Трубное производство

Среди них наиболее существенные проблемы: проблемы модернизации оборудования чаще всего откладываются на потом. В то же время изношенность основных фондов составляет 60% и более. Требуется  коренная реконструкция основных фондов, внедрение ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий. Перспективным является внедрение полного контроля  технологических операций.

Изложенное выше вызвало  необходимость принятия срочных  системных мер на государственном и отраслевом уровнях, а также на уровне отдельных предприятий  по обеспечению конкурентоспособности трубной продукции и экономической  стабилизации подотрасли.

Современные технические  требования к трубам, полученных на трубоэлектросварочных станах развиваются в следующих основных направлениях:

- повышение требований  к рулонному прокату, исходному  материалу для производства труб;

- повышение технологических  требований к сварочному процессу  в части обеспечения и увеличения  производительности;

- увеличение объема и видов технологических и сдаточных испытаний;

- ужесточение и автоматизация  неразрушающего контроля продукции;

- наличие доступной  и прозрачной системы контроля  производства.

На современном этапе  все более востребованными становятся  трубы, обладающие повышенной прочностью. При этом более высокими стали требования к ударной вязкости основного метала и полученного сварного шва.

В последнее время  все более жесткими становятся требования к геометрическим параметрам труб: предельным отклонением по толщине стенки; точности диаметра концов и корпуса труб, овальности, отклонения профиля поверхности трубы от теоретической окружности в районе сварного шва, прямолинейности труб, высоте и ширине валиков усиления сварных швов и др. [7]   

  В области производства сварных труб малого и среднего диаметра наиболее актуальными на сегодняшний день являются следующие проблемы:

а) повышение прочностных характеристик и увеличение толщин стенок (до 22 мм и более), а также требований к качеству и ударной вязкости сварного шва;

б) расширение производства сварных труб устойчивых к коррозии и пригодных к работе при низких ( до -60С) температурах;

в) увеличение доли профильных труб в объеме производства трубоэлектросварочных станов (до 50-60%), что в свою очередь ставит задачи разработки нового оборудования, в том числе и для профильных труб больших размеров (до 400х400) с толщиной стенки до 14-16 мм.[8]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.0 ПРОЦЕССЫ СВАРКИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ТРУБ

В мировой практике изготавливают  трубы и трубчатые профили, которые характеризуется широким многообразием по размерам, способам производства, маркам сталей и сплавов. Совершенствование технологических процессов изготовления труб  является существенным резервом повышения эффективности трубного производства.

При производстве сварных труб по сравнению с бесшовными  трубами  значительно  снижается стоимость  их изготовления, облегчаются условия  полностью автоматизированного  поточного производства, уменьшаются  первоначальные капитальные затраты, а вес оборудования снижается примерно на 15-20%. Благодаря успехам, достигнутым в области сварки, сварные трубы по прочности не уступают бесшовным.

 Сварные трубы производят  несколькими видами сварки. Эти  виды сварки можно разделить  на две  основные подгруппы:  дуговая сварка труб; сварка  труб токами высокой частоты.

2.1 Дуговая сварка

2.1.1 Дуговая сварка под слоем флюса

Дуговая сварка под слоем  флюса применяется главным образом  для производства труб большого диаметра, предназначенных для магистральных  трубопроводов газа, нефти и нефтепродуктов.

По направлению шва трубы  разделяют :

а) с прямым швом;

б) со спиральным швом.

Дуговая сварка под слоем флюса  с прямым  швом применяется при  изготовлении  труб диаметром 426-1220 мм, толщиной стенки 3-13 мм и длиной, как правило 6-12 м, а со спиральным швом-диаметром 426-2400 мм, толщиной стенки 3-15 мм и длиной 12-18м.

При изготовлении труб дуговой сваркой  под слоем флюса с прямым швом в качестве исходной заготовки применяют  горячекатаную листовую сталь мерной длины, как правило, 6-12,5 м (рис.2.1), а со спиральным швом – горячекатаную листовую сталь в рулонах. Технологический процесс изготовления прямошовных труб большого диаметра состоит из трех стадий: подготовки и формовки листа; сварки труб и их отделки .

