Производство труб

 
 
 
2.2. Контактная сварка труб  
 
Основными технологическими операциями при производстве труб контактной электросваркой являются формовка трубной заготовки, сварка и редуцирование (калибровка) сваренной трубы. Эти технологические операции объединены в один цикл и проводятся непрерывно. 
 
Формовку листа (штрипса) производят на непрерывных формовочных станах с горизонтальными и вертикальными валками. На этих станах кромки сформованной в трубу заготовки нагреваются и свариваются. Далее производят редуцирование и калибровку трубы. 
 
Станы контактной электросварки труб различают по способу нагрева кромок. На этих станах производят сварку: радиочастотную (ток радиотехнической частоты подводится контактным или индуктивным способом); 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 диаметром 6–630 мм и толщиной стенки 0,5–8 мм, используемые главным образом в качестве конструкционных (диаметром до 168–219 мм) и нефтегазопроводных (диаметром более 114 мм). В 60-х годах прошлого века получило широкое распространение производство сварных труб с использованием для нагрева металла токов радиотехнической частоты. Преимущества радиочастотной сварки – расширение диапазона свариваемых металлов и сплавов, значительное увеличение скорости сварки (до 120 м/мин), уменьшение грата, возможность сварки труб из горячекатаной полосы. Это сделало целесообразным перевод большого числа действующих трубоэлектросварочных станов на сварку токами высокой частоты. Большинство из вновь введенных в эксплуатацию трубосварочных установок имеют высокочастотное сварочное оборудование. Применение тока частотой 450–500 кГц для сварки труб основано на том, что ток при этой частоте идет не по пути наименьшего омического сопротивления», а наименьшего индуктивного сопротивления. 
 
Ток высокой частоты подводится к кромкам трубной заготовки двумя способами: контактным и индукционным. На рис. 16 показаны схемы с контактным (а) и индукционным (б) подводом тока высокой частоты. Для увеличения индуктивности цепи периметра заготовки с целью концентрации тока в кромках заготовки внутрь заготовки вводят ферромагнитный (ферритовый) сердечник. 
 
При радиочастотной сварке труб электрический ток, проходящий по кромкам трубной заготовки, благодаря эффекту близости и поверхностному эффекту концентрируется непосредственно на соединяемых поверхностях. С увеличением частоты тока эффект близости и поверхностный эффект усиливаются, вследствие чего на кромках трубной заготовки достигается максимальная концентрация тока. Сварка труб токами радиотехнической частоты характеризуется высокой степенью концентрации энергии при нагреве металла, который происходит за десятые или даже сотые доли секунды. 
 
При радиочастотной, индукционной сварке и сварке сопротивлением используют одно и то же оборудование, за исключением сварочного узла, и технология получения электросварных труб включает одни и те же операции.

 
 
 
Электросварные трубы производят в поточной линии агрегатов (рис. 17). Все агрегаты стана по характеру технологических операций сгруппированы на трех основных участках: 1) подготовительной линии; 2) формовки, сварки и калибровки; 3) отделки труб. 
 
С разматывателя 1 лента с помощью тянущих роликов 2 поступает для правки на семи или девятироликовые лентоправильные машины 3. Передний конец выправленной ленты подается в гильотинные ножницы 4, где обрезаются смежные концы двух рулонов для ровного стыка их при сварке. Вслед за гильотинными ножницами установлена стыкосварочная машина 5 для контактной сварки оплавлением. На этой машине задний конец предыдущего рулона ленты сваривается с передним концом последующего рулона. Вслед за сварочной машиной размещен петлеобразователь 6 с передними и задними тянущими роликами. Создавая запас ленты определенной длины, петлеобразователь обеспечивает непрерывную работу формовочного и сварочного станов в период стыковки концов рулонов. 
 
