Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПРЯМОШОВНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБ

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к технологии и оборудованию для производства прямошовных магистральных труб в трубоформовочных цехах металлургических предприятий.

Известен способ производства прямошовных магистральных труб, включающий формовку трубной заготовки из листовой заготовки с предварительной подгибкой продольных кромок и последующей формовкой окончательного контура указанной заготовки [1]. При реализации этого способа после формовки трубной заготовки производят сварку ее продольных боковых кромок с образованием соединительного шва трубы. Для этого сначала указанные кромки смыкают под действием сжимающих усилий и соединяют прихватками в отдельных местах, а затем на сварочном стенде трубу сваривают сначала внутри, а затем снаружи. На практике этот способ реализуется на трубоформовочных прессах и сварочных стендах трубоформовочных цехов. Перед соединением кромок прихватками продольные боковые кромки сводят друг с другом под давлением, выбирая зазор между ними.

Основной недостаток известного способа заключается в том, что на начальной стадии процесс сварки продольных боковых кромок листовой заготовки недостаточно стабилен из-за необходимости настройки и сопровождается образованием некачественных участков сварки. Они могут приводить к возникновению трещин в соединительном сварном шве под действием растягивающих напряжений, вызванных стремлением материала трубы восстановить свою форму с зазором между боковыми кромками за счет упругого последействия материала трубы после смыкания кромок. Иначе говоря, возможно появление брака на отдельных некачественных участках продольного соединительного шва готовой трубы. Таким образом, существующий способ производства прямошовных магистральных труб характеризуется недостаточно высоким качеством продольного сварного шва и нуждается в доработке.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства прямошовных магистральных труб, предусматривающий формовку основного контура трубной заготовки из толстолистового проката, последующее соединение продольных боковых кромок отформованной трубной заготовки, приварку к ним технологических планок и сварку указанных боковых кромок в сомкнутом положении с образованием продольного соединительного шва, а также экспандирование полученной трубы для обеспечения овальности [2]. При этом соединение продольных кромок трубной заготовки производится под действием сжимающего усилия, обеспечивающего выборку зазора между ними и удержание их от взаимного смещения непосредственно в процессе сварки.

Указанный способ производства труб позволяет повысить стабильность процесса сварки за счет приварки технологических планок в зоне соединяемых продольных боковых кромок. При этом настройку сварочного аппарата производят на технологических планках, а затем, после выхода на стабильный характер процесса, приступают непосредственно к сварке продольных боковых кромок листовой заготовки. Соответственно повышается качество продольного соединительного шва трубы.

Однако поскольку для данного способа устранение зазора между кромками перед сваркой обеспечивается приложением сжимающего усилия, после сварки в материале трубы возникают остаточные растягивающие напряжения, стремящиеся компенсировать напряжения сжатия и вернуть кромки в положение с наличием зазора, т.е. разрушить сварной шов. Иначе говоря, данный способ производства труб позволяет повысить качество продольного сварного шва, но не устраняет растягивающие напряжения в зоне сварного шва. Таким образом, рассмотренное техническое решение характеризуется наличием растягивающих поперечных внутренних напряжений в зоне сварного шва готовой трубы, связанных с необходимостью сварки в заневоленном (соединенном под давлением) состоянии. Наличие в зоне сварки трубы таких внутренних остаточных напряжений может сопровождаться снижением коррозионной стойкости металла, особенно в коррозионно-активных сероводородных средах, а также снижением его хладостойкости. Следует отметить, что величина поперечных напряжений в зоне сварки готовой трубы прямо связана с величиной свободного зазора между свариваемыми кромками трубной заготовки, имеющим место после формовки. В зависимости от диаметра и толщины трубы можно определить максимальное значение величины зазора, допустимое для данного сортамента с точки зрения остаточных внутренних напряжений после сварки. В случае превышения этого значения прямошовная магистральная труба не может удовлетворять требованиям к качеству готовой продукции, поскольку наличие внутренних поперечных растягивающих напряжений в зоне сварного шва приводит к снижению механических и эксплуатационных свойств металла. Это обуславливает актуальность разработки способа производства прямошовных магистральных труб, обеспечивающего устранение указанного недостатка.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении качества готовых магистральных труб за счет снижения остаточных внутренних напряжений в зоне продольного сварного шва при уменьшении величины свободного зазора боковых кромок трубной заготовки после формовки ее основного контура.

