Оборудование для производства труб

Трубы металлические производятся из углеродистых сортов сталей, сталей низкого и высокого легирования, цветных металлов, разных сплавов, чугуна разного типа; они могут быть биметаллическими, изготавливаться из комбинаций металлов.

Основой производства трубных изделий является изготовление труб из составных металлов (биметаллических):

• из стали плюс меди
• нержавейки плюс цветного металла
• соединений металлов, представляющих собой сплавы.

Для получения труб применяют разные способы обработки, как обработка металлов давлением, сварка.

Производимая трубная продукция классифицируется:

трубы без шва (бесшовные), сварные, паяные, литые. Причем последние ограничены в применении.

Трубы без шва могут быть прокатаны горячим методом (горячекатанные), методом холодной прокатки (холоднокатанные), волочения (холоднотянутые), прессованными.

Среди сварных труб различают электросварные, производимые дуговой или индукционной, а также получаемые печной сваркой. Прокатанные холодным и горячим методами трубы производят из заготовок без шва (бесшовных) и трубных заготовок со швами.

Относительно применяемого в изготовлении труб материала, их подразделяют на неметаллические (из пластмассы, на цементной базе и пр.) и металлические (из черных и цветных металлов), биметаллические, с покрытиями.

Монометаллические трубы служат исходным продуктом при получении составных (биметаллических) труб. Они представляют базисный и поверхностный слои.

Трубы различают и по возможным методам соединения

Соединения бывают сварные, фланцевые и резьбовые (муфтовые, безмуфтовые, нипельные).

По профилю различают трубы:

• круглые
• овальные
• прямоугольные
• квадратные
• ребристые
• ступенчатые
• конические
• с разнотолщинными стенками и т.д.

Наружный диаметр (D) определяет трубы своим отношением к толщине стенки (S): Так же, трубы определяются своим отношением наружного диаметра (D) к толщине стенки (S):

• особотолстостенные (отношение менее 5,5)
• толстостенные (отношение 5,5...9)
• нормальные, со средней стенкой (отношение 9...20)
• тонкостенные (отношение 20...50)
• особотонкостенные (отношение более 50).

Относительно наружного диаметра трубную продукцию делят на:

• трубы капиллярные - D = 0,3...4,8 мм
• трубы малых размеров - D = 5... 102 мм
• трубы средних размеров - D = 102.. .426 мм
• трубы больших размеров - D более 426 мм.

Анализ потребностей различных отраслей экономики показал, что трубы макс. Ø 63,5 мм составляют в общем объеме потребления труб 25-30 %, и имеется тенденция к нарастающим объемам в их потреблении.

1. бесшовные трубы (идёт нелегированная и легированная стали) для нефтяной и газовой сфер индустрии,
   бурильные трубы для пробуривания разведочных скважин (трубы Ø 33,5-63,5 мм, 5-6 мм толщиной стенки)
2. бурильные трубы Ø 60-168 мм, 7-11 мм толщиной стенки используют для пробуривания эксплуатационных скважин. На производство бурильных труб идёт сталь 36Г2С, 40Х, 30ХГС, сталь Д.
3. обсадные трубы способствуют защите стенок скважин от разрушения, проникновения влаги в скважины, разделяют пласты (газоносные и нефтеносные). Их Ø достигает 114-508 мм, стенка толщиной 6-14 мм, согласно стандартам. Например, сталь Д должна выполнять предписания этих стандартов в отношении механ. свойств: предел прочности σв ≤ 650 МПа, граница текучести σт ≤ 380 МПа, относительное удлинение δ10≥16 %. Содержание S и P в стали равно макс. 0,045 % по каждому элементу.
4. насосно-компрессорные трубы (Ø 48,3-114,3 мм, стенка толщиной 4-7 мм) используют при добыче нефти, через них идёт поступление сжатого воздуха в скважину, откачивают нефть). Они имеют гладкие и высаженные муфты и концы, с гладкими муфтовыми соединениями высокой герметичности, с безмуфтовыми соединениями.
5. трубы трубопроводные, по ним идёт подача нефти, газа, бензина, пара, воздуха, масел, кислот, песка, щебенки, угля, цемента. Они классифицируются на:
   водогазопроводные (газовые) Ø 10,2-165 мм, стенка толщиной 2,25-5,5 мм, применяются под давлением макс. 2,5 МПа, соединяются муфтами, изготавливаются с помощью печной сварки;
   нефтепроводные Ø 114-426 мм, стенка толщиной 4,5-20 мм;
   магистральные трубопроводы Ø 426-1420 мм (прямошовные и со спиральным швом), стенка толщиной 5-14 мм, предназначаются для транспортирования нефти, газа с места добычи к точке их потребления. Они изготавливаются, преимущественно, сварными.
6. трубы строительного назначения. Это круглые, квадратные, прямоугольные трубы, изготавливаются, в основном, сварными, применяются как колонны зданий, перекрытий, строительных лесов, для монтажа кабельных сетей, перил.
7. трубы для машиностроения, изготавливают бесшовными (материал: нелегированные, конструкционные, легированные и высоколегированные стали). Это группы труб:
   • котельные трубы Ø 45-152 мм, стенка толщиной 1,5-25 мм; их применяют котлы различных конструкций: кипятильные, пароперегревательные, жаровые, дымогарные и пр.
     Функция котла заключается в теплообмене через стенки труб между продуктами горения и водой в парообразователе.
     Котельные трубы находятся среди высоких температур и давлений. Материал труб и узлов котла подвергается действию коррозии при контакте экранирующих поверхностей труб и мест сварных соединений с водяным паром.
     Основной причиной коррозии является окисление поверхности труб, приводящее к местному увеличению температуры стенок трубы вследствие снижения теплопроводности. Степень окисления может зависеть даже от длительности хранения труб на складах.
   • крекинговые трубы Ø 19-219 мм, стенка толщиной 1,5-25 мм, применяют для перекачки горячих нефтепродуктов под давлением макс. 10 МПа. Наиболее существенная особенность эксплуатации крекинговых труб в том, что нефть, в которой множество соединений от летучих до тяжелых субстанций, обычно загрязнена песком, солями и водой. Добываемую нефть собирают в резервуары, затем ее подвергают дистилляции. Этот первый, самый важный этап рафинирующей переработки нефти протекает при температуре 40 - 350 °С и при низком давлении. На этом этапе выделяются бензин, керосин, масла. Второй этап выполняется одновременно с крекингом при температуре 400-700 °С и давлении 2-200 атм. В результате получают газойль и гарное масло.
   • конструкционные трубы, применяются при изготовлении различных комплектующих частей машин. К ним относятся трубки подшипниковые, для автотракторостроения, авиационной, атомной, медицинской сфер промышленности и др.; их делают сварными и бесшовными.
     Подшипники качения производят из хромистых сталей. Требования, предъявляемые к шарикоподшипниковым сталям, регламентируют рыхлость, примеси, структуру в отожженном состоянии, глубину обезуглероженного слоя, качество поверхности и прецизионность размеров.
   • на изготовление ёмкостей (сосудов и баллонов) идут трубы, которые делаются бесшовными, эксплуатируются при давлении 0,1 - 40 МПа. Размеры труб по Ø и толщине стенки должны соответствовать размерам баллонов, а наиболее распространенные размеры: Ø 70 - 465 мм, стенка толщиной 2,3 - 34 мм. Напорные трубы функционируют при давлении 200,0-400,0 МПа.
     Трубной промышленностью нашей страны обеспечивается изготовление труб Ø 0,3-2520 мм при толщине стенок 0,01 - 150 мм.

