Учебное пособие 800195
.pdfзатем передается па окончательную отделку и испытание. Продолжительность одного цикла прокатки труб составляет примерно 15 с. На непрерывных станах изготавливают высококачественные трубы ответственного назначения.
Редуцирование труб на редукционных и редукционнорастяжных станах позволяет существенно уменьшить диаметр и толщину стенки. Возможность быстрой смены клетей на редукционных станах позволяет при ограниченном наборе заготовок выпускать относительно широкий сортамент труб. В общем случае уменьшение толщины стенки заготовки при редуцировании труб может доходить до 40 % при одновременном уменьшении диаметра. Это экономичный метод, широко используемый при производстве бесшовных труб небольшого диаметра ответственного назначения.
3.2. Сварные трубы
Сварные стальные трубы изготовляют с продольным или спиральным швом диаметром от б до 3000 мм при толщине стенок от 0,5 до 25 мм, а на отдельных заводах и более.
Поскольку для линейной части магистральных газонефтепроводов применяют главным образом трубы большого диаметра (530—1420 мм), рассмотрим основные методы их производства и отдельно производство сварных труб диаметром 100—476 мм, применяемых для промысловых сетей и обвязки компрессорных и насосных станций.
3.2.1. Прямошовные трубы диаметром 530—1420 мм
Основной объем прямошовных труб, применяемых для строительства магистральных трубопроводов, производится из листовой стали путем холодной формовки заготовок на прессах, двусторонней трехслойной сварки продольным швом, правки и калибровки готовых труб в экспандерах — прессахрасширителях. Схема производства труб показана на рис. 11.
80
Рис. 11. Схема формовки труб с продольным сварным швом: 1
— предварительная подгибка продольных кромок листа; 2 — получение на прессе U-образной заготовки; 3 — окончательная деформация и получение О-образной заготовки
При крупносерийном производстве" на отдельных заводах применяется многовалковая формовка. В этом случае лист, проходя ряд клетей, последовательно подгибается из плоского состояния в цилиндрическую заготовку. При небольшом объеме производства и часто меняющихся размерах труб применяется формовка заготовок на вальцах. В этом случае длина заготовки обычно ограничена 6 м, а товарная труба длиной 11
— 11,6 м получается за счет сварки двух отрезков двусторонним стыковым швом. Как исключение, в некоторых старых цехах формовка заготовки проводится в горячем состоянии на вальцах. В этом случае листовой металл предварительно нагревается по режиму нормализации. Сварка заготовки выполняется с двух сторон по прихваткам. Объем производства и сортамент выпускаемых труб этими цехами весьма ограничен. Указанные трубы хорошо работают в трубопроводах уже не один десяток лет. От труб, изготовленных по современной технологии, они отличаются меньшей точностью размеров и повышенной трудоемкостью производства.
Рассмотрим влияние технологии производства сварных прямошовных труб с формовкой заготовок на прессах и правкой в экспандерах на их работоспособность в газонефтепроводах.
81
Рис. 12. Распределение пластических деформаций по периметру трубы: А-эпюра деформаций при обжатии на 0,8%; Б - то же при экспандировании на 1,2 %. Д - суммарная эпюра деформаций с учетом изгиба листа в цилиндр
Формовка заготовок труб проводится в такой последовательности: подгибка кромок, свободная штамповка листа в U- образную заготовку на первом прессе и в О-образную форму в закрытом прессе. О-образная заготовка для точной фиксации ее размеров подвергается пластическому обжатию в штампе пресса с укорочением периметра труб на 0,4—0,7%. Эта технологическая операция важна не только с точки зрения технологии производства труб, но она заметно влияет на их работоспособность. Пластическое обжатие по периметру распределяется неравномерно, основной объем деформации сосредоточи-
82
вается в верхнем полупериметре сечения заготовки труб вблизи кромок листа, и, следовательно, согласно эффекту Баушингера, в этой же зоне следует ожидать повышенную деформацию растяжения при правке сваренных труб в экспандере. Поэтому при формовке заготовки на прессах и правке труб в экспандерах местный наклеп может более чем в 2 раза превышать среднее значение относительной деформации по периметру, обычно составляющее не более 1,5%. Эпюра распределения деформаций по поперечному сечению заготовки применительно к производству труб диаметром 720 мм приведена на рис. 12.На эпюре наглядно видна неравномерность распределения деформаций по сечению труб. Неравномерное распределение остаточных деформаций в трубах при их производстве, снижение вязкости стали явилось одной из причин возникновения разрушений при эксплуатации трубопроводов, построенных из сварных экспандированных труб из горячекатаной низколегированной стали. Очаг разрушения в таких трубах часто наблюдали в зоне максимального местного наклепа. При оформлении технических условий на поставку труб следует ограничивать максимальную деформацию труб в экспандере при их изготовлении. При производстве экспандированных труб из сталей контролируемой прокатки остаточные пластические деформации значительно ниже. Если величина деформаций при экспандировании не превышает 1,2%, то вязкость стали после передела листа в трубу практически не изменяется.