Для решения этой задачи в известном способе производства прямошовных магистральных труб, предусматривающем формовку основного контура трубной заготовки из толстолистового проката, последующее соединение продольных боковых кромок отформованной трубной заготовки, приварку к ним технологических планок и сварку указанных боковых кромок в сомкнутом положении с образованием продольного соединительного шва, а также экспандирование полученной трубы для обеспечения контура ее окружности, после формовки основного контура трубной заготовки осуществляют ее доформовку не менее чем за два этапа, для чего в рамках первого этапа из исходного положения с расположенным в верхней точке периметра разъемом боковых кромок трубной заготовки производят ее поворот вокруг оси на угол 15…60° и фиксируют в этом положении, после чего прикладывают к верхней зоне ее наружной поверхности равномерно распределенное по длине трубной заготовки сжимающее усилие, обеспечивающее вертикальное смещение этой зоны в направлении оси трубной заготовки на величину δ=(0,1…0,4)S, где S - величина зазора между боковыми кромками трубной заготовки, получаемого после формовки ее основного контура, после чего снимают нагрузку и в рамках второго этапа доформовки производят поворот трубной заготовки вокруг оси в противоположную сторону на такой же угол относительно вертикального положения разъема, как и на первом этапе, и фиксируют в этом положении, затем прикладывают к верхней зоне ее наружной поверхности равномерно распределенное по длине трубной заготовки сжимающее усилие, обеспечивающее вертикальное смещение этой зоны в направлении оси трубной заготовки на ту же величину δ, что и на первом этапе, причем, если после обоих этапов доформовки трубной заготовки величина зазора между ее боковыми кромками превышает максимальное значение, допустимое для данного сортамента, дополнительно производят еще не менее двух этапов доформовки трубной заготовки аналогично первым двум этапам.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 и 2 представлен механизм выполнения первого и второго этапов доформовки при производстве прямошовных магистральных труб в соответствии с предложенным способом.

Способ производства прямошовных магистральных труб реализуют следующим образом. Сначала из толстолистового проката производят формовку основного контура трубной заготовки из толстолистового проката. Эта операция производится верхним пуансоном, поэтому разъем ее свободных боковых кромок после завершения операции оказывается расположенным в верхней точке полученного периметра. Величина свободного зазора S между боковыми кромками в зоне их разъема несколько больше, чем толщина несущей части пуансона, за счет упругого пружинения материала трубной заготовки после снятия нагрузки. Для сварки указанных боковых кромок при получении трубы их приводят в сомкнутое положение под действием внешних усилий. Для снижения остаточных внутренних напряжений в зоне продольного сварного шва готовой трубы величина указанного зазора S должна быть минимизирована. Если после формовки трубной заготовки фактическая величина зазора S в зоне разъема превышает требуемые значения S₀, т.е. S>S₀, возникает необходимость в дополнительных технологических операциях по его уменьшению.

Для этого осуществляют ее доформовку, т.е. дополнительную подгибку боковых кромок трубной заготовки 1 в направлении выборки зазора S с целью уменьшить его величину (фиг.1). В ходе первого этапа доформовки трубную заготовку 1 из верхнего положения разъема поворачивают (V) вокруг оси против часовой стрелки на угол α=15…60° и фиксируют в этом положении на опорах 2. Затем при помощи специального пуансона прикладывают к наружной поверхности верхней зоны трубной заготовки 1 в точке В направленное вертикально вниз усилие P₁, равномерно распределенное по длине этой заготовки и проходящее через ее ось. При этом верхняя зона трубной заготовки 1 смещается вниз в положение В′ на величину, составляющую δ=(0,1…0,4)S. Можно считать, что в целом деформация трубной заготовки соответствует характеру изгиба криволинейной (с выпуклостью вверх) консольной балки под действием сосредоточенной нагрузки, приложенной на середине длины балки. Соответственно свободная правая кромка 3 трубной заготовки 1 (свободный конец консольной балки) смещается вниз вместе со всей консолью в положение 3′ и происходит частичная выборка зазора S до величины S′. После снятия нагрузки верхняя зона трубной заготовки В и ее свободная правая кромка 3 за счет упругого пружинения поднимаются вверх в положение В′′ и 3′′ соответственно. При этом величина зазора составляет S′′. В целом при переходе правой кромки в положение 3′′ происходит уменьшение величины зазора (S′′<S) между свободными кромками заготовки 1, однако непрерывный контур ее окружности нарушается, поскольку кромки заготовки 4 и 3′′ смещаются относительно друг друга в радиальном направлении.

