Трубы по конструкции

Содержание

Введение

 Трубы широко используют  в различных отраслях народного  хозяйства. В зависимости от рода использования и условий эксплуатации к ним предъявляются различные требования. По характеру использования трубы делят на трубы для различных трубопроводов, трубы, для бурения и эксплуатации скважин и трубы для машиностроения.

Трубы по конструкции  делят на гладкие (большинство труб для трубопроводов и все трубы  для машиностроения) и нарезные (все  трубы для бурения и эксплуатации скважин и часть труб для трубопроводов). Конструкция труб определяет характер вспомогательных и отделочных операций.

Все стальные трубы в  зависимости от метода изготовления делят на три основные группы: бесшовные горячекатаные (ГОСТ 8732—78), электросварные (ГОСТ 10704—76) и холодноде-формированные (ГОСТ 8734—75).

1. Сортамент  выпускаемой продукции

Сопоставление сортамента горячекатаных (табл. 1) позволяет сделать  следующие выводы:

1) сортамент сварных  труб по диаметру значительно  шире, чем сортамент бесшовных труб (8—1620 и 25—550 мм соответственно);

2) сварные трубы могут  быть изготовлены со значительно  меньшим отношением толщины стенки к диаметру (до 0,005) по сравнению с бесшовными трубами (0,04—0,05);

3) минимальная толщина  стенки сварных труб значительно меньше, чем бесшовных (1 и 2,5 мм соответственно);

4) максимальная толщина  стенки бесшовных труб значительно  больше, чем сварных (16 и 75 мм соответственно).

     Трубы холоднодеформированные имеют значительно меньшие размеры: диаметр до 4 мм и толщину стенки до 0,2 мм. Их получают из горячекатаных и сварных труб. Трубы изготавливают из углеродистых сталей (например Ст1, Ст2, 10, 20, 35, 45 и др.), легированных (например 40Х, ЗОХСА, ЗОХМА и др.), коррозионностойких (например ОХ20Н14С2, ОХ18Н12Б и др.), подшипниковых (ШХ10, ШХ15 и др.) и многих других. Необходимо отметить, что сортамент сталей, из которых получают бесшовные трубы, намного шире, чем сортамент сталей, из которых изготовляют сварные трубы.[1]

T а б л и ц а 1. Сортамент бесшовных горячекатаных труб, выпускаемых в экс-СССР (ГОСТ 8732—78)

Примечание. Нормальный ряд  толщины стенки труб, мм: 2,5; 2,8; 3; 3,5;

4: 4,5: 5; 5,5: 6; (6,5); 7; (7,5); 8; (8,5); 9: (9,5); 10; 11; 12: (13); 14; (15); 16; 17; 18; (19);20; 22; (24); 25; (26); 28; 30; 32; (34); (35); 36; (38); (40); (42); 45; (48); 50; 56; 60; 63; (65);70; 75.

         В примечание к табл. 1 дан нормальный ряд толщины стенки труб, а в скобках указаны нерекомендуемые размеры. При проектировании новых машин и конструкций необходимо предусматривать рекомендуемые размеры.

        Трубопрокатные станы

Процесс производства бесшовных  труб прокаткой состоит из получения полой гильзы из сплошной заготовки — прошивки; раскатки полученной гильзы в трубу и уменьшения (редуцирования) или увеличения (раздачи) диаметра полученной трубы.

Прошивка сплошной заготовки в гильзу может производиться на станах поперечно-винтовой (косой) прокатки, называемых прошивными, или на специальных вертикальных или горизонтальных прошивных прессах. Прошивные прессы распространены значительно меньше, чем прошивные станы.

Прошивные станы по типу рабочих валков подразделяют на прошивные станы с бочкообразными валками (валковые), дисковыми валками (дисковые) и с грибовидными валками (грибовидные).

Наиболее широко распространены валковые прошивные станы — для прошивки заготовки диаметром 80—270 мм и для прошивки слитков диаметром 350-600 мм. На дисковых и грибовидных станах прошивают только катаную заготовку диаметром 80—140 мм.

