Технологии изготовления стальных труб

Применение и классификация стальных труб. Характеристика трубной продукции из различных марок стали, стандарты качества стали при ее изготовлении. Методы защиты металлических труб от коррозии. Состав и применение углеродистой и легированной стали.

Труба, основная идея конструкции которой заимствована у природы, представляет собой, несомненно, один из старейших конструктивных элементов; время первого ее использования человеком теперь установить невозможно, поскольку первые трубы изготавливали из непрочных материалов типа тростника, бамбука, дерева. Наиболее древняя металлическая труба, сохранившаяся до наших дней, изготовлена из меди. Весьма точные данные дошли до нас об изготовлении и использовании труб в древнем Риме. В те времена применяли литые трубы из бронзы и трубы из металлического листа с паяным швом.

В век развития техники и новых изобретений к производству труб начали предъявлять все более высокие требования. Вначале для паровых котлов и машин считались вполне пригодными клепаные и расчеканенные стальные трубы, но вскоре способы изготовления и контроля качества труб потребовалось усовершенствовать, и в ходе непрерывного развития они достигли современного уровня.

Трубная продукция часто используется для предприятий топливно-энергетического комплекса, машиностроения, строительной индустрии, оборонных отраслей, для создания трубопроводного транспорта страны, но основу, все же, составляют трубы, предназначенные для нефтегазового комплекса страны. Стальные трубы выпускают в широком диапазоне диаметров, толщин стенок, марок стали и различных классов точности. Они обладают высокой прочностью, относительно небольшой массой, пластичностью и применяются при индустриальном монтаже. Недостатками стальных труб являются подверженность коррозии и зарастанию, меньший срок службы по сравнению со сроком службы неметаллических труб, возрастание гидравлического сопротивления в процессе эксплуатации, если не предусматриваются соответствующие меры. Применение стальных труб строго ограничивается из-за необходимости экономии металла. Для стальных наружных трубопроводов систем водоснабжения применяют сварные трубы диаметром до 1400 мм следующих видов:

прямошовные по ГОСТ 10704-91, ГОСТ 10706-76 и ГОСТ 10705-80;

спирально-шовные по ГОСТ 8696-74; спирально-шовные тонкостенные по ТУ 102-39-84; водогазопроводные по ГОСТ 3262-75.

Применение бесшовных стальных труб целесообразно в случае, если расчетом на прочность установлена невозможность использования сварных труб.

Сварные трубы изготавливают из различных сталей, отличающихся химическим составом и механическими свойствами. Эти качества стали регламентируются следующими стандартами:

ГОСТ 380-88 — на углеродистую сталь обыкновенного качества, применяемую для изготовления прямошовных, спирально-шовных и водогазопроводных труб;

ГОСТ 19281-89 — на низколегированную высококачественную толстолистовую и широкополосную сталь, применяемую для изготовления прямошовных (ГОСТ 10706-76) и спирально-шовных (ГОСТ 8696-74) труб.

Наиболее широко применяются трубы из углеродистых сталей обыкновенного качества как наиболее дешевые и менее дефицитные. Трубы из низколегированных высококачественных сталей применяют при строительстве и эксплуатации трубопроводов в условиях низких температур, приблизительно 20 °С и ниже, а также при более высоких температурах, если обеспечивается экономия стали в результате использования труб с меньшими толщинами стенок, чем у труб из углеродистых сталей обыкновенного качества.

Качество труб во многом зависит от качества трубных заготовок (круг, лист, штрипс), что, несомненно, повышает потребительские качества трубной продукции. Трубы выпускают различных групп с гарантией как всех, так и отдельных характеристик: механических свойств, химического состава, испытательного давления. Кроме того, трубы, имеющие одинаковые гарантированные механические характеристики, могут быть изготовлены из сталей, полученных различными способами.

Выбор марки стали производят по нормируемым стандартами показателям стали и механическим свойствам, а при их отсутствии — по значению гарантируемого испытательного гидравлического давления трубы.

Трубы из углеродистой обыкновенного качества кипящей стали (КП) характеризуются хладноломкостью, в связи с чем, их не следует применять при строительстве и эксплуатации трубопроводов в условиях низких температур (минус 10—20 °С).

Трубы из полуспокойной (ПС) и спокойной (СП) стали обладают меньшей склонностью к хладноломкости, поэтому их применяют при строительстве и эксплуатации в условиях более низких температур.

Трубы из низколегированных сталей целесообразно применять, когда в период строительства и эксплуатации стенки труб могут охладиться до весьма низких температур (минус 20 °С и ниже).

Трубы из нержавеющей стали используют в реагентном хозяйстве для транспортирования агрессивных растворов. Для водозабора подземных вод пригодны бесшовные обсадные и бурильные трубы.

Ввиду того что основным способом соединения стальных труб является сварка, необходимо учитывать их свариваемость, которая ухудшается с повышением содержания углерода. При монтаже узлов трубопроводов употребляют гнутые, штампо-сварные и сварные стальные фасонные части, привариваемые к трубам.