После выхода из петлеобразователя полоса подается в дисковые ножницы 7, где обрезаются кромки в точном соответствии с требуемой расчетной шириной. Для обработки кромок применяется дробеструйная установка 8. На участке формовки, сварки и калибровки труб выполняются следующие технологические операции: формовка подготовленной ленты в трубную заготовку на непрерывном формовочном стане 9–11, сварка трубной заготовки в сварочном узле стана 12 и 13, удаление наружного грата 14, калибровка трубы по наружному диаметру 15, 16, правка 17 и разрезка на мерные длины 18.

 
 
Формовочный стан состоит из последовательно  расположенных клетей с горизонтальными  валками. В зависимости от размера свариваемых труб стан имеет от 5 до 12 клетей с горизонтальными валками, приводимыми во вращение от общего привода. Только станы, для получения труб большого диаметра (159–529 мм) имеют индивидуальный привод. Между клетями с горизонтальными валками устанавливают вертикальные неприводные валки. 
 
Все разнообразие калибровки валков формовочных станов определяется различными комбинациями ее основных четырех типов, показанных на рис. 18. 
 
Индукционную сварку труб применяют для производства водогазопроводных и конструкционных труб диаметром от 21,5 до 219 мм (от 1/2 до 8"). Для нагрева кромок трубной заготовки используют прямолинейные индукторы с магнитопро-водами, предназначенными для концентрации магнитного потока. Принципиальная схема индукционной сварки показана на рис. 19. Кромки трубной заготовки проходят в непосредственной близости к индуктору и нагреваются до сварочной температуры. Магнитный поток (на рис. 19 показан стрелками), создаваемый током индуктора, пересекает трубную заготовку перпендикулярно ее поверхности. Ток, индуктируемый в трубной заготовке, протекает вдоль ее кромок. Ток не проходит через стык кромок, поэтому создается возможность изготовлять индукционной сваркой трубы из горячекатаной полосы с катаными кромками без специальной обработки ее поверхности и торцов. Частота тока 2–8 кГц, скорость сварки достигает 60 м/мин.

 
 
После сварки на линии стана снимают  наружный грат устройством резцового типа. Внутренний грат удаляют только после контактной сварки сопротивлением оправкой (с резцом или роликом). После удаления грата труба охлаждается в специальных водяных холодильных установках и поступает на калибровочный стан, который обычно состоит из 3–4 клетей с горизонтальными валками и трех пар клетей с вертикальными валками. 
 
На современных трубосварочных станах широко применяют редуцирование труб. Поэтому вместо калибровочных устанавливают редукционно-калибровоч-ные станы с числом клетей до 26. 
 
Выходящую из стана трубу разрезают на мерные длины. Дальнейшая обработка труб производится на участке отделки, где трубы подвергают правке на трубоправильном стане, торцовке концов на торцовочных станках, испытанию на гидравлических прессах и, если необходимо, термической обработке. 
 
^

2.3. Дуговая сварка труб большого  диаметра 

 
Дуговой сваркой под слоем флюса  с прямым швом производят трубы диаметром 426–1220 мм, толщиной стенки 3–13 мм и длиной 6–12 м, а со спиральным швом – диаметром 426–2500 мм, толщиной стенки 3–15 мм и длиной 12–18 м. 
 
При изготовлении труб дуговой сваркой под слоем флюса с прямым швом в качестве исходной заготовки применяют горячекатаную листовую сталь мерной длины (6–12,5 м), а со спиральным швом – горячекатаную листовую сталь в рулонах. 
 