Процессы прокатки труб из гильз подразделяют на прокатку труб на короткой и на длинной оправке. Процесс продольной прокатки на короткой оправке может производиться в одно- и двух-клетевых станах. На длинной оправке прокатка может проводиться в многоклетевых станах продольной прокатки, станах периодической прокатки, трехвалковых станах косой прокатки и в двухвалковых станах косой прокатки с вращающимися проводками.

Продольная прокатка труб на короткой оправке— один из первых способов получения бесшовных труб. Вначале производили 15—20 проходов в круглом калибре на короткой оправке в нереверсивном двухвалковом стане, возвращая каждый раз трубу на переднюю сторону стана вручную. Затем был осуществлен подъем верхнего валка и возврат трубы проводили между валками — такие станы получили название полуавтоматических. Наконец, были установлены специальные ролики обратной подачи, возвращающие трубы на переднюю сторону стана; при этом прокатка ведется в 2—3 пропуска. Такие станы получили название автоматических, и они являются основным оборудованием для горячей прокатки труб диаметром 57— 426 мм самого широкого сортамента. Дальнейшим развитием процесса продольной прокатки труб на короткой оправке явилось создание двухклетевого стана (стана тандем). При этом в каждой клети производится по одному проходу. Существенное повышение производительности достигается не только возможностью одновременной прокатки двух труб (по одной в каждой клети), но и увеличением деформации за счет разных размеров инструмента в каждой клети. Этот процесс имеет широкие перспективы для дальнейшего распространения.

Продольная прокатка труб на длинной оправке проводится в нескольких (7—9) последовательно установленных двухвалковых клетях и носит название прокатки труб в непрерывных станах. На них обычно прокатывают трубы диаметром 57—114 мм. Этот метод является одним из наиболее эффективных и экономичных процессов массового производства тонкостенных труб.

На станах периодической (пилигримовой) прокатки получают трубы  диаметром 57—550 мм. При пилигримовой прокатке цикл деформации гильзы в  трубу осуществляется за каждый оборот валка с переменным радиусом калибра. При этом направление вращения валков противоположно направлению истечения металла и за каждый цикл подвергается деформации небольшая часть гильзы («объем подачи»). Наиболее распространен этот метод для получения сравнительно толстостенных труб из слитков диаметром 168—550 мм.[2]

Трехвалковые раскатные  станы косой прокатки предназначены  для получения толстостенных  труб высокой точности диаметром 60—180 мм. Наибольшее распространение эти  станы получили для производства подшипниковых труб (для изготовления колец шарико- и роликоподшипников).

Двухвалковые раскатные  станы косой прокатки с вращающимися проводками предназначены для получения  тонкостенных труб диаметром 38—140JMM, они не получили широкого распространения. В настоящее время производство этих труб экономически более целесообразно на современных_непрерывных станах.

Для уменьшения диаметра труб, полученных после раскатных  станов, применяют продольную прокатку без оправки в редукционных станах, которые состоят из ряда последовательно установленных двух-, трех- или четырехвалковых клетей. Станы работают с натяжением между клетями, что позволяет изменить не только диаметр трубы, но и толщину стенки. На редукционных станах обычно прокатывают трубы диаметром 25—76 мм.

Трубы 76—550 мм получают обычно непосредственно с раскатных станов. Для получения труб диаметром более 550 мм вслед за раскатным станом устанавливают станы-расширители. В связи с освоением массового производства сварных труб большого диаметра из различных сталей станы-расширители в настоящее время утратили свое значение.

Производство бесшовных  труб осуществляется на трубопрокатных агрегатах, представляющих собой комплекс машин и механизмов, предназначенных  для_ получения бесшовных труб горячей  прокаткой, их транспортирования, горячей  холодной отделки, складирования, упаковки и т. п. Таким образом, в состав трубопрокатного агрегата кроме прошивных, раскатных, редукционных (расширительных) станов входят нагревательные печи, обкатные и калибровочные станы, правильные станы, трубообрезные и трубонарезные станки и другое оборудование, необходимое для выполнения всех предусмотренных технологических операций. Однако оборудованием, определяющим основные характеристики агрегата, является раскатной стан, поэтому в наименование трубопрокатного агрегата входит тип трубораскатного стана (например, трубопрокатный агрегат с автоматическим станом; трубопрокатный агрегат с пилигримовым станом и т. и.). Основной численной характеристикой трубопрокатного агрегата является максимальный диаметр прокатываемой трубы (например, трубопрокатный агрегат с автоматическим станом 140) или минимальный и максимальный диаметр прокатываемых труб (например, трубопрокатный агрегат с непрерывным станом 30—102).

