книги из ГПНТБ / Биметаллические трубы

11

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Биметаллические трубы применяют как изделия со специфиче­ скими свойствами благодаря выбранной комбинации металлов или как изделия, в которых плакирующий слой играет роль коррозион­ ной защиты.

Биметаллические трубы при осуществлении многих технологиче­ ских процессов имеют значительное преимущество перед монометал­ лическими.

Например, стойкость труб из углеродистой стали в аппаратах по производству каустической соды составляет 2 месяца, а биметал-

12

лические трубы (углеродистая сталь + никель) в этих аппаратах служат 10— 15 лет.

В нашей стране и за рубежом для изготовления трубопроводов сжатого воздуха и кислорода используют биметаллические трубы с внутренним слоем из меди. Хорошо зарекомендовали себя в усло­ виях службы биметаллические трубы из нержавеющей стали и меди в конденсаторах и теплообменных аппаратах. Они обеспечивают хорошую теплопроводность и высокую коррозионную стойкость в солевых растворах и морской воде [1]. В теплообменниках приме­ няют также трубы из нержавеющей стали с наружным слоем из меди или бронзы. Наружный слой стоек в соленой охлаждающей воде, а внутренний— в среде горячих газов [2]. В этих условиях трубы в теплообменниках работают без замены более 4 лет, а трубы из не­ ржавеющей стали выходят из строя через каждые 2 года. Предпола­ гается, что срок службы биметаллических труб в теплообменниках может быть доведен до 8— 10 лет [3].

Стальные трубы, плакированные медью, используют в аммиач­ ных рефрижераторах, для транспортировки осветительных газов по подземным трубопроводам, на нефтеочистительных заводах, при производстве синтетического каучука.

Значительный эффект дает применение биметаллических труб углеродистая сталь + бронза в производстве подшипников скольже­ ния для тракторов: резко повышается ресурс работы двигателей и

вый сплав используют в аппаратах крекинга нефти, при этом резко уменьшается абразивный износ трубопроводов.

Биметаллические трубы с наружным слоем из углеродистой стали и внутренним слоем из нержавеющей стали применяют в реакторах и пароперегревателях ядерных установок [5].

СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА

В трубной промышленности разработано несколько способов производства биметаллических труб [6, 7]: горячей деформацией так называемых двухслойных и биметаллических заготовок на прес­ сах и на непрерывных, пилигримовых, прошивных и волочильных станах; холодной деформацией; термодиффузионной сваркой; цен­ тробежным литьем; сваркой взрывом; электролитическим осажде­ нием плакировочного слоя на основной; прессовой сваркой — пай­ кой двухслойных заготовок в вакууме.

Перечисленными способами, за исключением последнего, можно изготовлять товарные и передельные биметаллические трубы, прес­ совой сваркой — пайкой только передельные трубы с обязательным последующим горячим или холодным их переделом.

13

Во всех случаях, кроме центробежного литья и электролитиче­ ского осаждения, исходными заготовками являются двухслойные. Кроме того, для способов горячей и холодной деформации исходными заготовками могут быть, биметаллические отливки и заготовки, полу­ ченные прессовой сваркой-пайкой. При центробежном литье исход­ ными составляющими являются раздельно выплавленные жидкие металлы, поочередно заливаемые в центробежную машину; при электролитическом осаждении —• трубы из основного металла и соответствующие электролиты, образующие плакирующие слои.

Каждый способ имеет свои преимущества, недостатки и границы использования. Целесообразность применения того или иного спо­ соба в конкретном случае определяется сочетанием металлов, сорта­ ментом труб и требованиями к их качеству.

В настоящее время изготовляют биметаллические трубы широкого сортамента из различных по физическим свойствам металлов, удо­ влетворяющие самым разнообразным требованиям к качеству по­ верхности, прочности сварки слоев и геометрическим размерам.