Срок службы металлических трубопроводов, надежность и эффективность их эксплуатации определяются в основном степенью защиты металла от коррозии. Внутренняя коррозия вследствие роста выступов шероховатости приводит к резкому снижению пропускной способности трубопроводов, что, в свою очередь, приводит к сокращению срока службы, значительным затратам на ремонт, перекладку и прокладку дополнительных линий, перерасходу электроэнергии.

Существуют два метода защиты металлических труб от коррозии: пассивный и активный. К пассивному методу относится изоляция наружной или внутренней поверхности труб или покрытие труб специальными оболочками, к активному — электрическая защита.

Чугунные трубы на заводах покрывают специальными антикоррозионными мастиками, которые в течение некоторого времени обеспечивают защиту от коррозии.

Антикоррозионную защиту стальных труб выполняют перед или в процессе их укладки. Для наружной изоляции используют битумно-минеральные, битумно-полимерные, полимерные, этиленовые и другие покрытия.

В мировой практике строительства металлических водопроводов получили распространение внутренние покрытия на основе цемента. Они могут наноситься как на новые трубы, так и на трубы, находящиеся в длительной эксплуатации. Существует несколько способов нанесения покрытий на новые трубы. Наибольшее распространение имеет метод центрифугирования.

Средством защиты действующих трубопроводов от коррозии является очистка внутренней поверхности и нанесение антикоррозионных покрытий. Пропускная способность трубопроводов после прочистки составляет 95—97 % первоначальной. Для нанесения покрытий также существует несколько способов в зависимости от диаметра трубопроводов.

Для создания на внутренней поверхности труб полимерных покрытий при выполнении ремонтно-восстановительных работ применяется метод протаскивания внутри эксплуатируемых трубопроводов плетей из полимерных труб.

Широко используются лакокрасочные покрытия, обеспечивающие простоту технологического процесса, высокую индустриализацию и сравнительно низкую стоимость.

Защита внутренней поверхности труб может быть обеспечена и методами стабилизационной обработки воды.

К активным методам защиты металлических трубопроводов от коррозии относится катодная защита, которая основана на электрохимической теории коррозии. Из-за незначительных затрат электроэнергии этот вид защиты целесообразен как дополнительная мера. К дополнительным методам относится также способ нанесения цинкового покрытия.

Трубопроводы, уложенные вдоль электрифицированных дорог, подвергаются действию блуждающих токов. Под их влиянием происходит разрушение поверхности труб. Защита труб от их действия состоит в предотвращении образования этих токов путем специального оборудования рельсовых путей электротранспорта.

Первая и наиболее общая классификация стальных труб может быть проведена по способам их изготовления. По способу изготовления трубы разделяют на бесшовные (цельнотянутые) и сварные (прямощовные и со спиральным швом).

Бесшовные трубы изготавливают из сплошного материала без продольного шва в три этапа: с различными диаметрами от самых малых значений до 1500 мм.

1. Круглый или граненый слиток диаметром 250..600 мм и массой 0,6…3 т прошивается на прошивочном стане. Валки (грибовидной или дисковой формы) установлены под углом 9–14° друг к другу. Заготовка продавливается через оправку, а из-за растягивающих напряжений, создаваемых вращающимися валками, происходит течение металла от центра слитка, и за счет этого без больших усилий происходит прошивка отверстия. На прошивочном стане получают гильзу.

2. Раскатка гильзы на оправке, в результате чего уменьшаются внутренний и наружный диаметры ее и увеличивается длина заготовки. Получают трубу диаметром свыше 57 мм.

3. Прокатка гильзы для уменьшение ее диаметра уже на прокатном стане без оправки.

Для производства бесшовных горячекатаных труб общего назначения создан трубопрокатный агрегат 30-102 с непрерывным станом, короткооправочный стан тандем, более выгодный при больших количествах заказов разнообразного сортамента.

К числу наиболее выдающихся машин, относятся станы холодной прокатки труб роликами (ХПТР). Получаемые на них трубы высокой точности и зеркальной поверхности (наружной и внутренней) используются: в атомной энергетике, судостроении и аэрокосмической технике. На основе конструктивной аналогичной схемы создан стан холодной прокатки корпусов гидроцилиндров (ХПЦ 50-120). Их применение позволяет получать без механической обработки высоко точные длинномерные изделия. Дальнейшим развитием данного вида оборудования является созданный в последние годы стан холодной прокатки труб валкового типа (ХПТ 6-15), Благодаря высокой степени унификации возможна модернизация станов ХПТР с преобразованием их в станы ХПТ.

Сварные трубы изготовляются диаметром до 2500 мм. Они дешевле бесшовных, но менее надежны и прочны. Сначала проводится формовка плоской заготовки в трубу, далее сваривается продольный стык, проводится отделка и правка. Заготовка изготовляется в виде ленты или берутся листы, шириной равные длине трубы. Используются следующие способы продольной листовой сварки при изготовлении труб: электродуговой под слоем флюса, электроконтактный сопротивлением, кузнечный (печной).

