Производство труб

ПРОИЗВОДСТВО ТРУБ 
 
 
Бесшовные и сварные трубы. 
 
Трубы для магистральных трубопроводов (для транспортировки жидких, газообразных и сыпучих продуктов) изготовляют электросваркой с прямым или спиральным швом. 
 
Водо-газопроводные трубы имеют наиболее массовое потребление, должны быть дешевыми – непрерывная печная сварка. Газопроводные трубы выпускают также оцинкованными с цилиндрической или конической резьбой на концах для соединения их муфтами. 
 
Нефтяные трубы (обсадные, бурильные, насосно-компрессорные) используют в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности (крекинговые, нефтепроводные и др.) – изготовляют бесшовными из углеродистой и легированной стали. 
 
Трубы для теплоэнергетических установок выполняют бесшовными из углеродистой, легированной и высоколегированной (коррозионностойкой и жаропрочной) сталей. 
 
Трубы для химической промышленности используют в различных аппаратах и установках, и в зависимости от условий эксплуатации – бесшовные или сварные. 
 
В машиностроении, авиации, автотракторостроении, в гражданском и промышленном строительстве и других отраслях народного хозяйства широко используют конструкционные трубы из разных сталей, цветных металлов и сплавов – бесшовные или сварные. 
 
^

1. Горячая прокатка труб

 
Горячей прокаткой получают трубы в основном из углеродистых сталей марок 10–45 и Ст.2–Ст.6 и легированных – ШХ15, 30XГCA, 40Х, 30ХМА, 12Х1М1Ф, Х5М, Х5ВФ; из нержавеющих – стали Х18Н10Т, Х17Н13М2Т, Х25Т. Бесшовные трубы изготовляют в широком диапазоне размеров: диаметром от 25 до 550 мм и толщиной стенки 2,5–30 мм и более. 
 
Основные стадии процесса горячей прокатки труб – прошивка заготовки (слитка) в толстостенную гильзу и раскатка гильзы. В результате раскатки формируется труба с определенной толщиной стенки, а дальнейшие технологические операции (обкатка, калибровка) необходимы для придания трубе точности геометрических размеров и качества поверхности. 
 
^

1.1. Технология прокатки труб  по различным схемам

 
Любой трубопрокатный агрегат должен иметь два стана – прошивной  и раскатной. Кроме указанных станов, на современных агрегатах устанавливают станы для калибровки труб по диаметру, а при изготовлении труб малого диаметра – редукционные станы. В отдельных технологических схемах предусматривают установку обкатных станов, предназначенных для раскатки поверхностных дефектов. 
 
Используемые способы раскатки гильзы в трубу определяют принципиальные особенности той или иной технологической схемы, согласно которой трубопрокатный агрегат носит наименование. Кроме того, оно дополняется еще цифровым обозначением, соответствующим сортаменту стана – максимальному и минимальному или только максимальному диаметру труб. Горячей прокаткой изготовляют трубы четырьмя основными способами на агрегатах: 
 
1) с автомат-станом (прошивку ведут на стане поперечно-винтовой прокатки, а раскатку гильзы – на автомат-стане); 
 
2) с пилигримовыми станами (прошивку ведут на стане поперечно-винтовой прокатки или на прессе, а раскатку – на пилигримовом стане); 
 
3) с трехвалковым раскатным станом (прошивку ведут на стане поперечно-винтовой прокатки или (редко) на прессе, а раскатку – на трехвалковом стане поперечно-винтовой прокатки); 
 
4) с непрерывным станом (прошивку ведут на стане поперечно-винтовой прокатки или на прессе, а раскатку – на непрерывном стане). 
 
При перечисленных способах производства прошивку, как правило, осуществляют на станах поперечно-винтовой прокатки и значительно реже для этой цели используют прессы.  
 
В табл. 1 приведены данные о распределении деформации между двумя основными операциями – прошивкой и раскаткой гильзы. Эти данные показывают, что при изготовлении труб на установках с автомат-станом основную деформацию производят при прошивке, а при других способах большая деформация на раскатку. Особенно резкое различие наблюдается между агрегатами с автомат-станом и пилигримовым. При пилигримовой прокатке совершается основная часть деформации, и в данном случае при прошивке можно получать толстостенную гильзу. Это в значительной мере определяет возможность использования для изготовления труб слитков, подвергаемых лишь небольшой деформации поперечно-винтовой прокаткой. 
 
Агрегаты с автомат-станом и пилигримовым станом являются наиболее универсальными: на них можно получать более тонкостенные трубы и трубы с очень толстой стенкой. Два других способа прокатки имеют более узкую специализацию: на агрегатах с непрерывным станом прокатывают только тонкостенные трубы, а на агрегатах с трехвалковым раскатным станом – только толстостенные. Наиболее широкое распространение получили агрегаты с автомат-станом. 
 
