УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ТРУБОПРОВОДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ОСНОВНОЕ. Учебное пособие Воронеж 2015
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
3. ТРУБЫ Для магистральных и промысловых трубопроводов высоко- го давления могут применяться бесшовные горячедеформиро- ванные трубы и их модификации, сварные прямошовные и спиралешовные трубы из рулонной или листовой стали и тру- бы специальных конструкций — дву- и многослойные. Инженеры, технологи, проектировщики и строители неф- тяной и газовой промышленности не всегда имеют достаточно полные данные о работоспособности различных типов труб и руководствуются в своей работе соответствующими инструк- циями и указаниями. В то же время нормативные документы имеют достаточно широкое назначение и часто рекомендуют большое разнообразие труб. Наша задача — показать принци- пиальное влияние технологии изготовления труб, заготовок для труб, а в отдельных случаях и используемого оборудова- ния на свойства стали в изделии и на точность размеров труб с тем, чтобы помочь в практической работе специалистам при выборе труб. В настоящее время для строительства трубопроводов применяют трубы, изготовляемые по двум принципиально различным технологическим процессам: 1) малого диаметра (менее 530 мм), в основном бесшовные трубы, получаемые ме- тодом горячего деформирования; 2) сварные трубы большого диаметра, получаемые методами холодного деформирования и последующей сварки. Трубы малых диаметров могут прохо- дить вторичную горячую или холодную деформацию с целью получения более высококачественной поверхности и повыше- ния точности их размеров. Для обеспечения стабильной работоспособности труб в сооружении большое внимание уделяется контролю труб на заводах, особенно технологическому контролю с широким ис- 77 пользованием ЭВМ, управлению качеством производства труб. Задача заводского контроля не отбраковывать дефектные трубы, а максимально предупреждать брак на всех стадиях прокатки, формовки или сварки труб, а также отделки. По данным механических испытаний заполняются сертификаты, удостоверяющие соответствие изготовленных труб требовани- ям стандартов или технических условий на их постановку и фиксирующие фактические (поправочно) свойства стали в го- товых трубах. 3.1. Бесшовные трубы Бесшовные трубы общего назначения в ряде случаев применяются для строительства трубопроводов и поставляют- ся по ГОСТ 8731—74 «Трубы стальные бесшовные горячеде- формированные; технические требования» и по ГОСТ 8732— 78 «Сортамент». В ограниченных объемах применяются стальные холоднодеформированные и теплодеформированные трубы по ГОСТ 8733—74 группы «Б», т. е. с гарантией содер- жания химического состава и механических свойств, и трубы бесшовные повышенной точности, поставляемые по ГОСТ 9567—-75 «Сортамент и требования к точности размеров». Преобладающее большинство бесшовных горячекатаных труб производится из слитка круглой или многогранной фор- мы, в ограниченных объемах производятся трубы из катаной заготовки или из полых трубных гильз, полученных методами центробежного непрерывного литья или другими способами. Качество заготовки определяет и последующее качество бесшовных труб. В частности, при производстве труб из слит- ка вследствие неоднородности его структуры качество бес- шовных труб также неоднородно. Трубы, прокатанные из го- ловной части слитка, часто имеют закаты, плену, нестабиль- ный химический состав. Производство труб из катаной заго- товки всегда способствует улучшению свойств стали и преду- преждает металлургические дефекты в трубах, улучшает каче- ство их поверхности. Поэтому при заказе труб ответственного 78 назначения необходимо оговаривать в технических условиях на их поставку тип заготовки, используемый для производства бесшовных труб. Бесшовные трубы поставляются в горячека- таном состоянии или при соответствующем оформлении в термообработанном состоянии. Прокатка труб (вытяжка заго- товки в готовое изделие) производится на станах: пилигримо- вом, автоматическом, двух- или трехвалковом, непрерывной прокатки и других конструкций. Тип стана определяет точ- ность размеров и качество труб. На пилигримовом стане вытяжка заготовки в трубы осуществляется путем циклической прокатки на валках с пе- ременным радиусом ручья по окружности — приблизительно на одной половине окружности валка имеется рабочий ручей, па второй половине — холостой ручей большего радиуса. Процесс горячей прокатки труб осуществляется в следующем порядке. Нагретая до заданной температуры литая или катаная заготовка прошивается и вытягивается в гильзу. Толстостенная гильза