Стандарты включают технические требования, предъявляемые к трубам, их качественным показателям, предписаниям по приемке и методам тестирования (испытаний).

Стандарты сортамента определяют геометрические размеры и профили труб, указывают макс. отклонения размеров труб (Ø, толщины стенки, длины), кривизны, веса.

Технические требования стандартов определяют основные требования к трубам: к сортаменту стали, механическим свойствам, состоянию поверхности, к испытаниям, предписаниям по приемке, маркированию, упаковке труб, транспортировке и хранению.

Стандарты для методов проведения тестирования определяют общеприемлемые методы тестирования: твердости, ударной вязкости, макро- и микроструктуры, коррозионной стойкости и т.д.

Стандарты, распространяемые на предписания по маркировке, упаковке, транспортировке и хранению, регламентируют требования для всех труб (чугунных и стальных).

По требованиям стандарта бесшовные трубы изготавливают Ø 19 - 550 мм. Длина труб обычно составляет 4 - 12,5 м. Данные по отклонениям размеров труб см. в табл. 1.

Таблица 1

Допускаемые отклонения размеров труб обычной (I) и повышенной (II) точности

Стандарты также предусматривают более узкие диапазоны допускаемых отклонений для труб, изготавливаемых на трехвалковом трубопрокатном агрегате: по наружному Ø ±0,5 %, по толщине стенок ±6,0 %.

Основное количество потребляемых труб изготавливают из низкоуглеродистых сортов сталей. Легированный материал составляют стали перлитного класса. Для изготовления нержавеющих труб используют аустенитные сорта стали.

Кроме того, на производство труб идут ферритные, аустенитно- ферритные, мартенсито-ферритные, мартенситные и мартенсито- аустенитные, а также никелевые, титановые, циркониевые, ниобиевые, молибденовые и танталовые сплавы.

Прокатка горячим методом не позволяет изготовить трубы с высоким показателем чистоты поверхности (7-11 класс) и прецизионными размерами. Чтобы получить такие качественные показатели труб, а также изготовить трубы малых размеров, пользуются холодной или теплой деформациями. Это достижимо 2-мя способами:

• волочением
• прокаткой

Трубы Ø 4,0-200 мм с 0,1-12 мм толщиной стенки производят с помощью прокатки холодным методом и посредством холодного волочения.

Такими же способами производят также профильные трубы. Они могут быть с овальными, квадратными, восьмигранными, звездообразными, ребристыми сечениями и пр.

Допускаемые отклонения размеров холоднокатаных и холоднотянутых труб см. в таб. 2.