В зависимости от сортамента прокатываемых труб агрегаты делят на три типа: малые – для труб диаметром до 150 мм, средние для труб диаметром до 250 мм и большие – для труб диаметром до 530 мм.

Таблица 1

^

Распределение деформации и характеристика сортамента

 
при разных технологических схемах производства труб

 
*D—наружный диаметр трубы; S — толщина стенки. 
 
 
Производственная мощность агрегатов с автомат-станом составляет, тыс. т/год: 
 
малых – 100–120, средних – 200–250, больших – 400. 
 
Технологический процесс на агрегатах с автомат-станом протекает в следующей последовательности. Круглые заготовки поштучно загружают в кольцевую печь. Нагретые до 1180–1240°С (в зависимости от марки стали) заготовки по транспортному рольгангу поступают к прошивному стану, имеющему боковую выдачу гильз. По наклонной решетке гильза перекатывается к автомат-стану. При прокатке на автомат-стане толщину стенки, равную стенке готовой трубы, получают за два прохода. После прокатки труба по наклонной решетке поступает к одному из двух обкатных станов. Прокатка на автомат-стане с использованием неподвижной оправки вызывает появление продольных рисок на внутренней поверхности трубы. Эти риски (полностью или частично) устраняются разглаживанием поверхности трубы поперечно-винтовой прокаткой на оправке (обкатка). Одновременно обкатка несколько уменьшает поперечную разностенность. При этом диаметр трубы несколько увеличивается. Принцип работы обкатных станов такой же, как и прошивных. После обкатки труба поступает на калибровочный или редукционный станы и далее на отделку (правку, порезку на мерные длины, иногда термическую обработку и т. д.).  
 
^ На агрегатах с пилигримовым станом применяют следующую технологи-ческую схему (рис. 1): на прессе производят прошивку, а затем на стане-элонгаторе и на пилигримовом стане – прокатку. 
 
Исключение из этой технологической схемы операции прошивки на станах поперечно-винтовой прокатки заметно повышает качество труб, при этом предотвращается брак по внутренним пленам. Кроме того, создаются благоприятные условия для расширения сортамента, т. е. для прокатки труб из высоколегированных сталей.

 
 
По размерам выпускаемых труб агрегаты с пилигримовым станом условно делят  на три типа: малые – для труб диаметром < 120 мм, средние – для труб диаметром до 326 мм и большие – для труб диаметром до 665 мм. По составу оборудования агрегаты всех трех типов аналогичны, малые агрегаты дополнительно оборудуют редукционными станами. 
 
Технологический процесс включает нагрев слитков в двух кольцевых печах до 1220°С и подачи их по рольгангу к прессу. Прошитую гильзу сначала прокатывают на элонгаторе, а затем – в одной из двух пилигримовых клетей. У прокатанных труб отрезают передний и задний (пилигримовая головка – недокат) концы на салазковых пилах, установленных за каждой пилигримовой клетью. Далее трубы поступают в подогревательную печь и на калибровочный стан. В составе агрегата имеются также правильные станы для правки труб в горячем состоянии. Производительность агрегатов, тыс. т/год: средних – до 300; больших – до 370. 
 
^ На агрегатах с непрерывным станом трубы прошивают на валковом прошивном стане, получая гильзы диаметром 136 мм и с малым диапазоном толщины стенки. Кроме того, на непрерывном стане прокатывают трубы одного диаметра 108 мм. Благодаря применению оправок разного диаметра можно получать на нем трубы с разной толщиной стенки – от 3 до 8 мм. 
 
Непрерывный стан имеет 9 клетей. Труба с оправкой выходит из непрерывного стана со скоростью до 6 м/сек. С выводного рольганга труба с оправкой шлепперами перемещается к одному из двух оправкоизвлекателей. Для расширения сортамента труб в потоке агрегата установлены два редукционных стана, работающих с натяжением. Один стан имеет 11 рабочих клетей и его иногда называют калибровочным; другой стан состоит из 19 клетей. На одиннадцатиклетевом стане получают трубы диаметром 73–102 мм, а на девятнадцатиклетевом – 30–68 мм. Трубы перед редуцированием нагревают в высокочастотной подогревательной печи до 1000°С. Производительность установки с непрерывным станом превышает 400 тыс. т/год. 
 
При производстве труб на агрегатах с трехвалковым раскатным станом используют обычно прошивные станы поперечно-винтовой прокатки. 
 
Типовой агрегат с трехвалковым станом состоит из нагревательной печи (обычно кольцевой), прошивного стана поперечно-винтовой прокатки, трехвалкового раскатного стана, оправкоизвлекателя, подогревательной печи и трехвалкового калибровочного стана поперечно-винтовой прокатки. Таким образом, все три стана (прошивной, раскатной и калибровочный) – являются станами поперечно-винтовой прокатки. Достоинство агрегата состоит в высокой точности получаемых труб (допуски на диаметр и толщину стенки в 2–2,5 раза меньше, чем на других агрегатах), что особенно эффективно для труб, подвергающихся в дальнейшем механической обработке. На агрегате, в частности, прокатывают трубы из стали ШХ 15, предназначенные для колец подшипников качения. 
 