Рис.2.1. Схема сварки труб под слоем флюса: 1 - труба;     2 - сварной шов;    3 - шлак; 4 - медный башмак; 5 - подача флюса; 6 -сварочные головки;  7 - отсос избыточного флюса

 При спиральной  сварке труб лист одной ширины  используют для производства труб различного диаметра. Перевод стана спиральной сварки для изготовления труб другого диаметра требует минимального времени. Длина получаемых труб практически неограниченна. Непрерывность процесса, минимальные производственные площади, небольшое количество обслуживающего персонала и высокая производительность труда сделали этот способ одним из наиболее прогрессивных  для получения труб большого диаметра. Трубы обладают высокой конструктивной прочностью.

К недостаткам спиральной сварки следует отнести большую протяженность сварного шва и низкую  скорость сварки – до 2 м/мин . 

Основными технологическими операциями при производстве труб выполненных  дуговой сваркой являются: формовка трубной заготовки, сварка и редуцирование (калибровка) сваренной трубы. Эти технологические операции связаны в один цикл и осуществляются  непрерывно.

Формовку листа (штрипса)  осуществляют на непрерывных формовочных  станах, имеющих клети с горизонтальными  и вертикальными валками. На этих станах кромки сформованной в трубу заготовки нагреваются и свариваются. Далее редуцирование и калибровка трубы.

2.1.2 Аргонодуговая сварка

Одним из способов производства сварных труб,  является аргонодуговая  сварка . Дуговую сварку с защитой дуги инертным газом (аргоном или гелием) применяют для производства тонкостенных труб (с прямым швом) диаметром 15-426 мм и толщиной стенки 0,2-5 мм из высоколегированных сталей аустенитного класса, а также из никеля и его сплавов, магния, циркония и др. Наибольшее распространение такая сварка получила для выпуска труб диаметром от 6 до 71 мм с толщиной стенки от 0,4 до 3,0 мм. Схема аргонодуговой сварки прямошовных труб показана на рис.2.2.

 

                      

Рис. 2.2.  Схема аргонодуговой сварки прямошовных труб: 1 — смотровое окно; 2 — вольфрамовый электрод; 3 — сварочная горелка; 4 — уплотняющая прокладка; 5 — свариваемая труба; 6 — уплотнительное кольцо; 7 — полугерметичная камера; 8 — приспособление для поддува газа; 9 — опорно-сварочные валки; 10 — верхняя крышка камеры; 11 — баллон с газом

 

 

Существенным преимуществом  метода аргонодуговой сварки является возможность сварки труб из высоколегированных сталей, а недостатком – сравнительно низкие скорости сварки: 0,5-1,5 м/мин.

Применение аргона в качестве защитного газа обеспечивает более устойчивое горение сварочной дуги, лучшую защиту сварного соединения и меньшее провисание металла шва по сравнению с гелием, так как потенциал ионизации гелия выше, а плотность меньше чем у аргона.  При производстве труб диаметром до 100 мм применяют вольфрамовый электрод. При аргонодуговой сварке труб используют постоянный ток напряжением 12-15В и силой 150-200А.

Особое внимание при  аргонодуговой сварке труб уделяют  чистоте кромок. Кроме этого, при  производстве труб из цветных металлов (титан, ниобий), а также из высоколегированных сталей особенно следят за хорошей чистотой  поверхности трубы.

При аргонодуговой сварке предел прочности металла шва  обычно на 10-20% выше, чем основного  металла, а относительное удлинение ниже на 10-30%.

Станы для сварки труб выполняют одни и те же технологические  операции и различают только по способу  нагрева кромок. Так, на этих станах производят сварку: радиочастотную (ток  радиотехнической частоты подводится как контактно, так и индуктивно); сопротивлением переменным током (контактный подвод тока с частотой 150-450 гц); индукционную (токами высокой частоты); сопротивлением постоянным током.

