6.3. Классификация и технологическая характеристика способов производства труб

Трубное производство — завершающий пере­дел металлургического производства. Из сорто-

вой 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, прессово-валковой прошивкой.

2. По способу раскатки гильзы в трубу: про­ дольной прокаткой на стационарно установлен­ной короткой оправке (автоматические станы); периодической прокаткой на длинной плаваю­ щей 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 по­ мощи дорна через ряд уменьшающихся в диа­метре роликовых обойм или калибров-колец (ре­ечные станы); выдавливанием металла в кольце­вую щель, образуемую матричным кольцом и стационарно установленной оправкой (трубопрофильные прессы); поперечной прокаткой на не­ подвижной оправке в конических валках, уста­новленных во вращающейся обойме (планетар­ные станы).

Основные технологические решения в проектах прокатных и трубных цехов

285

3. По способу окончательного формирования диаметра и толщины стенки готовой трубы: про­каткой в калибровочном, редукционном или ре-дукционно-растяжном станах; сочетанием обкатки трубы в раскатном косовалковом стане с прокат­кой в калибровочном или редукционном станах; сочетанием прокатки в редукционно-растяжном стане с обкаткой в косовалковом раскатном ста­не и прокаткой в калибровочном стане; прокат­кой на станах-расширителях.

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 тол­щиной 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.

286

Основы проектирования металлургических заводов

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 трубопрофиль-ных 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, особотонкостен-ные, капиллярные, большого диаметра и др.), форме (ребристые, профильные др.), материалу, качеству поверхности (безрисочные, электрополи­рованные 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, технико-экомическими показателями. С учетом этого процессы производства труб клас­сифицируются на простые, комбинированные и сложные, в зависимости от технологических осо­бенностей и удельных технико-экономических показателей.

Простые процессы предназначены в основном для изготовления труб из углеродистых, легиро-

ванных 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 электро­сварные 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 виды 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 особотон-костенных, моно- и биметаллических труб с по­верхностью высокого качества.

Основные технологические решения в проектах прокатных и трубных цехов

287

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:

• по температуре формуемого металла: фор­мовка холодного листа (все виды современных трубоэлектросварочных агрегатов); формовка го­рячего листа (агрегаты непрерывной печной свар­ки труб);

• по способу получения окончательных раз­меров готовых труб: в калибровочных клетях фор-мовочно-сварочных агрегатов; на трубосварочных агрегатах ограниченного числа размеров труб-за­готовок и окончательное формирование диаметра и толщины стенки на редукционно-растяжных ста­нах горячего или холодного редуцирования.

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 спирально-шовные 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 спиральношов-ные 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 спи-ральношовные трубы имеют по сравнению с пря-мошовными 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 прямошов-ных 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 валково-оправочного или полувтулочно­го 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 электронно-лучевую, постоянным током, плазменную и ультразвуковую сварку труб.