При разработке способов изготовления биметаллических труб исследовали .характер деформации металла слоев, изменение их геометрических размеров, прочности и сплошности сварки, струк­ туры слоев и границы между ними, физических и химических свойств, механических и технологических характеристик труб. Были созданы методики для определения усилий совместного деформирования слоев, прочности их сварки, размеров. Теоретические исследования дали возможность получить формулы для расчета оптимальных пара­ метров процессов переработки двухслойных и биметаллических заготовок в трубы.

Ниже рассматриваются некоторые особенности и возможности основных способов изготовления биметаллических труб.

Способы горячей деформации обеспечивают пропорциональную деформацию слоев двухслойных и биметаллических заготовок. За счет высокой температуры и давления слои свариваются в очаге деформации (иногда сварка происходит уже при нагреве заготовок).

Широкое практическое применение из указанных способов полу­ чили прессование [8], прокатка на непрерывном стане и прокатка

способ, позволяющий изготовлять трубы широкого сортамента (диаметрами 38—460 мм) из многих сочетаний металлов.

Благодаря большой степени деформации, которая обусловли­ вает высокие удельные давления на контактной поверхности и зна­ чительное ее обновлейие, а также высоким скоростям деформации этот способ обеспечивает очень высокую прочность сварки слоев. Применение при прессовании технологического инструмента с круг­ лой калибровкой позволяет получать более равномерную толщину слоев.

К преимуществам этого способа надо отнести также возможность использования исходных заготовок сравнительно малой длины,

14

простоту подготовки их контактных поверхностей и кратковремен­

главным образом для получения передельных биметаллических труб диаметром до 114 мм из углеродистой и легированной сталей, плакированных медью, никелем и нержавеющей сталью [9, 10]. Исходным материалом являются двухслойные заготовки.

При непрерывной прокатке применяют валки с «круглой» или «комбинированной» калибровкой, при этом разнотолщинность пла­ кирующего слоя уменьшается, сварка слоев получается более ка­ чественной. Так например, прочность сварки слоев биметалличе­ ских труб сталь 10 + медь, сталь 12ХНЗА + медь колеблется в пре­ делах от 140 до 220 МН/м2 (14—22 кгс/мм2).

Преимущество непрерывной прокатки по сравнению с другими способами получения биметаллических труб — кратковременность процесса и высокая производительность стана (до 250—300 труб

вчас).

Косновным недостаткам способа следует отнести пониженное

качество внутренней поверхности труб (при нагреве заготовок в ме­ тодической печи с окислительной атмосферой) и значительную про­ дольную и поперечную разнотолщинность слоев, а также ограничен­ ность сортамента труб по диаметру и сочетаниям металлов.

П р о к а т к а н а п и л и г р и м о в о м с т а н е применяется для изготовления биметаллических труб диаметром от 127 до 550 мм (товарных и передельных). В основном этим способом получают трубы углеродистая сталь + медь и углеродистая сталь + нержавеющая сталь.

В этих случаях используют двухслойные или центробежнолитые биметаллические заготовки.

Пилигримовая прокатка обеспечивает прочную диффузионную сварку слоев.

Основные недостатки данного способа аналогичны недостаткам прокатки биметаллических труб на непрерывном стане. Кроме того, пилигримовый процесс довольно продолжителен, что исключает прокатку металлов с узким температурным интервалом пластич­ ности.

В биметаллических трубах, получаемых способами горячей де­ формации, граница сварки слоев четко выражена, ровная, прочность сварки слоев высокая, что обеспечивает выполнение необходимых технологических операций при монтаже этих труб и изготовлении из них различных изделий. По точности размеров и качеству поверх­ ности горячедеформированные биметаллические трубы удовлетворяют требованиям стандартов и технических условий.

Другие способы горячей деформации в производстве биметалли­ ческих труб промышленного применения еще не нашли. Способ горя­ чего волочения на длинной оправке обеспечивает хорошую прочность сварки между слоями и более высокую точность размеров слоев по сравнению с прокаткой, однако извлечение оправок из труб связано

15

с технологическими трудностями. Способ прокатки на прошивных станах находится в стадии разработки и определения границ его при­ менения.