Сварка заготовок труб на станах производится в три слоя. Вначале накладывается сборочный, или технологический, шов затем последовательно выполняются внутренний и наружный швы, или наоборот. Качество продольного шва, его форма, а также свойства заметно влияют на работоспособность труб. В технических условиях на поставку труб необходимо оговаривать, чтобы внутренний и наружный швы полностью переваривали сборочный шов, так как в нем могут быть горячие трещины. Необходимо также регламентировать высоту и ширину усиления и форму шва с целью снижения концентрации деформаций по линии сплавления. Технология сварки труб
83
должна исключать образование кратеров в рабочих швах, для чего начало и конец сварки осуществляют на специально приваренных по концам труб выходных планках. Сварка с применением выходных планок улучшает экономические показатели производства труб, уменьшая величину их обрезки при обработке торцов.
Окончательно сваренная и отторцованная труба поступает на экспандер (пресс-расширитель) механический или гидравлический, где за счет удлинения периметра трубы на 1 — 1,3% обеспечивается калибровка по диаметру. Более точные размеры труб позволяет получить механический экспандер, который, последовательно калибруя трубы на коротких участках, обеспечивает равномерное удлинение металла по периметру труб и постоянство их диаметра на всей длине. При гидравлических экспандерах трубы калибруются за счет раздачи сваренной заготовки высоким давлением воды в закрытых штампах экспандера. При этом для герметизации труб в них вводят конус-калибр с уплотняющей манжетой. Фактически заводы не всегда выполняют гидравлическую штамповку труб. В ряде случаев трубы проходят только гидравлическую раздачу, величина которой контролируется давлением. Удлинение периметра труб при правке их в гидравлических экспандерах распределяется неравномерно (см. рис. 12). Диаметры по концам и телу труб заметно различаются. Так, при допуске по концам трубы ±2,5— 3 мм допуск по телу трубы может составлять до =6,0 мм.
Большое значение для обеспечения высокой эксплуатационной надежности труб в газонефтепроводах имеет степень автоматизации процесса производства труб и его контроля на каждой операции. Введение в ЭВМ данных на всех пределах позволяет управлять качеством труб.
Однако, как бы не была совершенна технология производства и контроля сварных труб, решающим фактором, обеспечивающим работоспособность труб в мощных газопроводах, является однородность химического состава, структуры и стабильность свойств стали в готовых трубах. Производство пря-
84
мошовных труб большого диаметра из высококачественной листовой стали —основное принципиальное преимущество прямошовных труб. Листовая сталь имеет жесткие допуски по толщине, высокую точность линейных и геометрических размеров, что благоприятно сказывается на работоспособности прямошовных труб и па точности их размеров.
Управлять структурой и свойствами рулонной полосовой стали, полученной на непрерывных станах, контролировать ее качество значительно сложнее, чем при производстве листового металла, а ее кривизна, коробоватость заметно осложняют процессы формовки и сварки труб. Толщина рулонной стали ограничена 14—18 мм. Фактический комплекс свойств листовой стали пока заметно выше, чем рулонной. Основным преимуществом рулонной стали является более низкая ее стоимость, так как производительность непрерывных станов против реверсивных листовых станов выше. Недостатком прямошовных труб является сложность изготовления тонкостенных труб и в некоторых случаях повышенная стоимость прямошовных по сравнению со спиралешовными трубами. В настоящее время для строительства магистральных трубопроводов большого диаметра до 75—80 % объема используемых труб приходится на сварные прямошовные трубы, а 20— 25%— на спиралешовные. В то же время с точки зрения технологии строительства трубопроводов и их эксплуатации спиралешовные трубы имеют некоторые преимущества перед прямошовными. Поперечная жесткость у спиралешовных труб несколько выше, чем у прямошовных. Поэтому они лучше сохраняют цилиндрическую форму в процессе перевозки и строительства и более технологичны при сборке и сварке поперечных стыков. В спиралешовных трубах направленность текстуры металла способствует повороту разрушения и его остановке кольцеванием. Поэтому в случае разрушения трубопровода длина вязкого разрыва всегда будет меньше у спиралешовных труб, чем у прямошовных, при одинаковых свойствах стали. При хрупком разрушении конструкция труб не влияет на протяженность разрыва. Изготовление кривых вста-
85
вок методом холодного гнутья из спиралешовных труб несколько сложнее вследствие их повышенной жесткости. В последнее время спиралешовные трубы начали изготавливать не только из рулонной, но также из листовой стали. Поэтому объем их применения в строительстве магистральных трубопроводов будет расти.
3.2.2. Спиралешовные трубы диаметром
530—1420 мм.
Современные станы позволяют формовать и сваривать спиралешовные трубы в широком диапазоне диаметров —от 150 до 3000 мм, однако основной объем производства применительно к газонефтепроводам приходится на трубы диаметром 530—1420 мм. При диаметрах менее 530 мм спиралешовные трубы по своим экономическим показателям уступают прямошовным, сваренным токами высокой частоты.