В ходе второго этапа доформовки (фиг.2) трубную заготовку 1 поворачивают (V) вокруг оси по часовой стрелке на такой же угол α относительно исходного верхнего положения, как и во время первого этапа, и фиксируют в этом положении на опорах 2 (фиг.2). Затем, аналогично первому этапу, при помощи специального пуансона прикладывают к наружной поверхности верхней зоны трубной заготовки 1 в точке С направленное вертикально вниз усилие Р₂, равномерно распределенное по длине заготовки и проходящее через ее ось. Это сжимающее усилие обеспечивает вертикальное смещение этой зоны в направлении оси трубной заготовки в положение C на ту же величину, что и на первом этапе. После снятия нагрузки верхняя зона трубной заготовки С и ее свободная левая кромка 4′ за счет упругого пружинения поднимаются вверх в положение С′′ и 4′′ соответственно. При переходе правой кромки в положение 4′′ происходит уменьшение величины зазора S′′ между свободными кромками заготовки 1, и восстанавливается контур окружности, поскольку кромки заготовки 4′′ и 3′′ совмещаются на одном уровне.

После второго этапа доформовки основной контур трубы вновь становится осесимметричным и круглым, боковые кромки заготовки вновь занимают положение друг напротив друга, причем величина зазора между ними S₁′′ уменьшается, т.е. S₁′′<S. Если величина полученного зазора меньше допустимого значения, т.е. S₁′′<S₀, то полученную заготовку можно считать пригодной для сварки продольного шва. Иначе говоря, при соблюдении этого условия величина остаточных внутренних напряжений в сварном шве готовой трубы, возникающих после проведения сварки кромок в заневоленном состоянии слишком незначительна, чтобы негативно повлиять на ее эксплуатационные свойства. Однако, если это условие не соблюдается, т.е. после обоих этапов доформовки трубной заготовки величина зазора между ее боковыми кромками продолжает превышать максимальное значение, допустимое для данного сортамента, дополнительно производят еще не менее двух этапов доформовки трубной заготовки по методике, аналогичной первым двум этапам. После получения нужной величины зазора (S₂′′<S₀) производят соединение продольных боковых кромок отформованной трубной заготовки, приварку к ним технологических планок и сварку указанных боковых кромок в сомкнутом положении с образованием продольного соединительного шва с последующим экспандированием полученной трубы для обеспечения контура окружности.

Таким образом, применение предложенного способа производства прямошовных магистральных труб обеспечивает получение требуемого технического эффекта - повышение качества готовых магистральных труб за счет снижения величины внутренних остаточных напряжений в зоне сварного шва при уменьшении величины свободного зазора между свариваемыми боковыми кромками трубной заготовки. Это достигается при использовании операции доформовки трубной заготовки по предложенному способу. Рассмотренное техническое решение может быть реализовано при производстве прямошовных магистральных труб большого диаметра.

Применение способа поясняется примером его реализации. На трубоформовочном прессе производят формовку основного контура трубной заготовки из низкоуглеродистой стали К65 под диаметр трубы 1420 мм из толстолистового проката толщиной 27,7 мм. После завершения формовки величина свободного зазора между боковыми кромками трубной заготовки составляет 150 мм, при максимальном значении, допустимом для данного сортамента из соображений минимизации внутренних напряжений - 70 мм. Это обуславливает необходимость доформовки полученной трубной заготовки с целью уменьшения величины зазора до требуемой величины.

Для этого указанную заготовку после формовки устанавливают в положение с расположенным в верхней точке периметра разъемом боковых кромок. Затем в рамках первого этапа доформовки производят ее поворот вокруг оси против часовой стрелки на угол α=30° и фиксируют в этом положении. Разъем боковых кромок при этом смещается влево и занимает положение на левой боковой поверхности трубы. После этого к наружной поверхности трубной заготовки в ее верхней зоне при помощи специального пуансона прикладывают направленное вертикально вниз усилие, равномерно распределенное по длине и проходящее через ось указанной заготовки. Под действием этого усилия происходит вертикальное смещение верхней половины стенки трубной заготовки в направлении ее оси (изгиб). Деформацию производят до тех пор, пока вертикальное смещение верхней зоны трубной заготовки (смещение пуансона) не достигнет величины δ=45 мм, составляющей 0,3 от величины свободного зазора между боковыми кромками после формовки. При этом вертикальное смещение верхней боковой кромки трубной заготовки (свободного конца консольной балки) составит δ_B≈80 мм. После снятия нагрузки и отвода пуансона вверх смещаемая кромка за счет действия сил упругого пружинения поднимается вверх на 20 мм. Соответственно, результирующее вертикальное смещение верхней кромки разъема после завершения первого этапа доформовки составит δ_p=80-20=60 мм. При этом происходит уменьшение величины зазора между свободными кромками заготовки, однако нарушается контур ее окружности, поскольку эти кромки смещаются относительно друг друга в радиальном направлении.