Исходным продуктом для сварных труб является продукция из сталей с низким % углерода и слабым легированием. Это:

• горячекатаные штрипсы
• ленты в рулонах со станов холодной прокатки
• широкий подкат со стана горячей прокатки
• листовой материал мерной длины
• полоса в рулонах.

Заготовки для этих труб получают современными методами непрерывного процесса прокатки.

Данные трубы имеют более тонкую стенку и меньшую разнотолщинность, чем трубы без шва.

Сегодня широко применяются трубы из нержавейки, изготовленные с помощью электросварки.

Таблица 2

Допускаемые отклонения размеров холоднодеформированных труб обычной (I) и повышенной (II) точности, полученных электросваркой

К примеру, бесшовная труба Ø 426 мм, сделанная методом горячей прокатки, может иметь минимальную толщину стенки 9 мм (допуск -1,35 и +1,12 мм). А сварная труба Ø 426 мм с прямым швом может быть изготовлена со стенкой 6 мм толщиной (допуск +0,4 и -0,6 мм). Для труб большого Ø (> 426 мм) предусмотрена калибровка концов.

Показатели прочности являются основной характеристикой для труб основного сортамента. Для этого проводят тестирование механических свойств готовых труб. Проверяются механические показатели:

• пределы прочности
• текучесть
• параметр относительного удлинения
• относительного поперечного сужения
• показатель ударной вязкости
• твёрдости.

Для труб, смонтированных для работы в среде повышенных температурных воздействий, порой смотрят на условный предельный показатель текучести (для 300 - 350 °С).

Гидравлически испытывают трубы, где предстоит работа под давлением.

Гидравлически трубы проверяют на обнаружение в них участков с непроверенным швом. Трубы с нарезкой для нефтяной сферы промышленности также проверяют посредством гидравлического испытания, на герметичность резьбового соединения.

Способность труб выдерживать различные виды нагрузок и деформацию, проверяют в процессе технических испытаний.

При проверке труб на сплющивание (рис. 1.) сближают сжимающие поверхности на величину Н и смотрят на появление трещин и надрывов на поверхности трубы. Для испытаний берут образцы длиной 1,5 DT, мин. 10 мм и макс. 100 мм.

При проверке на изгиб (рис. 2) трубу плавно загибают на угол α (обычно α = 90°) и смотрят, не нарушается ли при этом целостность металла.

При испытаниях на отбортовку труб (рис. 3) контролируется отсутствие трещины, надлома.

Испытания на раздачу кольца конусом (рис. 4) или раздачу патрубка (рис. 5) проводят инструментом определенной формы до образования разрушений снаружи и внутри трубы, либо до достижения заданной величины раздачи.

Качество поверхности трубы определяется показателем её прочности. К поверхности труб предъявляют высокие требования, с этой целью бесшовные трубы, к примеру, обрабатывают механически, делают сплошную расточку, обточку, шлифование, полирование электрическим способом.

Трубу снаружи и изнутри осматривают визуально. Для труб особого предназначения изнутри проверяют трубу при помощи перископа. Широко применяют методы неразрушающего контроля, к примеру, дефектоскопия (ультразвуком, магнитом).

Ультразвуковая дефектоскопия помогает обнаруживать дефекты и на самой трубе, и в толще её стенки.

По уровню эхо-сигнала от заданного искусственного дефекта, наносимого на испытательный образец, производится отбраковка труб.

Испытательным образцом - эталоном, служит отрезок трубы, визуально без дефекта. Размер и материал образца те же самые, как и у тестируемой трубы. На трубу (снаружи или внутри) наносят искусственно повреждение в виде риски прямоугольной либо треугольной формы (рис. 6, 7).

Прямоугольные риски наносят для контроля труб со стенкой толщиной S ≥ 6 мм, а треугольной - для контроля труб толщиной S менее 2 мм. Трубы со cтенкой толщиной менее 6 мм проверяют образцами, где наносят прямоугольные или треугольные риски.

Трубы, где S/DH ≤ 0,2, искусственные дефекты снаружи и внутри одинаковых размеров. У труб, где отношение S/DН более 0,2, допускается увеличение глубины искусственного дефекта внутри трубы по сравнению с наружным дефектом (максимально в два раза).

Зависимо от требований к качеству труб, искусственные дефекты имеют различные размеры. Стандартом предусмотрено пять типоразмеров дефектов. Номер типоразмера указан в нормативных технических документах на конкретный тип трубы. Наиболее широко применяют типоразмер 4 (глубина царапины составляет 0,1 от толщины стенки, длина - 100 мм).

Учитывая материал и технологии изготовления, трубы подвергают контролю на продольные, поперечные или продольно-поперечные дефекты.

Обобщенно структуру производства бесшовных труб следует рассматривать в сфере трех переделов: получение слитка (непрерывнолитой заготовки); изготовление заготовки (полупродукта); получение трубы.

Для реализации данной структуры возможны различные варианты сочетания оборудования (рис. 8). Типичным для всех вариантов считается наличие производства жидкого металла, его разливка в изложницы, либо в MHЛ3. Это первый передел.