на длинной цилиндрической оправке вводится специ- альным устройством в пилигримовые валки. В соответствии с направлением вращения пилигримовых валков гильза при ка- ждом цикле прокатки смещается назад, образуя короткий отре- зок готовой трубы. Рабочий цикл прокатки труб прерывается холостой частью валков. За это время гильза на штанге про- двигается вперед и одновременно поворачивается (кантуется) на 1,57 рад. После этого цикл прокатки повторяется, и так до тех пор, пока гильза не будет раскатана в трубу по всей длине. Нераскатаная пилигримовая головка и неравномерно рас- катанный передний конец труб после прокатки отрезаются. Окончательная отделка и получение готовой продукции осу- ществляются на калибровочном или редукционном трубопро- катном стане. Бесшовным трубам, прокатанным на пилигри- мовых станах, присуща повышенная разнотолщинность сте- нок. В трубах, полученных из слитка, часто наблюдаются ме- таллургические дефекты. Бесшовные трубы общего назначе- ния являются наиболее массовыми по производству. Однако применение их для трубопроводов высокого давления, осо- 79 бенно использование труб из слитка, должно быть максималь- но ограничено. На автоматических станах прокатывают бесшовные трубы диаметром до 406 мм. В качестве исходного материала используют катаную круглую заготовку. Вытяжка прошитой гильзы на автоматическом стане осуществляется в одно- и многоручьевом валках двухвалкового стана. Горячая гильза надвигается с помощью рабочих валков на короткую оправку, которая установлена на штанге. Для получения окончательно- го размера трубы требуется 2—3 прохода. При каждом после- дующем проходе применяется оправка большего диаметра и трубная заготовка поворачивается (кантуется) вокруг своей оси на 1,57 рад. Диаметр последней оправки равен диаметру готовой трубы. Окончательную отделку и калибровку разме- ров труб производят на стане винтовой прокатки. Автоматиче- ские станы позволяют получить до 3 труб за 1 мин с хорошим качеством поверхности, повышенной точностью размеров в сравнении с трубами, полученными на пилигримовых станах. Бесшовные трубы ответственного назначения для нефтяной и газовой промышленности должны изготавливаться в основном на автоматических станах. Прокатка труб на непрерывном стане производится до диаметра 160 мм на длинной гладкой оправке диаметром, рав- ным диаметру готовой трубы. В непрерывном стане толсто- стенная гильза и оправка движутся вместе с высокой скоро- стью через систему клетей (7—9 шт.), последовательно раска- тывающих (утоняющих) стенку. Прокатка завершается за один проход. Полученная трубная заготовка вторично нагревается и прокатывается до окончательного размера на редукционном или редукционно-растяжном трубопрокатном стане. Непре- рывные станы в значительной степени автоматизированы и управляются с использованием компьютеров, что обеспечива- ет высокую производительность процесса и стабильное каче- ство продукции. Полученные трубы имеют длину до 30 м. По- сле редуцирования длина труб может достигать 180 м. Готовая длинная труба охлаждается и разрезается на мерные отрезки, а 80 затем передается па окончательную отделку и испытание. Продолжительность одного цикла прокатки труб составляет примерно 15 с. На непрерывных станах изготавливают высо- кокачественные трубы ответственного назначения. Редуцирование труб на редукционных и редукционно- растяжных станах позволяет существенно уменьшить диаметр и толщину стенки. Возможность быстрой смены клетей на ре- дукционных станах позволяет при ограниченном наборе заго- товок выпускать относительно широкий сортамент труб. В общем случае уменьшение толщины стенки заготовки при ре- дуцировании труб может доходить до 40 % при одновремен- ном 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 газонеф- тепроводов применяют главным образом трубы большого диаметра (530—1420 мм), рассмотрим основные методы их производства и отдельно производство сварных труб диамет- ром 100—476 мм, применяемых для промысловых сетей и об- вязки 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 прес- сах, двусторонней трехслойной сварки продольным швом, правки и калибровки готовых труб в экспандерах — прессах- расширителях. Схема производства труб показана на рис. 11. 