Затем приступают ко второму этапу доформовки. Для этого производят поворот трубной заготовки вокруг оси по часовой стрелке на угол α=30° относительно вертикального положения разъема и фиксируют ее в этом положении. Разъем боковых кромок при этом смещается вправо и занимает положение на правой боковой поверхности трубы, причем расположение кромок характеризуется их значительным смещением относительно друг друга в радиальном направлении. После этого, аналогично первому этапу доформовки, к наружной поверхности трубной заготовки в ее верхней зоне при помощи специального пуансона прикладывают направленное вертикально вниз усилие, равномерно распределенное по длине и проходящее через ось указанной заготовки. Под действием этого усилия происходит вертикальное смещение верхней половины стенки трубной заготовки в направлении ее оси. Величину этого смещения задают такой же, как и на первом этапе доформовки δ=45 мм. При этом вертикальное смещение верхней боковой кромки трубной заготовки также составит δ_C≈80 мм. После снятия нагрузки и отвода пуансона вверх смещаемая кромка за счет действия сил упругого пружинения, как и в предыдущем случае, поднимется вверх на 20 мм. Иначе говоря, результирующее смещение верхней кромки заготовки составит, как и на первом этапе, δ_р=80-20=60 мм. При этом устраняется смещение боковых кромок трубной заготовки относительно друг друга в радиальном направлении, а величина зазора между ними уменьшается на 60+60=120 мм, т.е. до S′′=150-120=30 мм. Поскольку полученное значение зазора между свариваемыми боковыми кромками трубной заготовки меньше максимальной допустимой величины для данного сортамента (30 мм < 70 мм), необходимость в дальнейшей доформовке трубной заготовки отсутствует. Непосредственно после доформовки производят соединение продольных боковых кромок отформованной трубной заготовки, приварку к ним технологических планок и сварку указанных боковых кромок в сомкнутом положении с образованием продольного соединительного шва, а также экспандирование полученной трубы для обеспечения контура ее окружности. Испытания механических свойств на поперечных образцах из зоны сварного шва показали повышение хладостойкости при использовании доформовки для производства труб. Для полученных в соответствии с предложенным способом труб по сравнению с трубами, не прошедшими доформовку, ударная вязкость при низкой температуре повышается на 30…60 Дж/см², т.е. до значений KCV_-40=300…330 Дж/см². Таким образом, использование предложенного способа позволяет повысить качество готовых магистральных труб за счет снижения остаточных внутренних напряжений в зоне продольного сварного шва.

Для оценки допустимой величины вертикального смещения верхней поверхности трубной заготовки в направлении ее оси при доформовке проводили эксперименты по варьированию этого параметра. Полученные опытным путем данные подтверждают, что если значения указанного смещения на каждом этапе доформовки превышают δ=0,4 от величины свободного зазора между боковыми кромками трубной заготовки, получаемого после формовки основного контура, то вертикальное смещение боковых кромок трубной заготовки слишком велико. Соответственно, в ходе второго этапа доформовки боковые кромки могут упираться друг в друга, что может привести к искажению формы трубы и снижению качества сварного шва. В то же время при значениях указанного смещения менее δ=0,1 от величины свободного зазора между боковыми кромками трубной заготовки, получаемого после формовки основного контура величина деформации при доформовке недостаточна для существенного снижения величины зазора, что обуславливает необходимость третьего и четвертого этапов повторной доформовки, т.е. приводит к снижению производительности процесса производства трубы.

Кроме того, эмпирическим путем установлено, что при повороте трубной заготовки вокруг оси на угол α<15° воздействие пуансона на трубную заготовку в ходе доформовки может приводить к локализации изгиба в области разъема и искажению ее овального контура. В то же время если угол поворота составляет α>60°, то при последующей деформации доформовки боковые кромки трубной заготовки могут внахлест заходить друг за друга, что усложняет их сварку встык.

Таким образом, полученные данные подтверждают правильность рекомендаций по выбору величины технологических параметров предложенного способа производства прямошовных магистральных труб. Технико-экономические преимущества предложенного способа производства прямошовных магистральных труб заключаются в том, что он позволяет повысить качество готовой продукции в части хладостойкости и коррозионной стойкости за счет снижения уровня внутренних напряжений в зоне сварного шва стенки трубы.

Источники информации

1. Стальные трубы. Справочное издание. Перевод с нем. п/ред. Шмидта: М.: Металлургия, 1982, стр.163-164.

2. И.Н. Потапов и др. Технология прокатного производства. М.: Металлургия, стр.437-441.