Второй передел - производство заготовок (полупродукта) - реализуется в прокатных либо в кузнечных цехах, на станах продольной (винтовой) прокатки и ковочных прессах (молотах) соответственно. При этом достигают высокие требования к качеству трубной заготовки, по внутреннему строению и уровню загрязненности серой, фосфором и растворенными газами. Трубные слитки и заготовка из черного металла могут передаваться в трубопрокатные цехи.

Еще более сложный передел, это третий передел, реализуемый в трубопрокатных цехах. Он также состоит из 3-х этапов: прошивки, раскатки и отделки в горячем состоянии. Применение различных способов прошивки на основе винтовой прокатки (станы валкового типа); прессования; сочетание прессования и продольной прокатки позволяет, как исходный продукт, использовать как заготовки, так и слитки и производить высококачественную гильзу.

Для менее пластичных и труднодеформируемых сталей обычно используют при этом способы прессования и прессвалковой прошивки.

Прошивку осуществляют на валковых станах с рабочими клетями барабанного типа; вертикальных гидравлических прессах прямого действия; прессвалковых установках с гидравлическим или реечным приводом толкателя и двухвалковой клетью продольной прокатки.

Для раскатки также используются способы продольной и винтовой прокатки, выдавливания металла в щель, периодической прокатки на оправках (короткой и длинной). Указанные способы реализуются соответственно на автоматических, непрерывных, реечных станах, линиях винтовой прокатки, трубопрофильных прессах и пилигримовых станах.

На этом этапе получают требуемую толщину трубы (её стенки). Для вариантов использования автоматического и реечного станов в оборудование включают обкатные станы винтовой прокатки, чтобы получить правильный круговой профиль и устранить утолщения стенки (по месту выпуска калибров). Следует отметить разнообразие конструктивного исполнения раскатных станов, использование рабочих клетей со станиной открытого (автомат-стан, трехвалковый раскатной и др.) и закрытого (непрерывный, реечный, пилигримовый) типов и др.

Весьма ответственным является этап калибрования в горячем состоянии, выполняемый способами продольной и винтовой прокатки без оправки. Здесь окончательно создаётся правильный круговой профиль, диаметр трубы в пределах имеющихся на него допусков. Для калибрования и редуцирования преимущественно используются непрерывные группы двух- и 3-хвалковых клетей (закрытого типа).

Широко распространен редукционно-растяжной режим работы группы клетей на непрерывном агрегате. Этот набор оборудования отличается многообразием типов главного привода: индивидуальный, групповой, дифференциально-групповой, гидравлический, что позволяет обеспечивать прецизионное регулирование скорости при вращении валков.

При всем многообразии размеров и используемых сортов стали, необходимых для изготовления труб без швов и заготовок (полых) (более 30 тыс. профилеразмеров и более 200 марок сталей), можно структурно выделить однородные операции, которые по технологии и определяют состав оборудования и компоновку цеха.

Процесс изготовления бесшовных труб и полых заготовок включает в себя совокупность операций, заключающихся в формоизменении заготовки. Это делается до получения готовой трубы с заданными техническими характеристиками. Ход процесса, последовательность операций и виды обработки определяются конфигурацией, размерами и качеством исходной заготовки, требованиями к готовому продукту, определяемыми условиями эксплуатации труб.

Исходный металл хранится или транспортируется на склад. Там он взвешивается, складируется по правилам, а перед отправкой в производство делают контроль (полный или выборочный), и при необходимости, для устранения недостатков дорабатывают и проводят повторно контроль.

Как правило, заготовки проверяют и устраняют недостатки на заводе-поставщике. Но для труб особо ответственного предназначения эта операция дублируется в трубопрокатном цехе. Иногда после устранения недостатков, после доработки заготовки дополнительно обрабатывают, подвергают термическим и химическим видам обработок. Например, заготовки для труб, эксплуатируемых в котлах высокого давления, проходят дополнительные виды всех обработок, после чего повторно подвергаются контролю качества. При прокатке с нагревом на предыдущем этапе изготовления (горячий посад, транзитная прокатка) заготовку нагревают в нагревательных устройствах или на прокатных агрегатах. Тогда заготовки идут мимо склада и участка подготовки к прокату.

Подготовленная заготовка транспортируется на участок производства. Здесь выполняется комплекс операций, обеспечивающих получение чернового изделия: нагрев (при необходимости); различные операции формоизменения, которые проходят с подогревом деформируемого материала; охлаждение; правка.

При сложном производстве циклами операции формоизменения повторяются при сопровождении различного вида обработок. Изделия проверяют, ставят маркировку, дорабатывают и направляют в производство готовой продукции. Здесь из чернового изделия после всех обработок получают готовое изделие с заданными свойствами. Готовая продукция получает после повторного контроля маркировку и, если нужно, доработку; её повторно направляют на отделку и контроль. После этого на трубы наносят антикоррозионные защиты, и трубы отправляют на склад готовых продуктов.

Современное оборудование позволяет ввести технологию определенного процесса на участке производства. Этот комплекс оборудования включает такие участки, как склады, участок инспекции и подготовки исходного материала, линию горячей (или холодной) деформации, отделение черновой обработки, частичный контроль, доработку, отделку готовой продукции.