^

1.2. Прошивка заготовки

 
При прошивке на стане поперечно-винтовой прокатки заготовке одновременно сообщается вращательное и поступательное движение под некоторым углом к оси валков (рис. 2, а). Угол перекоса оси валков b = 5–17°, поэтому осевое перемещение заготовки за каждый ее оборот невелико, и обжатие по диаметру заготовки за полуоборот составляет всего 1–3%. Вследствие этого поперечно-винтовая прокатка протекает в условиях неравномерной деформации, и из-за появления дополнительных напряжений в центральной части заготовки схема напряженного состояния металла близка к объемной схеме растяжения. Центральная часть заготовки деформируется вынужденно под действием периферийных обжимаемых слоев. Напряженное состояние – объемное растяжение в центральной части заготовки – делает возможным прошивку в ней отверстия при значительном снижении усилия прошивки. 
 
При поперечно-винтовой прокатке удельное усилие прошивки в десять и более раз меньше, чем при прошивке такой же заготовки на прессах, так как при прессовании схема напряженного состояния – объемное сжатие. При определенной степени деформации, называемой критической, может произойти разрыв металла в сердцевине под действием растягивающих напряжений. Процесс прошивки ведут таким образом, чтобы величина обжатия заготовки валками до встречи ее с оправкой не превышала критического значения, при котором происходит разрушение осевой зоны. Преждевременное вскрытие полости перед оправкой из-за превышения критического обжатия приводит к получению некачественной внутренней поверхности гильзы – разрывам, трещинам и пленам. Практически при прошивке заготовок из углеродистых сталей относительное обжатие по диаметру перед оправкой составляет 8–12%, а для заготовок из высоколегированных сталей 5–8%. 
 
Применяют прошивные станы с валками трех видов (см. рис. 2): с бочковидными (а), дисковыми (б) и грибовидными (в). На всех этих станах по мере своего продвижения заготовка обжимается валками и прошивается в гильзу с внутренним диаметром, близким по величине к диаметру оправки. Наибольшее распространение получили прошивные станы с бочковидными валками. Современные рабочие клети (рис. 3) имеют массивную литую станину коробчатой формы со съемной крышкой. Внутрь станины закладывают пустотелые цилиндрические барабаны с проемами, в которых помещены подушки рабочих валков. Барабаны могут поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной оси прошивки, изменяя тем самым угол наклона валков к оси прошивки. Этот угол называют углом подачи, так как он обеспечивает поступательное движение (подачу) заготовки в процессе прошивки.

 
 
В отечественных конструкциях прошивных  станов барабаны могут поворачиваться на угол от 0 до 90°, что значительно  упрощает их перевалку – нет необходимости извлекать барабаны из станины. Установив барабаны так, чтобы валки находились в вертикальном положении, кассеты с валками извлекают из барабанов через окна в крышке станины. Рабочие валки крепятся в кассетах на конических роликоподшипниках, помещенных в стаканы и защищенных от попадания окалины. Кассеты с валками перемещаются по направляющим барабанов с помощью нажимных винтов. Каждый валок имеет самостоятельный механизм перемещения нажимных винтов, состоящий из двух червячно-цилиндрических редукторов, передающих вращение от одного электродвигателя. Для удержания (фиксации) заготовки в вертикальной плоскости используют направляющие линейки. Нижняя линейка (неподвижная проводка) установлена стационарно в линейкодержателе. Верхняя линейка закреплена к фасонной траверсе, которая может перемещаться вверх или вниз с помощью механизма, установленного на крышке станины.

 
 
Привод рабочих валков прошивного стана находится, со стороны подачи в них заготовки и состоит  из электродвигателя, шестеренной клети и шарнирных шпинделей. Мощность двигателя в зависимости от размеров заготовки и скорости прошивки составляет 1000–4000 кВт. 
 
При поперечно-винтовой прокатке вектор окружной скорости валка w можно разложить на две составляющие (рис. 4), которыми будут (применительно к бочковидным валкам): тангенциальная, сообщающая заготовке вращательное движение: , и осевая (поступательное движение): , 
 
где ^ D_x – диаметр валка в рассматриваемом сечении; п – скорость вращения валков. 
 
По мере продвижения заготовки в очаге деформации площадь ее сечения уменьшается, поэтому скорость металла непрерывно возрастает. Скорость валков изменяется незначительно. В связи с этим поперечно-винтовая прокатка сопровождается скольжением металла относительно поверхности валков. Коэффициенты осевого (h₀) и тангенциального (h_т) скольжения есть отношения тангенциальной и осевой скорости заготовки к соответствующим составляющим окружной скорости валков. Тогда тангенциальную скорость гильзы можно выразить, как , откуда .