Производство труб

Производство труб (трубное  производство)

Развитие трубного производства характеризуется  не только цифрами количественного  роста, но и значительными качественными  изменениями. Непрерывно увеличивается  выпуск труб из легированных сталей, в  том числе из коррозионностойких (нержавеющих) и жаростойких (окалиностойких) сталей, труб с повышенной прочностью.

Расширяется сортамент  выпускаемых труб как по их диаметру, так и по выпуску более трудоемких тонкостенных и особо тонкостенных труб; увеличивается выпуск различных фасонных труб и труб с переменным по длине сечением.

Трубы разделяют на бесшовные и сварные. Соотношение объемов производства труб той или другой категории в различных странах неодинаково: в одних преобладает выпуск сварных труб, а в других преимущественно выпускают бесшовные трубы. Благодаря успехам, достигнутым в области сварки, сварные трубы по прочности не уступают бесшовным. Вместе с тем следует иметь в виду, что стоимость исходного листового проката для производства сварных труб может быть выше стоимости сортового металла, а отдельные виды труб (например, толстостенные) технологически могут изготовляться только бесшовными.

Трубы для магистральных трубопроводов (для транспортировки жидких, газообразных и сыпучих продуктов) диаметром от 426 до 1625 мм изготовляют электросваркой с прямым или спиральным швом. С целью использования более узкого исходного листа трубы большого диаметра иногда делают с двумя продольными швами.

Водо-газопроводные трубы диаметром от 10 до 165 мм имеют наиболее массовое потребление, и поэтому они должны быть дешевыми. Экономичным способом их изготовления является непрерывная печная сварка. В последнее время успешное освоение индукционной сварки труб с последующим бесконечным редуцированием (уменьшением диаметра трубы) сделало этот способ производства конкурентоспособным с непрерывной печной сваркой труб.

Водо-газопроводные трубы  могут выпускаться оцинкованными  с цилиндрической или конической резьбой на концах для соединения их муфтами. В последнее время все большее распространение в частном и промышленном строительстве для коммуникаций получают более дешевые трубы из пластмасс.

Нефтяные трубы (обсадные, бурильные, насосно-компрессорные) используют в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей (крекинговые, нефтепроводные и др.) промышленности. Подавляющее количества этих труб изготовляют бесшовными.

Обсадные, бурильные и  насосно-компрессорные трубы выпускают  с резьбовыми соединениями. Для сохранения прочности в местах нарезки резьбы концы бурильных и насосно-компрессорных труб утолщают высадкой концов внутрь,или наружу, иногда упрочненные концы приваривают к трубам. Нефтяные трубы изготовляют из углеродистой или легированной стали. Для повышения прочностных свойств трубы подвергают термической обработке.

Трубы для теплоэнергетических установок выпускают бесшовными из углеродистой, легированной и высоколегированной (коррозионностойкой и жаростойкой) сталей. 
Трубы для химической промышленности используются в различных аппаратах и установках, и в зависимости от условий эксплуатации они также могут быть бесшовными или сварными.

В машиностроении, авиации, автотракторостроении, в гражданском и промышленном строительстве и других отраслях народного хозяйства широко используются конструкционные трубы из разных сталей, цветных металлов и сплавов, которые тоже изготовляют бесшовными или сварными.

Сварные трубы

Сварные трубы находят все большее  применение в различных областях промышленности.

Современные методы сварки обеспечивают прочность сварного шва  не ниже, чем прочность основного  металла. Это позволяет использовать сварные трубы и там, где раньше применяли только бесшовные. Поэтому доля сварных труб в общем объеме производства труб значительно увеличилась и продолжает увеличиваться.

При использовании современных  методов производства сварных труб уменьшаются капиталовложения, а  стоимость передела таких труб ниже, чем стоимость передела бесшовных труб.

Сварные трубы широко применяют  в качестве магистральных трубопроводов, главным образом для передачи на большое расстояние газа, воды, нефти и др. Конструкционные сварные трубы используют в машиностроении. В сельском хозяйстве их используют в оросительных системах. Коммуникационные трубы для гражданского строительства изготовляют только сварными (водопроводные и газопроводные трубы). Все в больших масштабах используют сварные трубы и в энергетике, в том числе в атомной.

Сварные трубы производят двумя  основными методами: печной сваркой  и электросваркой. Электросварные трубы изготовляют контактной, индукционной и дуговой сваркой. Можно отметить еще два других метода сварки: газовую и газоэлектрическую. Однако эти методы имеют ограниченное применение и используют их только для изготовления труб из высоколегированных сталей, сплавов и таких металлов, как цирконий, тантал, молибден и др.