Все они связаны транспортными операциями между собой

• выпуск продукта с заданными свойствами
• объемы производства при минимизации отбраковок обрабатываемого материала
• минимальные расходы по переделу
• высокую производительность труда
• удовлетворительные условия работы обслуживающего персонала
• отсутствие вредных выделений в окружение цеха и в окружающую среду (водный, воздушный бассейны).

Процессы технологии при производстве труб определяются числом и видами операций, режимами обработки и составом технологического оборудования, числом его единиц, сложностью их взаимосвязей, требованиями к транспортным и управляющим системам, а также к энергетическим и вспомогательным службам.

В процессе превращения черновой трубы в готовую используют разные способы обработки труб.

Широко применяют термическую обработку труб, она способствует:

• улучшению пластических свойств
• механических характеристик материала труб
• снятию напряжений, возникших вследствие холодной деформации заготовки.

Термообработку выполняют на воздухе, в газообразной смеси из продуктов сгорания в печи, в защитных средах (азот, водород, смеси газов). Учитывая свойства металла и метод обработки, температура её может быть 500 - 1150 °С. При термообработке труб используют, в основном, печи проходного типа: роликовые, секционные, муфельные конвейерные.

Электрохимическая обработка труб способствует:

• повышению коррозионной стойкости
• повышению уровня чистоты поверхности трубы (электрополировка)
• промывке труб малых Ø и большой длины изнутри
• обезжириванию с созданием оксидной пленки
• обеспечению высоких качественных характеристик вследствие очистки поверхности труб от смазочного средства (электролитическое обезжиривание).

Химическая обработка при производстве труб способствует:

• очистке труб от окалины, налета ржавчины
• выявлению дефектов и снятия дефектного слоя (травление)
• удалению шлама (осветление)
• удалению тонкого слоя поверхностных оксидов до нанесения покрытий, до компоновки биметаллической трубы (активирование)
• подготовке труб к промежуточным операциям (обезжиривание, промывка, нанесение технологических смазок и слоёв)
• защите труб от коррозии (консервация).

Одним из распространенных способов химической обработки труб является травление, к которому относятся также процессы осветления и активирования. Материал и геометрические размеры труб определяют применяемые способы травления: кислотное, щелочное и щелочно-кислотное.

Технологические смазки на трубы наносят на станах или при погружении связки труб в ванну со смазочным раствором. Используются также методы нанесения порошка смазки на подогретую трубу.

Механическую обработку используют для улучшения качественных характеристик поверхности труб (обточка, расточка, шлифование, полирование и опескоструивание). Применяют механообработку отдельных участков трубы с целью их ремонта, разрезки и торцовки труб, обточки и нарезания резьбы на трубах. Выполняются эти операции токарными, шлифовальными и специальными станками, оборудованными ЧПУ, дробеструйными и пескоструйными установками, снабженными системой подачи изделия на обработку. Обработка черновых труб пластической деформацией предусматривает уменьшение их кривизны, овальности, повышение точности диаметра, формирование конца необходимой конфигурации.

Правкой достигается устранение дефектов, связанных с искажением формы всех труб (круглых, профильных). Это совокупность операций, направленных на:

• исправление овальности поперечного сечения трубы
• исправление кривизны труб
• ликвидацию скручивания профильных труб.

Правка достигается изгибом (однократным или многократным), процессом растяжения, кручения, посредством обкатки и раздачи.

Повышение точности внутреннего Ø труб достигают его калиброванием. Калибрование концов труб позволяет улучшить условия нарезки резьбы и повысить качество и степень надежности резьбовых соединений.

Испытание и инспектирование готовых труб способствует проверке изделий на их соответствие поставленным в документации техническим требованиям относительно качественных показателей и геометрии труб. Трубы проверяют гидравлическим и пневматическим давлением; это выявляет нарушения гомогенного слоя металла, проверяет прочность сварных и плотность резьбовых соединений, позволяет провести осмотр и измерить геометрические размеры труб.

Для предотвращения повреждения металла вследствие коррозии при использовании труб при добыче нефти и газа, разработке химических средств и материалов, в строительстве, других сферах на трубы наносят различные виды защитных слоёв. Металлический слой наносится на трубы Ø до 530 мм, неметаллические - на трубы Ø до 2520 мм.

К определенным видам обработок относятся специфические операции, направленные на изготовление труб специальных и новых видов. Это приварка замков, навивка и приварка ребер, снятие заусенца после сварки и пр. Сюда относятся виды операций по изготовлению и навертке соединительных и предохранительных фитингов нарезных труб.

Существует специальное оборудование и агрегаты в целом для осуществления этих операций.

Трубы из сталей и сплавов, многослойные трубы производятся с помощью горячей прокатки и методом прессования. Свойства металла, геометрия труб, требования к ним определяют методы горячей прокатки труб. Это методы со своими преимущественными характеристиками и недостающими моментами. Однако методы горячей прокатки труб объединяют ряд технологических процессов:

• прошивку гильзы;
• ее подогрев (если нужно);
• раскатку гильз в трубы промежуточных размеров;
• нагрев последней (если нужно)
• окончательное формирование Ø и толщины стенки у труб.