Способы холодной деформации — это прокатка на станах валко­ вого и роликового типов, волочение на короткой и длинной оправках и без оправки. Ими пользуются для изготовления биметаллических труб относительно малых размеров как по диаметру, так и по толщине стенки, а также в случае повышенных требований к точности раз­ меров и качеству поверхности готовых труб.

Исходной заготовкой для холодной деформации являются биме­ таллические передельные трубы и биметаллические заготовки, полу­ ченные центробежным литьем и способом сварки — пайки.

Холодная деформация позволяет снизить разностенность и разнотолщинность биметаллических труб и получить чистоту поверх­ ности 9— 11-го класса.

Холодная прокатка на станах валкового типа применяется для изготовления биметаллических труб диаметрами 18—96 мм с толщи­ ной стенки 1— 12 мм из нержавеющих сталей и сплавов. Применение калибров со сравнительно малой величиной развалки и значитель­ ных разовых деформаций (вытяжка до 4,5) дает возможность полу­ чать биметаллические трубы высокой точности за сравнительно малое количество циклов.

Для изготовления труб с толщиной стенки менее 1 мм приме­ няется прокатка на роликовых станах (ХПТР). Станы ХПТР обеспе­ чивают разовые суммарные вытяжки до 2,5 и благодаря малым радиусам рабочего -инструмента на них можно изготовлять биметал­ лические трубы диаметром от 6 до 60 мм с толщиной стенки от 0,2 до 1 мм. Недостатком этого способа является сравнительно низкая производительность и ограниченная величина посадки по диаметру (до 4 мм), обусловленные спецификой калибровки инструмента.

Волочение на длинной оправке используется для изготовления биметаллических труб из тугоплавких металлов и сплавов диаметром

Волочение труб на короткой оправке применяется для изготовле­ ния биметаллических труб из стали, плакированной цветными ме­ таллами (медь, бронза, латунь) диаметрами 38—60 мм, толщиной стенки 2,0—8 мм и длиной до 9 м. Это высокопроизводительный процесс со значительными разовыми вытяжками (до 1,6), позволя­ ющий благодаря круглой калибровке инструмента и его большой точности получать трубы с высоким качеством поверхности и точ­ ными размерами.

5 мм; разовые вытяжки не превышают 1,3. При этом можно получить высокую производительность. В ряде случаев этим способом поль-

16

зуются при калибровке наружного диаметра. Недостатком его яв­ ляется возникновение некоторой шероховатости на внутренней по­ верхности труб (высота до 40 мкм) в зависимости от степени редуци­ рования, соотношения D/S, материала внутреннего слоя и исходного состояния поверхности.

Способ термодиффузионной сварки в производстве биметалличе­ ских труб применяется с 40-х годов и получил наибольшее распро­ странение в СССР, ФРГ и США.

В общем случае способ термодиффузионной сварки характери­ зуется нагревом находящимся в контакте металлов с чистой юве­ нильной поверхностью до температур, при которых происходит интенсивное развитие диффузионных процессов, способствующих прочной сварке слоев. Этим способом изготовляют передельные

итоварные биметаллические трубы из углеродистых, легированных

инержавеющих сталей, плакированных изнутри медью, оловянофосфористой бронзой, армко-железом, ниобием, а также трубы из тугоплавких металлов. Термодиффузионную сварку применяют также при производстве тонкостенных биметаллических труб.

Сортамент труб 20—120 мм. Исходной заготовкой для них служат монометаллические трубы. В промышленном производстве биметал­ лических труб этим способом применяется несколько технологиче­ ских схем.

Кдостоинствам способа относятся: возможность получения как передельных, так и готовых труб; высокая производительность и возможность создания поточных линий; прочность диффузионной сварки слоев, точность их размеров, высокое качество поверхности.