81 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 заво- дах применяется многовалковая формовка. В этом случае лист, проходя ряд клетей, последовательно подгибается из плоского состояния в цилиндрическую заготовку. При небольшом объ- еме производства и часто меняющихся размерах труб приме- няется 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 двусторон- ним стыковым швом. Как исключение, в некоторых старых цехах формовка заготовки проводится в горячем состоянии на вальцах. В этом случае листовой металл предварительно на- гревается по режиму нормализации. Сварка заготовки выпол- няется 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 прав- кой в экспандерах на их работоспособность в газонефтепрово- дах. 82 Рис. 12. Распределение пластических деформаций по перимет- ру трубы: А-эпюра деформаций при обжатии на 0,8%; Б - то же при экспандировании на 1,2 %. Д - суммарная эпюра де- формаций с учетом изгиба листа в цилиндр Формовка заготовок труб проводится в такой последова- тельности: 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 тех- нологическая операция важна не только с точки зрения техно- логии производства труб, но она заметно влияет на их работо- способность. Пластическое обжатие по периметру распределя- ется неравномерно, основной объем деформации сосредоточи- 83 вается в верхнем полупериметре сечения заготовки труб вбли- зи кромок листа, и, следовательно, согласно эффекту Баушин- гера, в этой же зоне следует ожидать повышенную деформа- цию растяжения при правке сваренных труб в экспандере. По- этому при формовке заготовки на прессах и правке труб в экс- пандерах 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 применитель- но 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, сниже- ние вязкости стали явилось одной из причин возникновения разрушений при эксплуатации трубопроводов, построенных из сварных экспандированных труб из горячекатаной низколеги- рованной стали. Очаг разрушения в таких трубах часто наблю- дали в зоне максимального местного наклепа. При оформле- нии технических условий на поставку труб следует ограничи- вать максимальную деформацию труб в экспандере при их из- готовлении. При производстве экспандированных труб из ста- лей контролируемой прокатки остаточные пластические де- формации 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 огова- ривать, чтобы внутренний и наружный швы полностью пере- варивали сборочный шов, так как в нем могут быть горячие трещины. Необходимо также регламентировать высоту и ши- рину усиления и форму шва с целью снижения концентрации деформаций по линии сплавления. Технология сварки труб 84 должна исключать образование кратеров в рабочих швах, для чего начало и конец сварки осуществляют на специально при- варенных по концам труб выходных планках. Сварка с приме- нением выходных планок улучшает экономические показатели производства труб, уменьшая величину их обрезки при обра- ботке торцов. Окончательно сваренная и отторцованная труба поступа- ет на экспандер (пресс-расширитель) механический или гид- равлический, 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 участ- ках, обеспечивает равномерное удлинение металла по пери- метру труб и постоянство их диаметра на всей длине. При гид- равлических 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 разда- чу, величина которой контролируется давлением. Удлинение периметра труб при правке их в гидравлических экспандерах распределяется неравномерно (см. рис. 12). Диаметры по кон- цам и телу труб заметно различаются. Так, при допуске по концам трубы ±2,5— 3 мм допуск по телу трубы может со- ставлять до =6,0 мм. Большое значение для обеспечения высокой эксплуата- ционной 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 произ- водства и контроля сварных труб, решающим фактором, обес- печивающим работоспособность труб в мощных газопроводах, является однородность химического состава, структуры и ста- бильность свойств стали в готовых трубах. Производство пря- 85 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 раз- меров, 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 листово- го металла, а ее кривизна, коробоватость заметно осложняют процессы формовки и сварки труб. Толщина рулонной стали ограничена 14—18 мм. Фактический комплекс свойств листо- вой стали пока заметно выше, чем рулонной. Основным пре- имуществом рулонной стали является более низкая ее стои- мость, так как производительность непрерывных станов про- тив реверсивных листовых станов выше. Недостатком прямо- шовных труб является сложность изготовления тонкостенных труб и в некоторых случаях повышенная стоимость прямо- шовных по сравнению со спиралешовными трубами. В на- стоящее время для строительства магистральных трубопрово- дов 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 тех- нологии строительства трубопроводов и их эксплуатации спи- ралешовные трубы имеют некоторые преимущества перед прямошовными. Поперечная жесткость у спиралешовных труб несколько выше, чем у прямошовных. Поэтому они лучше со- храняют