1) прошивка гильзы — прошивка в стане валкового типа винтовой прокатки или на прессе. Имеет место пресс-валковая прошивка, состоящая из сочетания прошивки на прессе с раскаткой в стане валкового типа винтовой прокатки;

2) раскатка гильзы в трубу может осуществляться в виде продольной прокатки на неподвижной короткой или на длинной плавающей оправке (непрерывные многоклетьевые прокатные линии); прокатки на 2-х или 3-хвалковом стане винтовой прокатки; выдавливания материала в кольцевую, образуемую стационарной оправкой щель (пресс для профильных труб); на станах планетарных и реечных и т.д.

3) окончательное формирование Ø готового изделия, толщины стенки трубы осуществляется на станах для продольной прокатки или на станах для продольной прокатки в сочетании с прокаткой на стане для винтовой прокатки или используются другие возможности.

Ключевым при получении бесшовного трубного проката методом горячей прокатки является применяемый способ раскатки трубной заготовки, гильзы. По этому способу соответственным образом называют линии для прокатки труб.

Гильзу прокатывают в продольном направлении, прокатывают на стане в режиме автоматической прокатки. Это один из наиболее используемых методов при получении трубной продукции (при заданной толщине стенки). Это обычный нереверсивный стан с клетью из двух валков. При прокатке гильзы используется круглый калибр, прокатка идет в два прохода с неподвижной короткой оправкой. Оправка ставится между валками.

Для изготовления труб разного Ø предназначены определенные прокатные линии. Для прокатки изделий Ø менее 150 мм предназначаются малые линии. Для прокатки труб Ø 250 мм служат средние линии. Большие линии предназначены для прокатки изделий Ø 426 мм и >. На этих линиях получают трубный прокат из углеродистой и легированной сталей.

Непрерывные трубопрокатные станы для получения трубного проката Ø 16-426 мм с толщиной стенки 2-25 мм в основном из углеродистых и низколегированных (реже высоколегированных) сталей. Получила широкое распространение. Это наиболее перспективный метод при получении труб, обеспечивающий высокую производительность. Прокатка идет с длинной оправкой и позволяет производить трубы с большой длиной.

Пилигримовые трубопрокатные станы для получения толстостенных труб различного профиля применения, труб для нефтяной сферы (добывающей и перерабатывающей).

Метод пилигримовой прокатки является периодическим способом изготовления необходимой толщины стенки у трубной продукции. В отличие от принятого метода прокатки (продольной), к чему относится прокатку на стане в режиме автоматики, пилигримовая прокатка обеспечивает переменчивость радиуса ручья валков.

Для прокатки изделий Ø менее 114 мм, длиной макс. 60 м, стенкой мин. 2,5 мм толщиной предназначаются малые линии. Для прокатки труб Ø 114-325 мм, длиной макс. 40 м, толщиной стенки мин. 5 мм служат средние линии. Большие линии служат для прокатки изделий Ø макс. 700 мм, длиной макс. 35 м, толщиной стенки мин. 6 мм.

Трёхвалковые трубораскатные станы применяют для прокатки толстостенных прецизионных труб из углеродистой стали. Данные трубы имеют Ø 40-200 мм, стенку толщиной 0,09-0,25 диаметра. На этих линиях получают основной трубный прокат из вида сталей ШХ15, используемых для получения колец в подшипники качения и для нужд машиностроения.

Реечный трубопрокатный стан служит для прокатки тонкостенных труб из углеродки и легированной стали. Их длина достигает максимально 16 м, Ø 21-219 мм, стенка 2,5-10 мм толщиной.

Трубопрофильный пресс служит для получения трубного проката Ø 12,7-220 мм из легированных сталей и сплавов.

Наиболее распространены в мире автоматические трубопрокатные линии, пилигримовые трубопрокатные станы, непрерывные станы и трубораскатные трехвалковые станы.

Наиболее широкий сортамент труб получают на автоматических трубопрокатных и пилигримовых станах. Непрерывные трубопрокатные линии и трехвалковые трубораскатные линии служат для получения трубного проката с малыми и средними Ø. Первые - для относительно тонкостенного, а вторые - толстостенного трубного проката.

Трубораскатные трехвалковые линии обеспечивают производство трубных прокатов прецизионных геометрических размеров, они в 1,5-2 раза превышают точность размеров труб, получаемых на других установках.

Расходы на передел при прокатке на всех перечисленных выше трубопрокатных агрегатах находятся в пределах 15-40 % от себестоимости продукта, а 60-80 % расходов составляет стоимость металла. Очень важным показателем эффективности производства является расходный коэффициент, значения которого минимальны при использовании непрерывных раскатных станов.

Технология в процессе прокатки основана на обработке материала (металла) давлением. Прокаткой получают свыше 80 % всех изделий. Во время прокатки заготовки пропускают через зазор между валками прокатной линии, где они обжимаются валками, приобретая при этом необходимые размеры и форму. 3 основных вида прокатки см. на рис. 8: продольную, поперечную и винтовую.

Продольная прокатка характерна тем, что заготовка, попадая в валковый зазор, обжимается. Вращение валков идет в противоположных направлениях. Оси валков лежат в одной плоскости.