Наиболее распространенными  трубопрокатными агрегатами являются агрегаты с автоматическим, пилигримовым, непрерывным и трехвалковым раскатным станом.

2. Технологические процессы  и оборудование

Слитки и  трубная заготовка

Для производства бесшовных  труб используют слитки, катаную заготовку, заготовку, полученную с установок непрерывной разливки стали; заготовку, полученную на установке центробежного литья;

кованую заготовку.

Слитки (круглые, многогранные и квадратные} применяют в трубопрокатных агрегатах с пилигримовыми станами. Слитки имеют массу 1,5—3,8 т и диаметр (эквивалентный) 320—675 мм.

Массовое получение заготовок  таких размеров другими способами  затруднительно. Круглые и многогранные слитки используют на установках с прошивным станом; квадратные — на установках с прошивным прессом. Круглые слитки имеют соотношения размеров, весьма неблагоприятные с металлургической точки зрения. Круглая форма поперечного сечения приводит к меньшему отношению наружной поверхности слитка к его массе (сравнительно с квадратными и прямоугольными слитками) и ведет к большей склонности к образованию поверхностных трещин при охлаждении. Из этих соображений следовало бы применять граненые слитки (имеющие большую наружную поверхность), но при прокатке в прошивных станах грани могут вызвать появление закатов и плен. Поэтому граненые слитки (с большим количеством весьма пологих граней) используют только при производстве труб менее ответственного назначения. Для более равномерного обжатия многогранного слитка применяют нечетное число граней (23—27), чтобы в валках прошивного стана обжатие не приходилось одновременно на две грани или два ребра. Кроме того, круглые слитки отливают с малой конусностью (0,8—1,5 %), что ведет к увеличению протяженности усадочной раковины и зон ликвации и сегрегации сравнительно с обычными слитками. Большая конусность вызывает серьезные затруднения при прошивке.[3]

Качество поверхности слитков, а также внутреннее их строение заметно  улучшается, если разливку стали вести  под слоем жидкого шлака или  других теплоизолирующих или экзотермических материалов. Положительные результаты также дает применение специальных изложниц с теплоизолнрующими надставками.

Катаная заготовка (круглая  и квадратная} используется при всех способах производства бесшовных труб; круглая заготовка — при прошивке на прошивных станах, квадратная — на прошивных прессах. Круглую заготовку (диаметром 90—350 мм) прокатывают на трубозаготовочных станах, устанавливаемых непосредственно за блюмингом (1150—1250) и имеющих в своем составе одну двухвалковую реверсивную клеть 900 и несколько последовательно расположенных двухвалковых клетей 700—750. Круглую заготовку диаметром 270—350 мм прокатывают также на блюмингах в специальной калибровке. Квадратную заготовку в зависимости от сечения прокатывают на блюмингах или непрерывных заготовочных станах.

В связи с вводом в металлургической промышленности машин непрерывного литья заготовок в трубном производстве также начали применять круглые и квадратные заготовки, полученные с этих установок. В большинстве случаев используют машины радиального типа и трехвалковые прокатные клети. Использование их для производства труб аналогично использованию катаной заготовки (круглых — на прошивных станах; квадратных — на прессах). Высокая эффективность непрерывной разливки стали снижает стоимость трубной заготовки, а качество ее близко к качеству обычной катаной заготовки, и поэтому этот вид заготовки получит широкое распространение в трубной промышленности.

При производстве труб из легированных труднодеформируе-мых сталей на пилигримовых и автоматических станах используют полую центробежнолитую заготовку с наружным диаметром до 900 мм. Качество центробежнолитой заготовки намного выше, чем обычных литых слитков, однако ее распространение ограничивается высокой ценой.