Как правило, сварные трубы изготовляют из низкоуглеродистой и низколегированной сталей. Исходным материалом для изготовления сварных труб служат горячекатаный штрипс и холоднокатаная лента в рулонах, широкая горячекатаная полоса в виде листов мерной длины, а также в рулонах. Заготовку для сварных труб производят наиболее прогрессивными методами, используя непрерывную прокатку.

Сварные трубы по сравнению с  бесшовными изготовляют с более  тонкой стенкой и с меньшими отклонениями по толщине (меньшая разностенность). Так, бесшовная горячекатаная труба может быть с толщиной стенки не ниже 9 мм с допуском по стенке —1,35 и +1,12 мм; в то же время сварная прямошовная труба диаметром 426 мм может изготовляться с толщиной стенки 6 мм с допуском по стенке +0,4 и —0,6 мм. Из этого ясно, что там, где по условиям службы допустим сварной шов, преимущества сварных труб очевидны.

Непрерывная печная сварка труб

Процесс формовки и сварки штрипса  в трубу на непрерывных станах печной сварки осуществляется валками.

При формовке трубной заготовки  на непрерывных станах в кромках  штрипса возникают продольные растягивающие  напряжения. Любая точка поперечного  сечения очага деформации, за исключением  середины штрипса, получает как продольное, так и поперечное (свертка) движение.

Траектория движения любой  точки представляет собой пространственную кривую. Точки сечения проходят неодинаковый путь из-за их различного перемещения  в поперечном направлении. Наибольший путь проходят точки, расположенные на кромках штрипса. Различие в пути компенсируется благодаря удлинению волокон в продольном направлении под действием растягивающих напряжений. Поэтому возникающие напряжения максимальны в кромках и по мере приближения к центральной продольной части штрипса должны уменьшаться до нуля.

Исходная ширина и толщина  штрипса зависят от того, имеется  ли в составе агрегата редукционный стан. Если редукционный стан отсутствует (агрегаты старой конструкции), то толщину  штрипса обычно принимают равной толщине стенки готовой трубы. Ширина штрипса в этом случае зависит от обжатия в клетях формовочно-сварочного стана и на калибровочном стане.

Заготовку для сварных труб изготовляют из низкоуглеродистых мартеновской и бессемеровской сталей. Основным дефектом при сварке и прокатке сварных труб из резаных штрипсов является вскрытие расслоя из-за значительной химической неоднородности слитка. В настоящее время для получения штрипса с резаными кромками применяют полуспокойные стали , а также химически закупоренную сталь с содержанием марганца.

Условия нагрева штрипса оказывают большое влияние на качество сварки. Основная особенность нагрева штрипса при непрерывной печной сварке — неравномерное распределение температуры по сечению. Кромки штрипса нагревают до температуры, которая значительно выше, чем температура его середины, благодаря чему можно создавать более высокое давление в сварочном калибре и тем самым повысить качество сварки. Более низкая температура в средней части способствует также сохранению прочности штрипса, достаточной для того, чтобы он выдержал усилие растяжения, которому подвергается при транспортировке через печь.

При движении штрипса через  печь могут происходить его обрывы. Как правило, обрывы происходят в зоне максимального нагрева или у первой пары валков формовочно-сварочного стана. Причинами обрыва могут быть: пережог штрипса; некачественный стык концов штрипсов; местные дефекты штрипса (расслой, закаты, включения, надрезы и т. п.); резкое увеличение скорости прокатки.

Для восстановления нормального процесса производства необходимо освободить печь от оборванного штрипса и заправить ее снова. После этого у переднего конца штрипса обрезают передвижными ножницами углы и приваривают к нему на стыкосварочной машине «иглу» (длинный стержень). Задающим механизмом иглу проталкивают через печи. Дальнейшее перемещение иглы и штрипса осуществляется канатной лебедкой. После прохождения через формовочно-сварочный стан летучие ножницы отрезают иглу от штрипса и стан переходит на непрерывный режим работы .

Для улучшения качества сварки целесообразно иметь больший перепад температуры между кромками и серединой штрипса. Это можно достигнуть путем применения острофакельных горелок и увеличения скорости нагрева, т. е. созданием возрастающего режима нагрева (от входа и выхода). Однако это приводит к значительному сокращению срока службы огнеупоров. В настоящее время в нагревательных печах применяют равномерный режим нагрева и поддерживают в них нейтральную атмосферу, что обеспечивает более качественную сварку.