Металл под воздействием сил трения поступает в валковый зазор и перемещается перпендикулярно плоскости, которая идет через оси валков. Происходит обжим заготовки по высоте, она удлиняется, форма ее сечения приобретает форму зазора. От структуры бочки валка зависит, что получается из исходного материала или заготовки после прокатки. Пазы на обоих валках расположены симметрично оси, перпендикулярной оси валка, и образуют калибр. Форму данного калибра и приобретает исходный материал или прокатываемая заготовка.

Поперечная прокатка характерна тем, что вращение валков идет в одинаковом направлении. Оси валков и ось материала или заготовки параллельны. Валки как бы обкатывают заготовку. Расстояние между валками уменьшается. С его уменьшением уменьшается Ø заготовки, а значит, она удлиняется. Методом поперечной прокатки прокатываются зубчатые шестерни, накатывается резьба на болты.

Винтовая прокатка тоже характерна тем, что вращение рабочих валков идет в одинаковом направлении.

Оси валков перекрещиваются относительно оси заготовки под углом. Благодаря этому заготовка в процессе деформации вращаясь совершает поступательное перемещение, движется вокруг своей оси по винтовой линии. При винтовой прокатке получают бесшовный трубный прокат, периодические профили, шары, ролики.

Эти виды прокатки похожи между собой, имея много общего. Оба вида можно было бы реализовать на одном универсальном стане, на котором необходимо было бы изменять положение валков в пространстве относительно заготовки, не изменяя направление их вращения.

Все трубопрокатные процессы прокатки в круглых калибрах между двумя или тремя валками можно было бы технологически поделить на 2 группы: прокатка в калибрах с оправкой и без оправки.

При процессе первой группы получают при раскатке толстостенных гильз тонкостенные трубы. При этом стенка трубы сильно обжимается и её Ø уменьшается. Процессы второй группы имеют главной целью уменьшение диаметра труб, причем толщина их стенки может либо уменьшаться, либо увеличиваться, либо сохраняться неизменной.

1-я группа процесса прокатки, см. 3 способа прокатки труб рис. 9, все на оправке:

а) на оправке неподвижной и короткой;
б) на оправке длинной, она перемещается с гильзой-трубой через калибры валков;
в) на оправке длинной, в калибрах с переменным профилем (периодическая пилигримовая прокатка).

Технология прокатки труб на оправке длинной и цилиндрической, получившая наибольшее распространение, осуществляется по одному из 2-х имеющихся вариантов взаимодействия с гильзой:

• гильзой плавающей (перемещение оправки с гильзой вместе);
• контролируемо перемещаемой (оправка движется соответственно заданной кривой).

Разновидностями этого процесса является непрерывная прокатка на удерживаемой цилиндрической или суживающейся оправке (рис. 10), которая принудительно перемещается во время прокатки на величину шага клетей. Скорость её перемещения меньше скорости транспортировки трубы. Периодическая прокатка труб на такой оправке (длинной и в калибрах с изменяемым профилем) приемлема для пилигримовых станов.

Для пилигримовой прокатки характерны возвратно-поступательные движения оправки вместе гильзой и их поворотом на 90°, и подача после каждого цикла деформации.

Прокатка труб в круглых калибрах, но без оправок, применима на калибровочных, редукционных и редукционно-растяжных линиях различных типов. Для прокатки труб с круглым профилем (на оправке и без оправки) применяют калибры: овальные и круглые.

При сравнении калибров и отношения их осей более тесным оказывается круглый калибр. Здесь при прокатке с выпусками по дуге окружности неравномерность деформации металла будет меньше. При прокатке же в овальном калибре при том же соотношении осей неравномерность деформации металла будет значительно больше.

Отрицательным в прокатке в калибрах является сплющивание контура трубы в процессе обжатия валками, особенно в период захвата. Сущность сплющивания в том, что поперечное сечение трубы деформируется при практически неизменном периметре - размер контура трубы уменьшается в направлении обжатия и увеличивается в направлении, перпендикулярном обжатию.

Причиной сплющивания является несоответствие формы калибра и трубы. Вследствие этого труба в момент захвата обжимается не по всей поверхности калибра, а только по отдельным местам (начало захвата).

Задняя граница по очагу деформации не плоская кривая, что мы наблюдаем на рис. 11.

Рис. 11. Форма горизонтальной проекции контактной поверхности при первом (а) и втором (б) проходах: D - диаметр круглой формы, a – ширина калибра, b – высота калибра.

По мере сплющивания контура заготовки, стенки калибра продолжают все сильнее давить на неё. При получении определенного параметра настройки калибра сплющивание прекращается. Чем больше отношение Ø трубы к толщине ее стенки, тем легче расплющивается её контур. Тем меньше вытягивается труба при её размерах и форме калибра.

При выборе тесного калибра и прокатке толстостенной под действием подпирающих сил стенок ручья сплющивание может прекратиться раньше. При этом уширение в зоне вершин калибра происходит, главным образом, внутрь трубы, а в зоне выхода - внутрь и наружу. В обоих случаях идет утолщение стенки.

