КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПОСОБОВ ПРОИЗВОДСТВА ТРУБ

Трубное производство — завершающий передел металлургического производства. Из сортовой и листовой заготовки в трубных цехах изготовляют изделия широкой номенклатуры для нефтяной и газовой промышленности, тепловой и атомной энергетики, машиностроения, строительства, сельского хозяйства и др. Все трубы подразделяются на две основные группы: бесшовные и сварные. Каждая из них в зависимости от способа производства подразделяется на две подгруппы: трубы бесшовные горяче и холоднокатаные, трубы газо и электросварные. В последнее время все более широкое применение находят также сварные холоднодеформированные трубы.

Горячей прокаткой производят трубы диаметром от 16 до 1200 мм из углеродистых, легированных и высоколегированных сталей и сплавов, а также многослойные трубы.

В зависимости от свойств металла заготовки, размеров и требований к качеству труб горячую прокатку осуществляют несколькими способами, каждому из которых присущи свои технологические преимущества и недостатки. Однако независимо от применяемого способа схема производства горячекатаных бесшовных труб включает следующие основные технологические операции: нагрев заготовки, получение полой гильзы, подогрев гильзы (при необходимости), получение трубы промежуточных размеров (раскатка гильзы в трубу), подогрев трубы (при необходимости), окончательную формовку трубы по диаметру и толщине стенки.

Виды производства горячекатаных бесшовных труб классифицируют по трем главным отличительным особенностям:

1. По способу получения гильзы: прошивкой в косовалковом стане или на прессе, сочетанием прошивки на прессе с раскаткой на косовалковом стане, прессововалковой прошивкой.

2. По способу раскатки гильзы в трубу: продольной прокаткой на стационарно установленной короткой оправке (автоматические станы); периодической прокаткой на длинной плавающей конической оправке с порционной подачей металла в валки (пилигримовые станы); продольной прокаткой на длинной цилиндрической плавающей, удерживаемой или частично удерживаемой оправке в многоклетевом стане (непрерывные станы); винтовой прокаткой на длинной плавающей оправке в косовалковом стане (раскатные станы); проталкиванием стаканов при помощи дорна через ряд уменьшающихся в диаметре роликовых обойм или калибровколец (реечные станы); выдавливанием металла в кольцевую щель, образуемую матричным кольцом и стационарно установленной оправкой (трубопрофильные прессы); поперечной прокаткой на неподвижной оправке в конических валках, установленных во вращающейся обойме (планетарные станы).

3. По способу окончательного формирования диаметра и толщины стенки готовой трубы: прокаткой в калибровочном, редукционном или редукционнорастяжном станах; сочетанием обкатки трубы в раскатном косовалковом стане с прокаткой в калибровочном или редукционном станах; сочетанием прокатки в редукционнорастяжном стане с обкаткой в косовалковом раскатном стане и прокаткой в калибровочном стане; прокаткой на станахрасширителях.

Первый и третий отличительные признаки могут сочетаться с любым из способов раскатки гильзы в трубу, поэтому они в большей степени характеризуют не способ производства, а технологические особенности и возможности конкретной трубопрокатной установки.

Наиболее полно процесс производства бесшовных труб характеризуется вторым отличительным признаком — способом раскатки гильзы в трубу, по которому трубопрокатные цехи и агрегаты получают соответствующее название.

Трубопрокатные агрегаты с автоматическим станом. Универсальность сортамента прокатываемых труб, большая маневренность, сравнительно высокая производительность и высокая степень механизации и автоматизации производственного процесса обусловили значительное распространение этих агрегатов в мировой практике трубного производства.

В зависимости от сортамента изготавливаемых труб агрегаты с автоматическими станами условно подразделяют на малые (для прокатки труб диаметром до 150 мм — ТПА 140), средние (для прокатки труб диаметром до 250 мм — ТПА 250) и большие (для прокатки труб диаметром до 426 мм и более — ТПА 400).

Трубопрокатные агрегаты с пилигримовым станом, являющиеся основными поставщиками толстостенных труб разного назначения, а также труб для нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности. В зависимости от сортамента изготавливаемых труб агрегаты с пилигримовым станом условно подразделяют на малые (для производства труб диаметром до 114 мм с минимальной толщиной стенки 2,5—4,0 мм и максимальной длиной до 60 м), средние (для производства труб диаметром 114—325 мм с минимальной тол шиной стенки 5—8 мм и максимальной длиной до 40 м) и большие (для производства труб диаметром до 700 мм с минимальной толщиной стенки 6—10 мм и максимальной длиной до 36 м).

Трубопрокатные агрегаты с непрерывным станом. Непрерывная прокатка наиболее перспективный высокопроизводительный способ производства горячекатаных труб. За последние 30 лет в нашей стране и других технически развитых странах введен в эксплуатацию ряд новых непрерывных трубопрокатных агрегатов.