Технологический процесс изготовления прямошовных труб большого диаметра состоит из трех стадий: подготовки и формовки листа, сварки труб и их отделки (рис. 20). Со склада металла пакет листов подают мостовым краном на стеллажи листоукладчика, расположенные по обеим сторонам приемного рольганга (такое расположение их позволяет во время работы одного стеллажа укладывать листы на другой стеллаж). Магниты кран-балки снимают со стеллажей из стопы по одному листу и опускают его на ролики рольганга, которыми лист задается в девятивалковую правильную машину 1. После правки лист поступает на транспортер первого кромкострогального станка 2. На этом станке придают параллельность продольным кромкам листа. По выходе из первого кромкострогального станка лист транспортером передается во второй кромкострогальный станок, который снимает с каждой стороны листа по 4 мм припуска, придает листу точную ширину и скашивает продольные кромки под углом 45°; с нижней стороны листа оставляется притупление на 4–5 мм. В случае необходимости обрезают передний и задний концы листов на гильотинных ножницах 3 с нижним резом, имеющих усилие 0,60 МН (60 тс). Затем лист поступает в дробеметную установку 4, где продольные кромки очищают от окалины на ширине около 70 мм одновременно с верхней и нижней сторон. Зачистка кромок производится струёй чугунной дроби. 
 
После этого лист задается рольгангом на трехклетевой валковый кромкогибочный стан 5. На стане совершается подгибка кромок листа по радиусу, близкому к радиусу готовой трубы. 
 
Лист корытообразной формы двухленточным транспортером подается в гидравлический пресс 6 предварительной формовки усилием 5–20 МН (500–2000 тс), в котором ему придается U-o6разная форма за один ход траверсы. Затем эта заготовка рольгангом задается в пресс 7 усилием 60–170 МН (6000–17000 тс) для окончательной формовки. 
 
С рольгангов-аккумуляторов трубная заготовка передвижным рольгангом передается на приемный рольганг непрерывных станов 8 наружной сварки труб, расположенных в три линии. Каждый стан состоит из пяти двухвалковых клетей (две с вертикальными и три с горизонтальными валками) и одной сварочной. Сварочная клеть, находящаяся под сварочной головкой, удерживает кромки. Внутри свариваемой трубы (рис. 21) помещена оправка с установленным на ней башмаком. Медные пластины башмака образуют гусеницу, которая поджимает в процессе сварки жидкую ванну с внутренней стороны и препятствует протеканию металла. Сварка ведется двумя дугами, горящими в одну ванну. Электроды установлены под углом 60° к образующей трубы. Наружную сварку ведут со скоростью 160 м/ч под слоем флюса марки АН-60 (49% марганцевой руды, 38% кварцевого песка, 13% плавикового шпата). 
 
После окончания наружной сварки к переднему и заднему концам трубы приваривают планки 9 (см. рис. 20), которые предназначены для зажигания дуги и окончания процесса сварки. Затем трубы поступают на один из пяти станов 10 для

 
 
наложения внутреннего шва. Затем  концы труб обрезают на станке 11. После этого по транспортному рольгангу они поступают к станкам 12 для зачистки сварочных швов на их концах (с наружной и внутренней сторон). 
 
На комбинированном гидравлическом прессе-экспандере 13 производят целый комплекс операций: калибровку, правку и упрочнение, а также раздачу трубы внутренним гидравлическим давлением и гидравлическое испытание трубы. Давление экспандирования находится в пределах 8–15МН/м² (80–150 aтм). Такой пресс является наиболее надежной машиной для испытания качества сварного шва. Окончательная технологическая операция – снятие фасок с торцов труб на труборезных станках 14. 
 
Рассмотренную технологию применяют и для производства прямошовных труб из двух листов путем формовки их на прессах с последующей сваркой. 
 
Спиральная сварка позволяет использовать лист одной ширины для производства труб различного диаметра. Перевод стана спиральной сварки для изготовления труб другого диаметра требует минимального времени. Длина получаемых труб практически не ограничена. Непрерывность процесса, минимальные производственные площади, небольшое число обслуживающего персонала невысокая производительность труда сделали этот способ сварки наиболее прогрессивным для получения труб большого диаметра. Трубы обладают высокой конструктивной прочностью – на 20–40% выше прямошовных. Станы спиральной сварки труб высоко мобильны и могут быть установлены непосредственно на строительной площадке. Спиральной сваркой могут быть изготовлены трубы с отношением D/S  100. К недостаткам спиральной сварки следует отнести большую протяженность сварного шва и меньшую скорость сварки.³

 
 
Формовка трубной заготовки осуществляется путем пластического изгиба полосы в плоскости, расположенной под некоторым углом a к продольной оси листа (рис. 22). 
 