В случае затруднения получения  заготовки диаметром более 300 мм прокаткой такие заготовки получают ковкой, обкатывают и просверливают. Используют кованые заготовки обычно при производстве труб из высоколегированных сталей и для ответственного назначения на агрегатах с пилигримовыми станами.

Таким образом, при производстве бесшовных труб наиболее широко используют круглые (граненые) слитки и круглую катаную заготовку.

Подготовка слитков и заготовки  к прокатке заключается в удалении поверхностных дефектов, раскрое на мерные длины и центровке.

Состояние наружной поверхности слитков и заготовки определяет качество наружной поверхности труб, поскольку такие дефекты значительно увеличиваются при прокатке. Поэтому наружные дефекты в виде плен, трещин, закатов, волосовин и т. и. удаляются вырубкой пневматическими зубилами плп огневой зачисткой специальными газовыми горелками. Участок после удаления дефекта должен быть пологим, с плоским дном и без резких переходов от дна к поверхности заготовки или слитка. Применяют также зачистку дефектов наждачным кругом.

Катаная заготовка имеет обычно длину значительно большую, чем требуется для прокатки трубы заданной длины. Раскрой заготовок на требуемые мерные длины может проводиться перед нагревом заготовки в холодном состоянии (ломка на гидравлическом прессе, резка на пресс-ножницах и пилах) и в горячем состоянии (разрезка на ножницах или пилах).

Пресс-ножницы применяют для  разрезки заготовки из углеродистой и легированной стали ((Тв до 600 МПа) диаметром до 140 мм. Заготовки большего диаметра и из стали с большим Стд ломают на гидравлических прессах. Качество поверхности торца при ломке несколько лучше, чем при резке ножницами. Наилучшее качество торца дают дисковые пилы, однако из-за их низкой производительности их используют главным образом для резки высокоуглеродистой и легированной стали, а также квадратной заготовки.

В горячем состоянии разрезка заготовки  проводится после нагрева в специальных  многокамерных нагревательных печах, требующих для удовлетворительной работы нагреваемых штанг значительной длины.

Зацентровка заготовок преследует целью максимальное совмещение носка оправки при прошивке с осью прошиваемой заготовки, что уменьшает разностенность гильзы и, следовательно, разностенность готовой трубы. На переднем торце слитка или заготовки наносится цилиндрическое углубление (глубина до 35 мм, диаметр до 30 мм) сверлением на токарном станке, выжиганием кислородно-ацетиленовым пламенем или выдавливанием отверстия на горячей заготовке пневматическими машинами или гидравлическим прессом.

Нагрев слитков и заготовки проводят в пламенных или электрических печах. Нагрев в электрических (индукционных) печах требует значительной затраты электроэнергии и поэтому все еще не получил широкого распространения. Основным видом нагрева металла перед прокаткой является нагрев в пламенных печах, отапливаемых газом: ролевых или перекатных, туннельного типа, кольцевых и секционных многокамерных. Во всех нагревательных печах осуществляется методический нагрев: слитки или заготовки постепенно из зоны более низких температур поступают в зону более высоких температур.[4]

Ролевые или  перекатные печи для нагрева слитков и круглой заготовки имеют наклонный иод (6—12 %), что облегчает их передвижение. Слитки передвигают в печи при помощи специальных кантовальных машин. Печи этой конструкции требуют большой затраты тяжелого физического труда и поэтому вытесняются печами других более совершенных конструкций.

Кольцевые печи (применяемые для заготовок диаметром 100— 350 мм) имеют рабочее пространство в форме замкнутого пустотелого кольца, образуемого наружной и внутренней стенками, подвесным сводом и вращающимся подом. На вращающийся под специальной машиной укладывают нагреваемые заготовки; аналогичной по конструкции машиной после нагрева заготовки, совершившие полный оборот в печи, извлекают из печи. Эти машины представляют собой тележку, имеющую на конце длинный хобот с клещами. Кольцевые печи — высокопроизводительный современный агрегат для нагрева заготовки, имеющий высокие технико-экономические показатели.

