Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЛИФТОВЫХ ТРУБ ТИПА "ТРУБА В ТРУБЕ"

Изобретение относится к металлургической промышленности, в частности к производству труб нефтяного сортамента, и может быть использовано при термообработке лифтовых труб типа «труба в трубе» или аналогичных изделий в машиностроении, требующих вакуумирования межтрубного пространства.

Эти изделия представляют собой длинномерные составные трубы, состоящие из наружной и внутренней трубы, находящейся внутри наружной. По торцам трубы соединены сваркой по типу «труба в трубе» с образованием замкнутой полости, из которой откачен воздух для создания вакуума. При нагреве (охлаждении) наружная и внутренняя составные трубы представляют собой два параллельных независимых тепловых канала, взаимный теплообмен между образующими поверхностями этих труб практически отсутствует, то есть имеет место эффект «термоса».

Во время термообработки таких труб в результате линейного расширения при нагреве или линейного сужения при охлаждении происходит существенное изменение длины составных труб до 50-80 мм при нагреве до 400 град. С и длине труб 12 м. Нарушение синхронного во времени изменения средних по длине температур труб при нагреве (охлаждении) наружной и внутренней составных труб приводит к их непропорциональному линейному расширению (сужению), в результате чего в местах торцевых соединений возникают термические напряжения растяжения или сжатия.

Известен способ аэродинамического нагрева длинномерных изделий, реализуемый в установке (RU 2168128, опубл. 27.05.2001 г.) [1]. Установка содержит контур циркуляции теплоносителя, в котором последовательно установлены рабочий канал для размещения длинномерных изделий, вентилятор, соединительные каналы и регулирующие заслонки. Вдоль рабочего канала расположен нагнетательный канал, который по длине имеет ряд окон с регулирующими заслонками. Посредством заслонок теплоноситель подводят в ту или иную часть длинномерного изделия, достигая этим требуемое распределение температур по их длине. При таком способе термообработки невозможно подвести теплоноситель во внутреннюю полость лифтовых труб в таком количестве, чтобы линейные расширения внешних и внутренних составных труб были синхронными во все время их термообработки.

Известен способ конвективного нагрева или охлаждения металла в термической печи, реализованный в устройстве (RU 2301389, опубл. 27.12.2007 г.) [2]. Обрабатываемые изделия, в том числе трубы, размещают в рабочее пространство, содержащее газоход с нагревательным или охлаждающим устройствами и тягодутьевое реверсивное устройство, которые соединены в циркуляционный контур. Нагрев (охлаждение) изделий осуществляется за счет продольной обдувки их поверхностей газовым потоком. Для выравнивания температуры по длине изделий направление движения газовой среды периодически изменяют на противоположное. Известный способ характеризуется отсутствием возможности регулирования и распределения тепловых потоков, что не позволяет синхронизировать процессы нагрева или охлаждения длинномерных изделий. Этот недостаток приводит либо к существенному уменьшению производительности печного агрегата, либо к снижению качества обрабатываемых изделий (деформации или разрушению) вследствие возникновения в них значительных внутренних термических напряжений.

Задача настоящего изобретения состоит в создании надежного, экономичного способа термообработки лифтовых труб типа «труба в трубе», с вакуумированием межтрубного пространства, при повышении качества обрабатываемых изделий.

Заявлен способ термической обработки лифтовых труб типа «труба в трубе», включающий продольную обдувку поверхности труб теплоносителем, направление которого периодически изменяют на противоположное. Способ отличается тем, что на входе в лифтовую трубу поток теплоносителя разделяют на два регулируемых по расходу потока, имеющих одинаковую температуру, один из потоков направляют вдоль наружной, а другой - вдоль внутренней поверхности внутренней трубы, при этом в процессе термической обработки путем регулирования расхода потоков поддерживают разность средних по длине этих труб температур в пределах плюс-минус 2,5 град. С в расчете на один метр длины лифтовой трубы.

Соблюдение условия, при котором разность средних по длине наружной и внутренней труб температур будет находиться в пределах плюс-минус 2,5 град. С в расчете на один метр длины лифтовой трубы, позволит обеспечить синхронное изменение линейных размеров внешних и внутренних труб во время нагрева (охлаждения), исключая их деформацию или разрушение сварных соединений. Для обеспечения этого условия в каждый момент времени нагрева (охлаждения) подбирают соотношение расходов этих двух потоков.

При разности средних по длине этих труб температур более плюс-минус 2,5 град. С в расчете на один метр длины лифтовой трубы, термические напряжения будут сопоставимы или больше по величине с механической прочностью материала труб, что приведет к их деформации (искривлению) или разрушению сварных соединений. Новый технический результат заявленного изобретения заключается в синхронном изменении линейных размеров внешних и внутренних труб во время нагрева (охлаждения), исключении их деформации и/или разрушения сварных соединений.