Газонефтепроводные трубы со спиральным швом диаметром 530—1420 мм изготовляются из рулонной горячекатаной ленты, а трубы диаметром 1220—1420 мм — как из рулонной ленты, так и из листовой стали. Принципиальным преимуществом технологии производства спиралешовных труб по сравнению с прямошовными является возможность изготовления труб различных диаметров из одной и той же заготовки (рулонной стали). Изменяя угол входа полосы в формующее устройство при соответствующей его переналадке изготавливают тонкостенные трубы, которые широко применяются для трубопроводов диаметром менее 1020 мм при невысоком рабочем давлении, в частности в городских газопроводах. Для трубопроводов высокого давления, в том числе при наличии циклических нагрузок, преимущество спиралешовных труб также в том, что сварное соединение расположено под углом к направлению главных напряжений, тогда как у прямошовных главные напряжения действуют перпендикулярно к оси шва, т. е. в спиралешовных трубах сварное соединение работает в более благоприятных условиях. Спиралешовные трубы изготав-
86
ливаются по непрерывной технологии, когда в одном стане производится формовка ленты в трубу и последовательная' ее сварка тремя головками. Схема изготовления труб по непрерывной технологии показана на рис. 13.
Рис. 13. Схема производства спиралешовных труб по непрерывной технологии:/ — стальная полоса; 2 — сварка полос; 3
— правильная машина; 4 —дисковые ножницы; 5 — тянущие валки; 6 — подготовка кромок к сварке; 7 — деформирующее устройство; 8 — сварка наружного шва; 9 — сварка внутреннего шва
При непрерывной технологии из стана выходит готовая «бесконечной» длины труба, которая разрезается затем на мерные отрезки. Производительность стана при такой технологии определяется скоростью сварки рабочих швов. При непрерывной технологии она строго ограничена, и для увеличения объема производства приходится устанавливать в цехе несколько станов. Технология производства спиралешовных труб может быть прерывистой. В этом случае в основном стане выполняется вальцовка ленты в трубу и сварка заготовки технологическим швом, после чего собранная заготовка «бесконечной» длины разрезается на мерные отрезки. Сварка труб рабочими швами выполняется в отдельных станах. В этом случае скорость изготовления труб повышается до 10 м/с, т. е. более чем
87
в 5 раз. Прерывистая технология позволяет более производительно использовать возможности оборудования, сократить площади цехов, уменьшить потребность в оборудовании на 1 т изготавливаемых труб.
Конструкции современных станов обеспечивают высокую степень автоматизации производства, получение точных по размеру труб без их правки и калибровки в экспандере. Так, допуск на диаметр спиралешовных труб составляет ±1—2 мм, тогда как у прямошовных труб допуск на этот размер обычно составляет ±3—6 мм. Не требуются операции правки и калибровки спиралешовных труб и установки дорогих и сложных экспандеров, что упрощает и удешевляет технологию изготовления труб, эксплуатацию трубосварочного оборудования и цехов в целом.
Отсутствие пластического обжатия заготовки труб в прессах, пластического растяжения в экспандерах обеспечивает более полное сохранение в готовом изделии исходных свойств стали и ее вязкости, что повышает работоспособность труб.
Особенно надежными в эксплуатационных условиях должны быть спиралешовные трубы, изготовленные из листовой стали, в которых сочетаются преимущества спиральной конструкции труб с более высокими свойствами и качеством листового проката по сравнению с рулонной горячекатаной лентой.
Как следует из изложенного, спиралешовные трубы имеют ряд преимуществ по сравнению с прямошовными. Среди изготовителей и потребителей труб уже много лет идет дискуссия: какой метод производства лучше? У потребителей большим спросом пользуются прямошовные трубы, объем применения которых в 3—4 -раза больше, чем спиралешовных, при строительстве магистральных трубопроводов. Однако оценка потребителя может быть субъективной, вызванной тем, что технология производства спиралешовных труб разрабатывалась позднее и в начале производства была отработана хуже, чем технология изготовления прямошовных труб. Спи-
88
ралешовные трубы по качеству формовки и сварки вначале значительно уступали прямошовным, при их применении было достаточно много отказов (разрушений) трубопроводов. Однако в настоящее время ПО качеству и свойствам спиралешовные трубы не уступают прямошовным, а в ряде случаев даже превосходят их. Поэтому объективных причин отдавать предпочтение прямошовным трубам больше не существует.
3.2.3. Сварные трубы диаметром менее 530 мм
Сварные трубы диаметром менее 530 мм поставляются по ГОСТ 20295—74. Трубы в основном изготавливаются прямошовными из резаной горячекатаной ленты, прокатанной на многоклетевых станах непрерывного действия. Высокоскоростная непрерывная технология производства прямошовных труб малого диаметра обеспечивается за счет применения скоростных методов сварки и создания бесконечной ленты, для чего начало следующего рулона приваривается к концу предыдущего. Формовка труб проводится непрерывным методом в последовательно расположенных клетях. Система роликов, постепенно подгибающих плоскую ленту в цилиндрическую заготовку, показана на рис. 14.
Рис. 14. Последовательность операций на формовочносварочном стане: 1-3 — профилирование полосы на валковых плетях; 4 — окончательная правка и сварка трубы
Непрерывная заготовка труб сваривается в проходном стане токами высокой частоты. В процессе сварки оплавлен-
89