Величиной обжатия можно в достаточной степени повлиять на деформацию, особенно в случае прокатки цельных заготовок. Для сжатия полых заготовок это неприемлемо, так как обжатие в этот момент больше действует не на вытяжку металла, а больше сплющивает контур трубы. Аналогом обжатия является уменьшение среднего периметра трубы, а утолщение стенки имеет физический смысл уширения.

При прокатке на оправке внутренний Ø заготовки должен быть более Ø оправки. В очаге деформации есть всегда два участка - зона уменьшения Ø и зона обжатия стенки.

Применение оправок позволяет существенно ограничивать сплющивание, которое может происходить только в зоне редуцирования. Здесь ширина калибра определяется величиной сплющивания в этой зоне.

Для уменьшения сплющивания и увеличения коэффициента вытяжки при описанном выше варианте обжатия необходимо применять калибры такой формы, чтобы захват трубы происходил на как можно большем участке ее периметра. Поэтому профиль калибра должен выбираться, исходя из максимального приближения формы задней границы очага деформации к плоской кривой.

Для получения бесшовных труб пользуются винтовой прокаткой. Особенно при прокатке специальных изделий (шаров, колец, втулок, прутков повышенной точности). Для раскатки цельной заготовки в гильзу на агрегатах винтовой прокатки используют рабочие валки различной формы (бочковидные, грибовидные, чашевидные и дисков). Наиболее распространены валковые станы, на которых настраивается угол подачи валков, и раскатка идет под углом. От угла подачи зависит поступательное или осевое движение заготовки, от угла раскатки зависят радиус и окружная скорость валка. Основным технологическим фактором является угол подачи.

Со времени разработки Маннесманном в 1885 г. способа получения бесшовных труб процесс винтовой прокатки имеет три основных этапа развития.

Первый этап характеризовался ведением процесса прошивки при высоких суммарных обжатиях заготовки (до 25 %) и малом угле подачи (3-5°) с образованием зоны разрушения металла в конце оправки. Оправка служила для раскатки и дальнейшего расширения полости заготовки. Калибровка инструмента отличалась большими углами конусности валков и короткой оправкой. Качество внутренней поверхности раскатанных гильз и труб (особенно из легированных сталей) было неудовлетворительным. Процесс прошивки с предварительным образованием полости обоснован в работах Ф. Кокса, Э. Зибеля.

Наши ученые И.А. Фомичев, А.Ф. Лисочкин, В.В. Швейкин, В.С. Смирнов, П.Т. Емельяненко и ещё ряд ученых предложили осуществлять раскатку без образования в заготовке осевой полости. Это достигалось снижением обжатия в конце оправки. Из-за уменьшения суммарного обжатия носок оправки выходил за пережим валков. При таком способе раскатки для деформирования «разрыхленного» (подготовленного к вскрытию полости) металла требовались, якобы, небольшие усилия, и качество внутри гильз и труб стало лучше. Но и на этом этапе на внутренней поверхности труб часто наблюдались плены, риски.

3-ий этап в развитии трубопрокатного процесса связан с разработкой технологических режимов при прокатке, основанных на повышенных значениях угла подачи.

Новые режимы отличаются тем, что при угле подачи 18-20° исключается вскрытие полости при возможных (до 25%) степенях обжатий. Эта идея развивалась в ходе комплексных разработок процесса винтовой прокатки, большинство которых основывалось на фактах, определяющих механизм разрушения в процессе винтовой прокатки. Это:

• неравномерность деформации, соотношение между поперечной и продольной деформацией; неравномерность деформации уменьшается с повышением частных обжатий, числа обжимающих валков и размера обжимаемой площади;
• число частных обжатий, воздействие температуры и скорости; увеличение числа частных обжатий провоцирует склонность металла к разрушению;
• зависимость природной пластичности металла, определяемой химическим составом, качеством выплавки.

Пока ещё не удалось выработать единую концепцию относительно разрушений осевой зоны заготовки. Однако, по мнению многих ученых, снижения склонности к образованию полости можно достичь при уменьшении неравномерности и цикличности деформации в результате повышения частных обжатий.

Чтобы оценить пластические характеристики металла в процессе винтовой прокатки, можно испытать образцы на прошиваемость. Под прошиваемостью понимают способность тела (заготовки, образца) безвозвратно менять свою форму, не нарушив целостность изделия при его деформации на линии винтовой прокатки.

Для исследования технологической пластичности металла при вновь разрабатываемых режимах деформирования предпочтительным следует признать метод прокатки цилиндрических заготовок с их торможением в стане. Он позволяет оценивать деформируемость без разрушения.

По поводу роли оправки в предрасположенности металла к центральному разрушению существуют различные мнения. В одном указывается, что наличие оправки создает подпирающие усилия со стороны ее носка, уменьшает осевые напряжения в центре заготовки или даже делает их сжимающими. Это затрудняет вскрытие полости.

Сегодня разработки по этому вопросу продолжаются. Расположенность металла к разрушению в новых разработках преподносится с точки зрения трех основных факторов: угла подачи валков, вида направляющего инструмента, коэффициента овализации. Также были проведены исследования на предмет того, как угол раскатки и оправка влияют на расположенность металла к разрушению.