Шов на трубах непрерывной печной сварки имеет вид продольного углубления на внутренней поверхности. На наружной поверхности углубление встречается реже. Углубление является следствием непровара кромок штрипса по высоте и имеет размеры: ширину от 0,2 до 1,5 мм и по глубине от 0,3 до 0,5 мм. Продолжением непровара является включение окалины, которая может располагаться на глубину до 0,3 мм. Суммарную степень непровара (сумма глубин наружной и внутренней канавок и плюс сумма длин включений окалины) оценивают в процентах от номинальной толщины стенки трубы. Практически степень непровара колеблется в пределах от 2 до 30%.

Редуцирование труб значительно уменьшает степень непровара и тем самым повышает прочность сварных труб. При редуцировании не уменьшается лишь количество включений окалины в шве, зависящее от режима обдувки

При повышении температуры  сварки прочность шва увеличивается  только до определенной предельной температуры, зависящей от состава стали. При  превышении этой температуры начинается частичное расплавление более легкоплавких структурных составляющих стали, что делает невозможным сварку давлением без расплавления поверхности свариваемых кромок. Область температур печной сварки труб в стык, ограниченная условиями процесса (возможной неравномерностью нагрева, достигаемым сварочным давлением и состоянием кромок), значительно меньше области температур обычной сварки под давлением.

После выхода трубы из редукционного  стана происходит вторичное ускоренное охлаждение трубы в камерах с душирующими устройствами от 1050 до 850 °С. Вторичное охлаждение нужно для того, чтобы избежать значительного образования окалины после калибровки трубы. Далее трубы поступают на автоматические поточные линии отделки — порезки на мерные длины и нарезки (накатки) резьбы на концах трубы. Часть труб проходит горячее цинкование. Водогазопроводные трубы подвергают технологическому испытанию на загиб и гидравлическому испытанию. Обычно водогазопроводные трубы испытывают на гидравлическое давление.

Для обеспечения безопасной работы на стане непрерывной печной сварки труб наряду с общими правилами по технике безопасности необходимо, чтобы:

1) стыкосварочная машина и пилы  для резки труб были снабжены  защитными экранами для предупреждения  ожогов работающих разлетающимися  искрами;

2) яма петлеобразователя имела  надежное ограждение. Подающее устройство должно иметь блокировку, исключающую возможность разрыва ленты;

3) петлевые столы были огорожены  предохранительными барьерами по  низу на высоту не менее  чем 300 мм

4) вентиляторы для подачи дутья  в печь и воздуходувки, подающие воздух для обдувки кромок, были установлены в отдельном помещении для уменьшения шума в цехе;

5) на формовочно-сварочном стане  применялась водяная завеса как  защита оператора от теплового  излучения, а также для предупреждения  разметания искр при обдувке кромок;

6) пила резки труб имела ограждение, представляющее собой разборную  металлоконструкцию с сетчатой  крышкой. Входная дверь ограждения  должна быть сблокирована с  главным приводом летучей пилы  так, чтобы при открывании двери  пила автоматически останавливалась;

7) приемные устройства холодильников  исключали возможность вылета  и перекоса труб во время  передвижения к уборочному рольгангу.

Электросварка труб

Основными технологическими операциями при производстве труб электросваркой являются: формовка трубной заготовки, сварка и редуцирование (калибровка) сваренной трубы. Эти технологические операции связаны в один цикл и осуществляются непрерывно. Формовку листа (штрипса) осуществляют на непрерывных формовочных станах, имеющих клети с горизонтальными и вертикальными валками.

На этих станах кромки сформованной в трубу заготовки нагреваются  и свариваются. Далее производят редуцирование и калибровку трубы.

Станы для электросварки труб выполняют одни и те же технологические операции и различаются только по способу нагрева кромок. Так, на этих станах производят сварку: радиочастотную (ток радиотехнической частоты подводится как контактно, так и индуктивно); сопротивлением переменным током (контактный подвод тока с частотой 150—450 гц) индукционную (токами высокой частоты); сопротивлением постоянным током и дуговым нагревом кромок неплавящимся электродом.

Контактной электросваркой с нагревом кромок сваривают трубы диаметра 6—630 мм и толщиной стенки 0,5—8 мм, используемые главным образом в качестве конструкционных (до диаметра 168—219 мм) и нефтегазопроводных (диаметра более 114 мм). Очевидные преимущества этого метода —резкое расширение возможностей в трубоэлектросварочном производстве с точки зрения материалов, значительное увеличение скорости сварки уменьшение грата, возможность сварки труб из горячекатаной полосы, все это сделало целесообразным перевод большого числа действующих трубоэлектросварочных станов на сварку токами высокой частоты. Большинство из вновь введенных в эксплуатацию трубосварочных установок имеет высокочастотное сварочное оборудование.