На современных трубопрокатных агрегатах с непрерывным станом производят трубы диаметром от 16 до 350 мм с толщиной стенки 2—25 мм преимущественно из углеродистых и низколегированных, а иногда и высоколегированных сталей. Ведутся исследовательские работы, направленные на создание агрегатов с непрерывным станом для изготовления труб диаметром до 500 мм.

Трубопрокатные агрегаты с трехвалковым раскатным станом. Эти установки применяют для прокатки сравнительно толстостенных труб высокой точности из углеродистых и легированных сталей. Сортамент таких агрегатов включает трубы диаметром от 40 до 200 мм с толщиной стенки в пределах 0,25—0,09 диаметра. Основная продукция агрегатов с трехвалковым станом — трубы из стали ШХ15 для колец подшипников.

Так как основные станы агрегата — прошивной, раскатной и калибровочный — станы винтовой прокатки, переход к прокатке труб другого размера осуществляют без замены валков. По этой причине агрегаты с трехвалковым раскатным станом высокоманевренны. Однако по производительности они уступают агрегатам с непрерывными оправочными станами.

Трубопрокатные агрегаты с реечным станом. Эти агрегаты предназначены для изготовления тонкостенных труб сравнительно небольшого диаметра (обычно до 245 мм). Исходным материалом для агрегатов такого типа служит квадратная заготовка после прокатки или с установок непрерывной разливки стали.

Способ производства бесшовных труб на агрегатах с реечным станом старого типа не получил широкого распространения. Первые такие агрегаты имели нагревательную печь, гидравлический пресс, реечный стан с кольцами, обкатную машину, устройство для извлечения дорнов, печь для подогрева дорнов, пилу для обрезки донышек и калибровочный стан. Они были мало механизированы, конструкция оборудования не позволяла изготовлять трубы длиной более 4 м. Прокатанные на них трубы имели низкое качество наружной поверхности и высокую себестоимость вследствие большого расхода металла.

В последние десятилетия за рубежом осуществлена модернизация ряда агрегатов с реечным станом. Особенностью новых технологических схем является применение косовалкового прошивного стана, или элонгатора, вместо прошивного пресса, а также реечного стана, с роликовыми обоймами. Такая схема позволяет значительно уменьшить разностенность получаемых стаканов, увеличить вытяжку и улучшить качество наружной поверхности труб. На этих установках производят трубы диаметром 21—245 мм с толщиной стенки 2,5—10 мм и длиной до 12 м из углеродистой и легированной сталей.

Трубопрокатные агрегаты с трубопрофильными прессами. На них изготовляют трубы диаметром от 12,7 до 1220 мм. Трубы, произведенные прессованием на современных установках с гидравлическими прессами, обладают высокой точностью геометрических размеров и обычно укладываются в допуск по толщине стенки ±10 %. При необходимости эти пределы могут быть уменьшены до ±5—8 %. Этому способствуют концентричное расположение технологического инструмента и осесимметричная схема деформации.

Высокая точность выпускаемых труб, а также возможность изготовления труб полых и сплошных профилей сложной формы широкого сортамента (в том числе из малопластичных сталей и сплавов) со сравнительно высокой производительностью и возможность производства небольших партий труб с быстрым переходом с одного размера на другой предопределили целесообразность расширения производства труб на трубопрофильных прессах.

В мире работает более пяти установок с трубопрофильными прессами для изготовления профилей и труб широкого сортамента.

Холоднодеформированные трубы из разных сталей и сплавов в мировой практике выпускают в диапазоне размеров по наружному диаметру от 0, 3 до 450 мм и более и по толщине стенки от 0, 05 до 60 мм. По классификации государственных стандартов и межотраслевых технических условий холоднодеформированные трубы различают по типу применяемой заготовки для холодного передела (бесшовные и сварные), по способу изготовления готовых труб (катаные и тянутые), размерам (тонкостенные, особотонкостенные, капиллярные, большого диаметра и др.), форме (ребристые, профильные др.), материалу, качеству поверхности (безрисочные, электрополи рованные и др.) и назначению. Систематизация этих признаков по степени важности отсутствует, что затрудняет правильную оценку сложности и трудоемкости производственных процессов.

В зависимости от технических требований к готовым трубам, их сортамента, материала и других факторов процесса производства холоднодеформированные трубы различаются числом, последовательностью и режимами технологических операций, а также видом, типом, производительностью и числом используемого оборудования, расходными коэффициентами металла и, следовательно, техникоэкомическими показателями. С учетом этого процессы производства труб классифицируются на простые, комбинированные и сложные, в зависимости от технологических особенностей и удельных техникоэкономических показателей.