Кнедостаткам способа следует отнести трудность сварки двух­ слойных труб в случаях, когда металл внутреннего слоя имеет

коэффициент термического расширения а в меньше, а предел теку­ чести сттв больше соответствующих характеристик наружного слоя при толщине последнего, превышающей толщину внутреннего слоя; невозможность изготовления труб из металлов со значительной разницей температуры рекристаллизации, образующих при совмест­ ном нагреве хрупкие фазы на границе контакта.

Способом центробежного литья получают биметаллические то­ варные и передельные трубы. Этот способ получил наибольшее распространение в СССР и США.

Применение центробежного литья позволило упростить изготов­ ление биметаллических труб и расширить их сортамент. В настоя­ щее время способом центробежного литья изготовляют биметалли­ ческие трубы различных сочетаний металлов размерами 83—900 X X 10—250 мм. В сочетании с горячей и холодной деформациями могут изготовляться трубы с наружным диаметром от 6 до 550 мм и толщи­ ной стенки 1,0 мм и более.

Способ центробежного литья обеспечивает прочное соединение металлов в биметаллической трубе. Однако из-за отсутствия уст­ ройств по поддержанию температуры металла и его дозировке при заливке, а также методики контроля температуры поверхности за­ кристаллизованного наружного слоя имевдд# трудности в обеспече-

нии сварки слоев и получении заданных размеров раздельного диа­ метра.

Основными недостатками этого способа являются необходимость механической обработки поверхностей труб и образование вслед­ ствие этого повышенной разностенности обоих слоев; значительные ограничения по длине и внутреннему диаметру труб; загрязнение металла внутреннего' слоя металлом наружного, особенно на границе раздела; наличие литой структуры слоев; невозможность получения труб с наружным относительно легкоплавким металлом.

Из-за указанных недостатков этот способ чаще используется для получения передельных труб.

Способ производства биметаллических труб сваркой взрывом

основан на принципе сварки металлов при высокой скорости соуда­ рения двух металлических поверхностей, в результате чего на гра­ нице их раздела возникают значительные пластические деформации и температуры, приводящие к сближению металлов на расстояние взаимодействия атомов и увеличивающие подвижность частиц.

Этим способом получают готовые и передельные биметаллические трубы с наружным диаметром от 60 до 130 мм. Исходным материалом служат двухслойные заготовки. В зависимости от расположения пла­ кирующего слоя заряд взрывчатого вещества (в. в.) размещают внутри или снаружи заготовки. Горячий и холодный передел биме­ таллических труб, полученных этим способом, осуществляется по обычной технологии.

Основные достоинства сварки металлов взрывом заключаются в возможности получения биметаллических труб практически из любых сочетаний металлов, а также в относительной простоте тех­ нологии и оборудования, вследствие чего сварка взрывом может быть быстро освоена. Решение этой задачи связано с исследованием процессов движения продуктов взрыва, металла и жидкости при высоких давлениях и скоростях процесса.

Одним из недостатков способа является волнообразный характер зоны контакта слоев [11— 16]. Кроме того, возникает необходимость в строительстве специального полигона или камер вследствие повы­ шенных требований к технике безопасности, связанных с примене­ нием в. в.

Способ изготовления биметаллических труб путем электроли­ тического осаждения металла плакирующего слоя на основной полу­ чил ограниченное применение. Основные недостатки этого способа: поверхность исходных труб должна быть подготовлена очень ка­ чественно; необходимость термической обработки металлических поверхностей после нанесения на них покрытия для обеспечения сварки слоев; возможность использования для нанесения лишь тонких покрытий; значительная трудность получения беспористых покрытий на трубах большой длины.

Способ диффузионной сварки— пайки в вакууме является одной из разновидностей диффузионной сварки. Отличительной особенностью его является наличие между контактными поверхностями слоев легкоплавкого подслоя. Способ разработан институтом электро-

18

сварки им. Патона [17]. Промышленного применения этот способ пока не нашел. Указанным способом можно изготовлять только пере­ дельные трубы.