Проходные секционные печи состоят из ряда (свыше 50) отдельных камер — секций. Транспортирование длинных штанг осуществляется приводными водоохлаждаемыми роликами, расположенными между секциями. Длинные штанги, проходя через ряд секций, постепенно нагреваются до температуры прокатки.

Ролевые (перекатные) печи применяют в агрегатах с пилигримовыми и автоматическими станами; туннельные печи применяют в агрегатах с пилигримовым станом; кольцевые печи — в трубопрокатных агрегатах всех типов; секционные печи —в трубопрокатных агрегатах с непрерывным станом.

Прокатка труб на короткой оправке

Прокатка труб в двухвалковых нереверсивных станах на короткой оправке  — самый распространенный метод  производства бесшовных труб.(табл.2) На агрегатах с такими станами прокатывают трубы диаметром 30—426 мм по ГОСТ 8732—70. Из различных конструкций двухвалковых станов для прокатки на короткой оправке в настоящее время применяются два типа: одноклетевые двухвалковые станы с роликами обратной подачи трубы (автомат-станы) и двухвалковые станы последовательного расположения (тандем-станы).

В соответствии с сортаментом выпускаемых труб агрегаты делят на три типоразмера: малые (диаметр труб до 140 мм), средние (диаметр труб до 250 мм) и большие (диаметр труб до до 400 мм). Состав агрегатов разных типоразмеров различен. В процессе производства происходит как осевое (вдоль оси), так и поперечное (перпендикулярно к оси) перемещение заготовки-трубы. При компоновке оборудования стремятся, чтобы осевое перемещение было рабочим (прошивка, прокатка и т. п.), а поперечное — транспортным; поперечное перемещение осуществляется перекатыванием по наклонным стеллажам, т. е. за счет использования силы тяжести. Это приводит к так называемому каскадному расположению: каждый последующий стан, входящий в состав агрегата, находится на более низкой отметке.

Технологический процесс на всех агрегатах этого типа происходит в следующей последовательности. Нагретая заготовка после зацентровки подается в прошивной стан и прошивается в гильзу; на больших (иногда и средних) агрегатах полученная гильза раскатывается во втором прошивном стане. Затем гильза раскатывается в двухвалковом стане на короткой оправке (в два прохода в одной клети или в двух последовательно установленных клетях). Для устранения неравномерности толщины стенки по сечению и рисок после прокатки на короткой оправке проводится обкатка труб в обкатных станах, имеющих два или три косораспо-ложенных валка; из-за их более низкой производительности в состав агрегата обычно входят два обкатных стана (риллинг-стана). Для получения заданных размеров труб проводится их прокатка в многоклетевом калибровочном стане. Для получения труб диа-

Таблица 2. Примерный состав некоторых агрегатов с двухвалковыми  станами горячей прокатки на короткой оправке

метром менее 57 мм (практически  менее 76 мм) используют многоклетевые  редукционные станы. Таким образом, основным формоизменяющим прокатным оборудованием являются прошивной, автоматический, обкатной, калибровочный и редукционный станы. Ниже кратко рассматривается конструкция этих станов.

В агрегатах с автоматическим станом наибольшее распространение  получили валковые прошивные станы; в агрегате с тандем-станом применен прошивной стан с грибовидными валками.

Главная линия автоматического  стана (нереверсивного двухвалкового  стана для прокатки труб на копоткой оправке) состоит из электродвигателя, редуктора шестеренной клети, универсальных шпинделей и рабочей клети- автоматический стан (рис. 1) также оборудован приемным желобом толкателем, направляющим гильзу в рабочую клеть, выходным столом с проводками, на котором установлен стержень / с оправкой 4, роликами обратной подачи 3 с механизмом 2 их сближения и передним столом, на котором также установлен механизм смены оправок.

В качестве главного двигателя  используют двигатели переменного  и постоянного тока мощностью 600—900 для малых 900-. 1400 для средних и 1300-1900 кВт для больших станов. Двигатели постоянного тока, обеспечивающие широкие пределы регулирования, имеют технологические преимущества.