Простые процессы предназначены в основном для изготовления труб из углеродистых, легированных и нержавеющих сталей по действующим стандартам, не предусматривающим особых требований к поверхности и геометрическим размерам. Трубы изготовляют на агрегатах одного типоразмера для каждого вида обработки (деформации, термообработки, правки и т.п.). Процесс характеризуется сравнительно небольшим расходным коэффициентом металла (1,05—1,15), малой цикличностью обработки (до двух циклов), сравнительно низкими удельными капитальными и эксплуатационными затратами. К трубам, процесс получения которых может быть назван простым, относятся прежде всего нормальные и толстостенные трубы с наружным диаметром более 20 мм, если заготовками являются горячедеформирован ные трубы, а также тонко и особотонкостенные, если в качестве заготовки используются электро сварные трубы.

Комбинированные процессы предназначены для изготовления труб из углеродистых, легированных и нержавеющих сталей по действующим стандартам и техническим условиям, не предусматривающим особых повышенных требований к качеству и геометрическим размерам. Трубы изготовляют на агрегатах разных типоразмеров для каждого вида обработки, причем деформацию осуществляют несколькими способами (например, прокаткой и волочением). Процесс характеризуется повышенными расходными коэффициентами металла (1,15—1,6), значительной цикличностью обработки (более двух циклов), следовательно, увеличенными по сравнению с простыми процессами удельными капитальными и эксплуатационными затратами.

Сложные процессы предназначены для изготовления труб с повышенными требованиями к качеству и геометрическим размерам, сложной формы, из различных металлов и сплавов, в том числе труднодеформируемых и композиционных, т.е. специальных видов труб. Процесс характеризуется еще более высоким расходным коэффициентом (>1,6), большой цикличностью обработки на агрегатах разных типоразмеров, применением специфических технологических операций, таких как обточка, шлифовка и расточка заготовки, электрополировка, прокатка и скручивание ребер, подготовка и сварка биметаллических заготовок, специальные вилы контроля качества. Соответственно усложнению процесса возрастают удельные капитальные и эксплуатационные затраты.

Сложные технологические процессы применяют в цехах, располагающих всеми видами оборудования, термической и химической обработки, правки, резки и контроля. В таких цехах возможно производство тонкостенных и особотонкостенных, моно и биметаллических труб с поверхностью высокого качества.

Сварные трубы изготовляют диаметром от 5 до 2520 мм. В зависимости от назначения, характеристики и размеров исходного материала сварные трубы получают несколькими способами, каждому из которых присущи свои технологические преимущества и недостатки. Производство сварных труб классифицируют по двум основным отличительным особенностям:

Производство труб на агрегатах непрерывной печной сварки специфично и существенно отличается от остальных видов сварочного производства.

Способы производства электросварных труб классифицируются по характеру протекания процесса, числу и направлению швов на трубах, способам формовки листа в трубную заготовку и сварки.

Для возможности оценки разных способов получения и состава оборудования участков производства электросварных труб ниже рассмотрены принятые в классификации отличительные особенности технологических схем.

Характер процесса. Различают непрерывный и дискретный способы производства труб. Непрерывным способом изготовляют прямошовные электросварные трубы малых и средних диаметров из рулонной стали, а также все спиральношовные трубы из рулонной стали или отдельных предварительно состыкованных листов, дискретным — трубы большого диаметра из отдельных листов или предварительно сваренных “карт”, а также многослойные трубы из обечаек.

Число и направление швов на трубах. Различают одно и двухшовные, прямо и спиральношовные трубы. Двухшовными выпускаются прямошовные трубы большого диаметра. Ограничением для выпуска только одношовных труб с прямым швом является ширина исходного листа. При производстве труб со спиральным швом обеспечивается получение труб большего диаметра из более узкого листа, повышенная прочность труб и их высокая точность, достигаемая на стане. Однако спиральношовные трубы имеют по сравнению с прямошовными большую протяженность сварного шва, и их производство сопряжено с использованием меньших скоростей выхода труб из стана.

Способы формовки листа. В практике трубосварочного производства применяют следующие формовки: валковую — при производстве прямошовных труб малого и среднего диаметра; прессовую одного листа в круглую заготовку; прессовую листов в полуцилиндры, листов или предварительно сваренных “карт” на вальцах, валковую листов в круглую заготовку и в полуцилиндры — при производстве прямошовных труб большого диаметра; в машинах валковооправочного или полувтулочно го типа — при производстве спиральношовных труб

Способы сварки. В практике трубосварочного производства широко используют сварку дуговую под слоем флюса, индукционную, токами высокой частоты, электросварку сопротивлением и в инертных газах. В последнее время начинают внедрять электроннолучевую, постоянным током, плазменную и ультразвуковую сварку труб.

В. А. Авдеев, В. М. Друян, Б. И. Кудрин, Основы проектирования металлургических заводов, М., 2002