Изобретение иллюстрируется рисунком, где изображена схема установки для реализации заявленного способа. Лифтовые трубы 1 типа «труба в трубе» уложены через верхнюю крышку 2 в рабочий объем 3 установки, стенки которой покрыты теплоизоляцией 4. Каждая из труб 1 состоит из двух составных труб, внутренней 5, расположенной внутри наружной трубы 6. Торцы труб 5 и 6 соединены между собой сварным соединением 7 с образованием замкнутого пространства 8, из которого в процессе термообработки отводится воздух через трубопровод 9 с запорным органом 10. Внутренняя труба 5 с одного из торцов соединена с направляющим устройством 11, который снабжен регулирующими органами 12, работающими синхронно от одного исполнительного механизма. В нижней части установки расположен перепускной канал 13 с регулирующим органом 14, который служит для перепуска части теплоносителя (охладителя), минуя основной рабочий объем 3. Левая и правая часть рабочего пространства 2 соединена посредством каналов 15 с вентиляторами 16 и 17 и нагревателями 18 (например, электрического типа) с образованием замкнутого циркуляционного контура. При работе установки в режиме охлаждения труб подвод охладителя осуществляют через патрубки 19 и 20, которые снабжены регулирующими органами 21 и 22. Отвод отработанного охладителя из установки производят через патрубок 23 с регулирующим органом 24. Средние по длине наружной и внутренней труб температуры в процессе термообработки постоянно контролируют, например с помощью контактных термоэлектрических датчиков 25 и 26, сигнал от которых поступает в регулятор 27, где определяется текущая разность этих температур. Разность температур сравнивают с заданным предельным значением этой величины, которую устанавливают с помощью задатчика 28. Регулятор 27 управляет исполнительным механизмом органов 12.

После укладки труб в рабочий объем 3 закрывают верхнюю крышку 2 и начинают процесс нагрева до необходимой температуры по заданному технологическому графику. Для этого включают в работу, например, правый вентилятор 17, а также нагреватель 18. Регулирующие органы 21, 22 и 23 в период нагрева находятся в закрытом положении. Под действием напора, создаваемым вентилятором 17, теплоноситель (воздух) проходит через нагреватель 18, остановленный неработающий вентилятор 16, трубопровод 15 и поступает в левую часть рабочего объема 3 на вход направляющего устройства 11, где благодаря регулирующему органу 12 разделяется на два потока: один из них обдувает наружную поверхность трубы 6, а другой - внутреннюю поверхность трубы 5. Обдувая эти поверхности, теплоноситель отдает им тепло и при этом охлаждается. По отводящему каналу 15 теплоноситель поступает во входное окно работающего вентилятора 17 для повторения теплообменного цикла. Вентиляторы 16 и 17 специального исполнения спроектированы так, что их проточная часть имеет незначительное гидравлическое сопротивление при движении теплоносителя (охладителя) в обратном направлении в период их остановки. На всех режимах термообработки труб: нагреве, выдержке и охлаждении - с помощью контактных термоэлектрических датчиков 25 и 26 измеряют текущие значения средних по длине внешней и внутренней труб температур, сигнал от которых поступает в регулятор 27. Регулятор сравнивает сигналы от этих датчиков и задатчика 28 и, в случае превышения разности температур от заданной величины, управляет исполнительным механизмом 12, корректируя распределение потока в рабочем объеме установки и удерживая разность средних по длине внешней и внутренней труб температур в пределах плюс-минус 2,5 град. С в расчете на один метр длины лифтовой трубы.

В процессе нагрева и выдержки при определенной температуре в замкнутом межтрубном пространстве происходит возгонка (переход из твердого состояния в газообразное) следов прокатной смазки и других загрязнений, которые вместе с воздухом удаляются с помощью вакуумирования. При продольной обдувке теплоносителем теплообменных поверхностей труб их передние концы по ходу движения потока нагреваются быстрее, чем задние, в результате чего имеет место и неравномерный по длине процесс возгонки следов прокатной смазки. С целью снижения времени, необходимого для выравнивания температуры труб по их длине, создания наилучших условий для проведения процесса вакуумирования, а следовательно, повышения надежности, экономичности и качества предлагаемого способа термообработки, периодически изменяют движение теплоносителя (охладителя) на противоположное. Для этого останавливают вентилятор 17 и включают в работу вентилятор 16, вследствие чего нагретый теплоноситель поступает в рабочий объем 3 в обратном направлении, с большей скоростью нагревая более холодную часть трубы, выравнивая тем самым поле температур по длине труб.

В режиме выдержки установка работает аналогичным образом. Мощность нагревателей 18 компенсирует лишь тепловые потери через наружные стенки установки в окружающее пространство. В режиме охлаждения нагреватели 18 отключены, вентилятор 17 находится в рабочем состоянии и обеспечивает движение охладителя по циркуляционному контуру. Отвод тепла из установки осуществляется за счет регламентированного подмешивания окружающего воздуха через трубопровод 19 с регулирующим органом 21, который, охлаждая трубы, нагревается и удаляется через трубопровод 24 с регулирующим органом 23. Изменение необходимого расхода подмешиваемого воздуха в установку определяется технологическим графиком охлаждения обрабатываемых труб. Синхронизация процесса охлаждения внешней и внутренней составных труб производится аналогичным способом, что и в режиме нагрева и выдержки, описанном выше. Выравнивание полей температур по длине труб осуществляется также за счет периодического изменения движения охладителя на противоположное.

При термообработке труб с небольшим диаметром (60-80 мм и меньше) существенно снижается расход теплоносителя, движущегося в рабочем объеме 3 установки, вследствие большого гидравлического сопротивления, оказываемого этими трубами. Снижение общего расхода теплоносителя в циркуляционном контуре установки, а следовательно, уменьшение скорости обдувки нагревательных элементов (спиралей) нагревателей 18, приводит к их перегреву и снижению ресурса их работы. Для исключения этого отрицательного явления в установке предусмотрен перепускной канал 13 с регулирующим органом 14, который служит для стабилизации общего расхода теплоносителя в циркуляционном контуре установки независимо от диаметров обрабатываемых труб.

Заявленный способ позволяет надежно, экономично и качественно осуществлять термообработку лифтовых труб типа «труба в трубе» с вакуумированием межтрубного пространства, исключая деформацию труб или разрушения сварных соединений.