Ширина (^ В) полосы, свернутой в спираль под углом a, в зависимости от диаметра трубы (D) равна В p= Dsin×a = Lsin×a, где L – периметр трубы по спирали. 
 
Изгиб полосы и последующая навивка ее по спирали совершается в специальном формующем устройстве. Угол спирали a = arcsin Bp/D. 
 
В практике угол a изменяется в пределах 18–50°. Формующее устройство смонтировано на опорно-поворотной раме, поворотом которой устанавливают угол формовки относительно центра вращения. На опорно-поворотной раме, кроме формующего устройства, находятся: направляющий люнет для удержания выходящей из формующего устройства трубы, сварочная аппаратура и летучий отрезной станок. 
 
Лист прокатывают на непрерывных станах 1700. На станы спиральной сварки труб он поступает в рулонах массой 8–15 т.

 
 
Со склада рулоны подают на приемный рольганг разматывателя. С помощью подающих роликов лист задается в девятивалковую правильную машину. После правки лист поступает для поперечной резки на ножницы гильотинного типа. Стыковка концов двух полос совершается на стыкосварочной машине. При этом задний конец предыдущей полосы удерживается подающими роликами, расположенными за стыкосварочной машиной, 
 
Тянущие ролики могут перемещаться в направлении, перпендикулярном продольной оси листа для совмещения стыкуемых полос. Передний конец последующей полосы зажимается в стыкосварочной машине. После совмещения стыков происходит сварка концов. Затем тянущие ролики заполняют петлевую яму ускоренной подачей. Полоса вытягивается из петлевой ямы, протягивается через неприводные дисковые ножницы и подается в формующее устройство подающей машиной. При этом необходимое давление на ролики между тянущими роликами создается гидравлическими цилиндрами. Перед подающей машиной и после полоса удерживается роликовыми проводками или плитами. 
 
В зависимости от диаметра труб используют лист следующей ширины и толщины: 
 
Диаметр трубы, мм ..... 530 630 820 1020 1220 1420 
 
Ширина листа, мм ...... 1100 1200 1600 1600 1600 1600 
 
Толщина листа, мм ...... 4–9 5–9 6–12 8–12 11–12 11–14 
 
Для сварки применяют три сварочные головки. Применяют ту же схему дуговой сварки под слоем флюса того же состава, что и при сварке труб с прямым швом. Кромки полосы при их сближении в процессе формовки сваривают вначале внутренней сварочной головкой. Наружную сварку выполняют через полвитка спирали в верхней точке трубы. Еще через полвитка в нижней точке трубы производят вторую внутреннюю сварку. Наружная сварка совершается двумя электродами, один из которых питается постоянным током, а другой – переменным. Сваренную трубу режут на длины 8–14 м летучим отрезным станком, оборудованным двумя механизированными кислородными резаками. Готовые трубы проходят испытание на гидравлических прессах с манжетным уплотнением, без осевого сжатия. Трубы, изготовленные на станах спиральной сварки, не нуждаются в дополнительной правке и калибровке концов. 
 
^

3. Производство холоднодеформированных  труб

 
Холоднодеформированные трубы, изготовляемые  холодной прокаткой и волочением из горячекатаной, сварной или прессованной трубной заготовки, отличаются высокой точностью размеров и хорошим качеством поверхности. 
 
Обычно холодной прокаткой и холодным волочением получают стальные трубы диаметром 1,0–200 мм и толщиной стенки 0,1–12 мм. В некоторых случаях применяют холодную прокатку труб значительно большего диаметра (до 250–450 мм) и холодное волочение труб диаметром до 0,3 мм. Трубы из цветных металлов и сплавов холодной прокаткой и волочением изготовляют диаметром 0,35–360 мм и толщиной стенки 0,05–10,0 мм, а также фасонные трубы: овальные, квадратные, восьмигранные, звездообразные, ребристые и др. 
 