Редуктор, предназначенный  для понижения числа оборотов и шестеренная клеть для разделения крутящего момента по двум валкам имеют обычную для прокатных станов конструкцию Учитывая, что время прокатки составляет только 10—12 % от общего цикла в главной линии автоматического стана по обе стороны редуктора установлены маховики. Конструкция универсальных шпинделей позволяет осуществить значительный подъем верхнего валка.

Рис. 1. Расположение оборудования малого трубопрокатного  агрегата с одноклеетвым станом прокатки на короткой оправке автоматическим станом: 1 - загрузочная машина; 2 - кольцевая печь; 3 - выгрузочная машина; 4 — подводящий рольганг; 5 — зацентровщнк заготовок; 6 — наклонный стеллаж перед прошивным станом; 7 - прошивной стан; 8 - выходная сторона прошивного стана; 9 - наклонный стеллаж между прошивным и автоматическим станом; 10 - вталкиватель; 11 - печь для нагрева гильз перед автоматическим станом; 12 – выталкиватель; 13 - передний стол автоматического стана; 14 - автоматический стан; I5 - задний стол автоматического стана; 16 - вводные рольганги обкатных станов; 17 - обкатные станы (риллинг-станы); 18 - выводные рольганги; 19 - транспортный рольганг; 20 - калибровочный стан- 21 - выводной рольганг калибровочного стана; 22 - выталкиватель подогревательной печи; 23 - подогревательная печь; 24 - вводной рольганг редукционного стана;

25 — редукционный  стан; 26 — выводной рольганг редукционного стана; 27 - охладительный стол; 28 — правильные станы

Рабочая   клеть  автоматического стана (рис. 2) имеет  две станины закрытого или  открытого типа с общей съемной  крышкой. Валки монтируются в  многорядных конических роликовых  подшипниках или текстолитовых вкладышах. Особенностью автоматического стана является клиновое устройство, предназначенное для быстрого подъема верхнего валка по окончании прокатки трубы. Клин перемещается вдоль осп валков с помощью горизонтального пневматического цилиндра, установленного на кронштейне сбоку одной из станин. Валки имеют обычно несколько калибров, которые используют поочередно. Современные станы имеют только один калибр; перевалка в этом случае проводится клетями (рис.3).

Приемный желоб установлен на переднем столе, который перемещается вдоль рабочих валков. При переходе на прокатку в новом калибре стол передвигают так, чтобы желоб был бы установлен против соответствующего калибра. Задачу гильзы в валки осуществляют пневматическим толкателем или специальным задающекантующим механизмом, имеющим продольные задающие ролики. Эти ролики перед вторым проходом устанавливают гильзу в таком положении, что ее больший диаметр является вертикальным. На передней стороне рабочей клети автоматического стана также установлен механизм для смены оправки после каждого прохода. Применяются также несменяемые долгостоящие оправки. На выходном столе установлены проводки, которые направляют движение трубы при ее выходе из стана, а также удерживают стержень от продольного изгиба. В конце выходного стола расположен упор для закрепления стержня.

После каждого прохода  труба возвращается на входную сторону  роликами обратной подачи, вращающимися в направлении, обратном вращению рабочих валков. Для возврата трубы на входную сторону верхний рабочий валок поднимается пневматическим клиновым устройством, а нижний ролик обратной подачи поднимается грузовым и пневматическим механизмом и прижимает трубу к верхнему ролику обратной подачи. Вследствие трения роликов о трубу она передается на входную сторону. Привод роликов осуществляется через универсальные шпиндели и редуктор от электродвигателя постоянного тока..

Рис. 2. Линия прокатки автоматического стана

Рис. 3. Рабочая клеть  автоматического стана

Технологический процесс прокатки труб на трубопрокатных агрегатах отражает таблица прокатки, которая содержит размеры заготовки и прокатываемых труб по операциям, распределение деформации между станами, размеры прокатного инструмента, настройку станов и режим их работы. Правильно составленная таблица прокатки на основе тщательно разработанного технологического процесса обеспечивает высокую производительность стана, хорошее качество труб, низкие расходные коэффициенты металла. Общие принципы расчета таблицы прокатки для агрегатов с автоматическим станом могут быть сформулированы следующим образом.