MPa的范围内，和/或预定温度可以在500℃-1400℃的范围内。本文中，在热压工艺过程中使用的预定时间和预定温度可以在热压工业中，例如在热等静压工业中通常使用的范围内。预定时间、预定压力和预定温度可以全部由于技术人员已知的各种参数而变化。例如，它们可以由于正在制造的金属基管的尺寸或形状而变化。此外，它们可以由于材料选择(例如使用哪种金属)而变化。

图7示意性地示出了根据本发明的海底装置700。该海底装置包括如本披露中所定义的管702。该管被布置在海水表面707下方以将液体(例如石油)从油田703输送到集装箱船706。描绘了石油钻井平台705和石油钻井704以供参考。提供阴极保护装置701，被配置为使管承受一定电压用于保护管的外表面免于腐蚀。管702的层将保护管免于氢致应力开裂(HISC)，因为层的铜-镍合金耐氢扩散。由于铜的抗微生物特性，其还将保护管免于微生物生长。

本发明的管也可以或可替代地被布置为例如采油树中的部件，本文中被示意性地描绘为部件708。它可以此外或可替代地被布置在石油钻井704和井口管709中。

阴极保护装置701被配置为使管702承受大约-1000mV SCE。如果本发明的管设置在部件704、708和/或709中的任一个中，则这些也将受到阴极保护。

其中可以使用本发明的管的海底装置的部件的示例尤其包括：采油树部件、出油管、油管挂、阀盖、阀体、翼块、液压块、套管、连接器、轮毂、接头产品、歧管、压力盒、提升管、套环、法兰、短接头、Y形件、三通、套管、弯头、隔板、旋风分离器等。

通过在预定压力和预定温度下进行热压工艺持续预定时间形成的在管701中的管状主体与层之间的界面处的冶金结合提供了层对管状主体的改进的粘附性。因此，管701表现出允许其承受在海底装置700中作用在管701上的非常苛刻的力的机械特性。

利用所定义的管700可以极大地改进海底装置的使用寿命。降低了灾难性故障的风险，这提供了环境效益，因为可以防止石油泄漏。

实施例

冶金结合的强度。

使用热等静压工艺(HIP)生产设置有铜镍合金(Cu

该部分也在扫描电子显微镜(SEM)中进行了研究，并且显微照片在图4b中示出，在SEM所提供的更高放大倍率下也示出了良好结合界面，其中铜镍合金在顶部并且超级双相在底部。在同一SEM中使用能量色散光谱法(EDS)研究了同一界面。EDS-显微照片在图4c中示出，示出了良好结合界面，其中铜镍合金在顶部并且超级双相在底部。由于来自层的原子已经行进到超级双相试块，因此可以在EDS中识别扩散结合。可以通过EDS观察到如以上所述的镍贫化区和镍富集区。

对超级双相和铜镍合金的热等静压试块进行了机械测试并且六个试样的平均拉伸特性如下：

屈服强度＝163MPa

极限拉伸强度＝341MPa

延展性＝22％

这表明钢/铜镍合金界面是冶金结合的并且界面是延展性的。所有颈缩和断裂都发生在界面的铜镍合金侧，因为铜镍合金是两种合金中较弱的。

使试块的一部分经受弯曲试验。所有弯曲都发生在铜镍合金侧，示出了冶金良好结合的界面。

制造拉伸试验棒，在图5c中示意性地示出，由铜镍合金Cu

HISC试验

制造铜镍合金的拉伸试验棒500，比如图5a所展示的拉伸试验棒，以测试铜镍合金(Cu

研究了超级双相不锈钢(SDSS)和铜镍合金(Cu

铜镍合金被证明在H溶解度方面比超级双相低1-2个数量级。

表1.HISC试验

对铜镍合金和超级双相合金材料进行通过误差函数的扩散建模。扩散系数如下：

超级双相铁素体 D＝10

Cu

Cu

这表明，在使用条件期间，超级双相与铜镍合金之间的扩散速度可能存在1000万倍的差异。

氢在铜镍合金中的扩散极其缓慢，加上其约2ppm或更低的固有地低的溶解度，意味着铜镍合金将在海底部件上形成有效的氢阻挡涂层，从而保护免于HISC断裂。

焊接试验

作为参比，进行将铜镍合金焊接到超级双相不锈钢上的尝试。发现不可能将铜镍合金焊接到超级双相不锈钢上。铜镍合金熔化并倒掉铜镍合金，没有任何结合形成。