цилиндрическую форму в процессе перевозки и строительства и более технологичны при сборке и сварке по- перечных стыков. В спиралешовных трубах направленность текстуры металла способствует повороту разрушения и его ос- тановке кольцеванием. Поэтому в случае разрушения трубо- провода длина вязкого разрыва всегда будет меньше у спира- лешовных труб, чем у прямошовных, при одинаковых свойст- вах стали. При хрупком разрушении конструкция труб не влияет на протяженность разрыва. Изготовление кривых вста- 86 вок методом холодного гнутья из спиралешовных труб не- сколько сложнее вследствие их повышенной жесткости. В по- следнее время спиралешовные трубы начали изготавливать не только из рулонной, но также из листовой стали. Поэтому объ- ем их применения в строительстве магистральных трубопро- водов 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 приме- нительно к газонефтепроводам приходится на трубы диамет- ром 530—1420 мм. При диаметрах менее 530 мм спиралешов- ные трубы по своим экономическим показателям уступают прямошовным, сваренным токами высокой частоты. Газонефтепроводные трубы со спиральным швом диа- метром 530—1420 мм изготовляются из рулонной горячеката- ной ленты, а трубы диаметром 1220—1420 мм — как из ру- лонной ленты, так и из листовой стали. Принципиальным пре- имуществом технологии производства спиралешовных труб по сравнению с прямошовными является возможность изготовле- ния труб различных диаметров из одной и той же заготовки (рулонной стали). Изменяя угол входа полосы в формующее устройство при соответствующей его переналадке изготавли- вают тонкостенные трубы, которые широко применяются для трубопроводов диаметром менее 1020 мм при невысоком ра- бочем 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 бо- лее благоприятных условиях. Спиралешовные трубы изготав- 87 ливаются по непрерывной технологии, когда в одном стане производится формовка ленты в трубу и последовательная' ее сварка тремя головками. Схема изготовления труб по непре- рывной технологии показана на рис. 13. Рис. 13. Схема производства спиралешовных труб по непре- рывной 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 внутренне- го шва При непрерывной технологии из стана выходит готовая «бесконечной» длины труба, которая разрезается затем на мер- ные отрезки. Производительность стана при такой технологии определяется скоростью сварки рабочих швов. При непрерыв- ной технологии она строго ограничена, и для увеличения объ- ема производства приходится устанавливать в цехе несколько станов. Технология производства спиралешовных труб может быть прерывистой. В этом случае в основном стане выполня- ется вальцовка ленты в трубу и сварка заготовки технологиче- ским швом, после чего собранная заготовка «бесконечной» длины разрезается на мерные отрезки. Сварка труб рабочими швами выполняется в отдельных станах. В этом случае ско- рость изготовления труб повышается до 10 м/с, т. е. более чем 88 в 5 раз. Прерывистая технология позволяет более производи- тельно использовать возможности оборудования, сократить площади цехов, уменьшить потребность в оборудовании на 1 т изготавливаемых труб. Конструкции современных станов обеспечивают высо- кую 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 кали- бровки спиралешовных труб и установки дорогих и сложных экспандеров, что упрощает и удешевляет технологию изготов- ления труб, эксплуатацию трубосварочного оборудования и цехов в целом. Отсутствие пластического обжатия заготовки труб в прессах, пластического растяжения в экспандерах обеспечива- ет 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 листо- вой 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 име- ют ряд преимуществ по сравнению с прямошовными. Среди изготовителей и потребителей труб уже много лет идет дис- куссия: какой метод производства лучше? У потребителей большим спросом пользуются прямошовные трубы, объем применения которых в 3—4 -раза больше, чем спиралешов- ных, при строительстве магистральных трубопроводов. Одна- ко оценка потребителя может быть субъективной, вызванной тем, что технология производства спиралешовных труб разра- батывалась позднее и в начале производства была отработана хуже, чем технология изготовления прямошовных труб. Спи- 89 ралешовные трубы по качеству формовки и сварки вначале значительно уступали прямошовным, при их применении было достаточно много отказов (разрушений) трубопроводов. Одна- ко в настоящее время ПО качеству и свойствам спиралешов- ные трубы не уступают прямошовным, а в ряде случаев даже превосходят их. Поэтому объективных причин отдавать пред- почтение прямошовным трубам больше не существует. |