2.2 Сварка токами высокой частоты

2.2.1 Сварка труб методом сопротивления

Нагрев кромок трубной заготовки и сварка их током  осуществляется частотой 50-700 гц. При контактной сварке методом сопротивления электрический ток подводится к сформованной трубной заготовке посредством вращающихся электродных колец, являющихся основной частью вращающегося сварочного трансформатора. Электродные кольца и сварочные валки создают замкнутый контур. Под действием усилий со стороны сжимающих валков и электродных колец кромки трубной заготовки  сближаются. Через электродные кольца к заготовке подается электрический ток порядка десятка тысяч ампер. Схема сварки труб методом сопротивления показана на рис.2.3.

                                                                                                                                              

Рис.  2.3.   Схема контактной  электросварки труб методом сопротивления: 1 — электроды:    2 -— изолятор;   3 — сжимающие  валки;   4 — формующие   валки;   5 —направляющая шайба;   6 — труба

Сопротивление стыка кромок трубной заготовки значительно больше, чем сопротивление трубы, в связи, с чем преимущественно  нагрев происходит на стыке кромок. При этом под давлением опорно-сварочных валков и электродных колец нагретые кромки привариваются друг к другу.

Первоначально при способе сварки токами высокой частоты использовались частота 50 – 700 Гц.  При сварке труб переменным током сила тока изменяется по синусоидальному закону. Это приводит к переменной температуре кромок. Если бы контакт свариваемых кромок был точечным, то, очевидно, получались бы периодические непровары. Однако практически сварка проходит на  другой длине,  поскольку кромки трубы начинают соприкасаться  друг с другом еще до плоскости осей опорно-сварочных роликов.

Участок контакта кромок от точки их схождения до плоскости  осей опорно-сварочных валков, на котором  осуществляется сварка, называется очагом сварки. Так как сварка кромок находится в очаге сварки некоторое время. Время нахождения точки в очаге сварки зависит от его длины и скорости сварки.

   Возможности увеличения  длины очага сварки ограничены. При увеличении диаметра опорно-сварочных валков и электродных колец длина очага сварки увеличивается незначительно.

Таким образом, контактная сварка труб сопровождается периодической неоднородностью сварного шва в результате синусоидальных колебаний переменного тока. При определенных скоростях сварки эта неоднородность, обнаруживающаяся как по внешнему виду, так и в его изломе, ведет к понижению прочности шва из-за периодических непроваров и, как следствие, нарушение его герметичности. Периодическая неоднородность уменьшается при увеличении частоты сварочного тока или снижении скорости сварки.

По мере ужесточения  требований к полученным сварным  трубам все шире стали применять сварку на повышенных частотах – 2000 – 8000 Гц. Именно этот диапазон частот с учетом ферромагнитных свойств свариваемых сталей позволяет получать оптимальный нагрев с учетом толщины свариваемых кромок на участке сварке. Уменьшение  толщины стенки в трубах обусловило использование частот в диапазоне 100000 Гц и более, что в свою очередь позволило увеличить скорость сварки. 

2.2.2 Радиочастотная сварка труб

Контактной  сваркой  токами высокой частоты с нагревом кромок сваривают трубы диаметром 6-630 мм и толщиной стенки 0,5-8 мм, используемые главным образом в качестве конструкционных (до диаметра 168-219 мм) и нефтегазопроводных (диаметр более 114 мм ).

Очевидное преимущество этого метода – резкое расширение возможностей в трубоэлектросварочном  производстве с точки зрения материалов, значительное увеличение скорости сварки, уменьшение грата, возможность сварки труб из горячекатаной  полосы.

Нагрев кромок и сварка трубной заготовки осуществляется  токами высокой частоты. Применение тока высокой частоты  66 - 660 кГц для сварки труб основано на том, что ток при этой частоте идет не по пути наименьшего сопротивления, а по пути наименьшей индукции.

Ряд физических явлений, связанных с протеканием токов  высокой частоты, позволяет осуществлять чисто поверхностной нагрев при выделении энергии в  тонком слое металла, лежащем на свариваемых поверхностях. Подвод высокой частоты к кромкам трубной заготовки осуществляется двумя способами: контактным и индукционным рис.2.4.