В области производства биметаллических труб, несмотря на имеющиеся значительные экспериментальные и теоретические раз­ работки, в настоящее время не решен ряд важных научных и практи­ ческих вопросов. Они касаются определения оптимальных техноло­ гических параметров изготовления труб с новыми сочетаниями ме­ таллов, исследования истечения металлов при совместной пласти­ ческой деформации различными методами, напряжений в слоях и на границе между ними при нагреве, деформации и последующем пере­ деле заготовок в трубы, исследования границы сварки и диффузии элементов при изготовлении и в процессе эксплуатации труб, при­ роды схватывания свариваемых металлов, изменения их кристалли­ ческой решетки и физико-химических свойств, причин возникнове­ ния в трубах хрупких фаз (в том числе тугоплавких и фаз на основе титана) и т. п.

Г л а в а II

ЗАГОТОВКИ ДЛЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ

ВИДЫ ЗАГОТОВОК и ТРЕБОВАНИЯ К НИМ

Впроизводстве биметаллических труб применяют два вида заго­ товок — двухслойные и биметаллические заготовки.

Двухслойная заготовка представляет собой трубу, составленную из пары монометаллических труб, между контактными поверхностями которых нет жесткой связи и даже может существовать зазор.

Вбиметаллической заготовке монометаллические слои имеют между собой жесткую межатомную связь. Исходные монометалличе­ ские трубы в основном применяют бесшовные. В отдельных случаях могут использоваться и сварные трубы (из углеродистой и нержа­ веющих сталей, а также цветных металлов).

Кзаготовкам обоих видов предъявляются определенные требова­ ния — по химическому составу и физическим свойствам составля­ ющих монометаллов, качеству поверхности,геометрическим размерам.

Химический состав и физические свойства материала заготовок должны полностью соответствовать требованиям, предусматривае­ мым ГОСТами и ТУ, учитывающими все особенности производства биметаллических труб.

Качество поверхности заготовок должно обеспечивать получе­ ние необходимой прочности и сплошности сварки слоев.

Контактные поверхности не должны иметь плен, раковин, вмя­ тин и инородных включений, закатанной окалины, затянутых рисок

со следами смазки, глубоких рисок и других дефектов, препят­ ствующих плотному повсеместному контакту слоев при сварке.

Геометрические размеры заготовок должны обеспечивать полу­ чение биметаллических труб в заданных допусках на суммарную

толщину стенки и толщину плакирующего слоя. Значительная разностенность заготовок затрудняет получение биметаллических труб с постоянным соотношением слоев в требуемых допусках.

Размеры монометаллических труб рассчитывают, исходя из вы­ бранного способа производства биметаллических труб, возможностей используемого оборудования, сортамента, прочностных свойств и других характеристик готовых труб. При большинстве способов из­ готовления биметаллических труб применяют заготовки ограничен­ ной длины. Так, например, при прессовании биметаллических труб длина двухслойных заготовок находится в пределах от 250 до 700 мм.

Некоторые данные об исходных трубах, применяемых для произ­ водства биметаллических труб, приведены в табл. 4.

Т а б л и ц а 4

ДВУХСЛОЙНЫХ ЗАГОТОВОК И ПЕРЕДЕЛЬНЫХ ТРУБ

При производстве биметаллических труб из двухслойных и би­ металлических заготовок, а также при последующем переделе биме­ таллических труб, в подавляющем количестве случаев при устано­ вившемся процессе деформации происходит пропорциональная де­ формация металлов. Слои деформируются таким образом, что в очаге деформации сохраняется постоянным так называемый коэффициент плакирования я, представляющий собой отношение площади попереч­ ного сечения плакирующего слоя к общей площади поперечного се­ чения двухслойной (биметаллической) заготовки или передельной трубы. Это обеспечивает одинаковую осевую деформацию слоев.

20