Холодную прокатку тонкостенных труб производят на станах периодического действия, сокращенно называемых станами ХПТ. Процесс холодной прокатки труб аналогичен процессу горячей пилигримовой прокатки. Холодную прокатку, ведут двумя рабочими валками, которые вместе с рабочей клетью совершают возвратно-поступательное движение (при горячей пилигримовой прокатке рабочая клеть неподвижна, а гильза совершает возвратно-поступательное движение), при этом валки одновременно совершают и возвратно-качательное движение (рис. 23). В валках закреплены сменные калибры, имеющие ручей переменного сечения. Очаг деформации приближенно можно представить как усеченный конус, диаметры оснований которого равны диаметрам заготовки и готовой трубы, а высота (длина) конуса равна ходу валков. Усеченный конус – это развертка ручья калибров. Прокатку ведут на неподвижной конической оправке. Когда валки находятся в крайнем левом положении I (заднее положение), заготовка подается на величину m = 3–25 мм (в зависимости от сортамента и режимов деформации), в крайнем правом положении валков II (переднее положение) происходит только поворот трубы на угол 60–90°. Конструкция некоторых станов позволяет осуществлять двойной поворот, т. е. дополнительный поворот производится одновременно с подачей в заднем положении клети. Поданный объем металла раскатывается за двойной ход валков (рабочей клети). Когда валки снова займут крайнее левое положение (заднее положение), вновь происходит подача и цикл повторяется. За каждый цикл получают отрезок готовой трубы, равный произведению подачи m на суммарную вытяжку . Для процесса холодной прокатки труб характерна высокая пластичность металла, что позволяет деформировать металл с 80–90%-ной степенью деформации (с вытяжкой до 10) без промежуточной термической обработки и тем самым сократить цикличность при производстве холоднодеформированных труб. Холодной прокатке подвергают главным образом трубы из нержавеющих и высоколегированных сталей, малопластичных металлов и сплавов, а также трубы ответственного назначения. Холодной прокаткой получают трубы, точные по геометрическим размерам с внутренней и наружной поверхностью высокого качества. 
 
Стан ХПТ состоит из рабочей клети, главного привода, механизмов подачи и поворота трубы, системы смазки и управления. 
 
Кинематическая схема стана показана на рис. 24. От электродвигателя 1 вращение через главный редуктор 2 передается на кривошипно-шатунный механизм 3. который сообщает рабочей клети 4 возвратно-поступательное движение. Одному полному обороту кривошипа соответствует двойной ход рабочей клети: в направлении выхода готовой трубы – прямой ход и в обратном направлении – обратный ход. Вращение валков 5 происходит с помощью ведущих шестерен 6, находящихся в зацеплении с неподвижными зубчатыми рейками 7. Угол разворота валков зависит от диаметра начальной окружности ведущей шестерни, параметров кривошипно-шатунного механизма. На действующих станах угол разворота составляет 157–214°. От главного редуктора 2 вращение передается на редуктор 8 кулачкового механизма 9 подачи и поворота. Этот механизм сообщает системе 10 рычагов прерывистое движение, которое передается винту 11 подачи и валу 12 поворота трубы. В крайнем заднем положении рабочей клети происходит подача и поворот трубы» в крайнем переднем положении – поворот ее. Механизм 13 предназначен для ускоренного отвода винта подачи, а механизм 14 – для установки и отвода стержня крепления оправки. 
 
Типоразмер стана обозначают по максимальному наружному диаметру прокатываемой трубы. В настоящее время эксплуатируют станы следующих типоразмеров: ХПТ32, ХПТ55, ХПТ75, ХПТ90, ХПТ120 и ХПТ250. 
 
Процесс волочения труб рассмотрен в разделе «Волочильное производство».