При непрерывной печной сварке проводится нагрев заготовки до 1300–1350° С, стык обдувается кислородом или воздухом и металл разогревается до расплавления и проводится кузнечная сварка стыка кромок трубы сжатых роликами непрерывного стана.

При электроконтактной сварке заготовка поступает в трубоэлектросварочный стан и сжимается. Стык разогревается электрическим током низкого напряжения (6…10 В), подаваемым через сварочные ролики, и при охлаждении сваривается. Электросварные трубы применяются, в основном, для прокладывания магистральных тепловых сетей.

Во ВНИИМЕТМАШе разработаны все отечественные разновидности трубоэлектросварных станов, как с прямым, так и со спиральным швом, различных типоразмеров и назначения. Совместно с Электростальским заводом тяжёлого машиностроения были созданы первые отечественные непрерывные станы печной сварки труб, успешно введенные в эксплуатацию на Челябинском трубопрокатном и Таганрогском металлургическом заводах. Эти станы являются наиболее производительными в мировой практике. Продолжаются работы по созданию оборудования для создания сварных прямошовных труб на основе совмещения процессов сварки трубы и ее последующей прокатки в одном неразрывном потоке: потребителям предлагаются агрегат 20-114 со станом горячего редуцирования, линия по производству точных прямошовных труб малого диаметра, поставленная в конце 1990-х годов в КНР, трубоэлектросварочный агрегат ТЭСА 10-20, применяемый для производства особо тонкостенных труб и профилей из цветных металлов и сплавов.

В настоящее время трубная промышленность является одной из самых важных составляющих всего российского металлургического комплекса.

Углеродистые и легированные стали

32Г2Рпс - Сталь конструкционная низколегированная , марганце-борная , полуспокойная , содержит 0.32% углерода, 2% марганца,1% бора, группы А (нормируются механические характеристики)

Химический состав в % материала 32Г2Рпс:

C Si Mn Ni S P Cr Al Cu
0.28-0.37 до 0.17 1.3-1.75 до 0.3 до 0.05 до 0.045 до 0.3 0.001-0.015 до 0.3

Применение: изготовление арматуры класса А-III, предназначенной для армирования обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций.

Свариваемость: без ограничений- сварка производится без подогрева и без последующей термообработки.

38Х2МЮА - Сталь жаропрочная релаксационностойкая, высококачественная, среднелегированная, хромомолибденовоалюминевая содержащая 0,38% углерода, 1% хрома, 1% молибдена, 1%алюминия. Химический состав в % материала 38Х2МЮА.

C Si Mn Ni S P Cr Mo Al Cu
0.35-0.42 0.2-0.45 0.3-0.6 до 0.3 до 0.025 до 0.025 1.35-1.65 0.15-0.25 0.7-1.1 до 0.3

Температура критических точек материала Ac1 =800, Ac3 (Acm )=940, Ar1 =730

Технологические свойства материала 38Х2МЮА.

Свариваемость: не применяется для сварных конструкций.
Флокеночувствительность: чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости: не склонна.

Применение: азотируемые детали: шестерни, валики, пальцы, втулки и т.д., работающие при температурах до 450 град.

70 - сталь качественная высокоуглеродистая содержит 0,7% углерода.

Химический состав

Химический элемент %
Кремний (Si) 0.17-0.37
Медь (Cu), не более 0.20
Марганец (Mn) 0.50-0.80
Никель (Ni), не более 0.25
Фосфор (P), не более 0.035
Хром (Cr), не более 0.25
Сера (S), не более 0.035

Механические свойства

Термообработка, состояние поставки Сечение, мм s0,2 , МПа sB , МПа d5 , % y, % HB
Сталь категорий: 3,3А,3Б,3В,3Г,4,4А,4Б. Закалка 830 °С, масло, отпуск 470 °С. Образцы 835 1030 9 30
Нормализация 510 910 17 29 252
Проволока. Закалка 920 °С, охлаждение в масле с температурой 40 °С, выдержка 1 мин. Отпуск 500 °С, выдержка 15 мин. 6,5 1240 7 47 315

Технологические свойства

Температура ковки
Начала 1200, конца 850.
Свариваемость
не применяется для сварных конструкций. КТС с последующей термообработкой.
Обрабатываемость резанием
при НВ 183-241, K тв.спл. = 0.7, K б.ст. = 0.6.
Склонность к отпускной способности
не склонна
Флокеночувствительность
малочувствительна

Назначение

рессоры, пружины и другие детали, от которых требуются повышенные прочностные и упругие свойства, а также износостойкость.

БСт3кп – сталь обыкновенного качества, группы Б марки Ст 3, кипящая, (нормируются химическим составом).


Химический состав в % материала Ст3кп .

C Si Mn Ni S P Cr N Cu As
0.14 - 0.22 до 0.05 0.3 - 0.6 до 0.3 до 0.05 до 0.04 до 0.3 до 0.008 до 0.3 до 0.08

Технологические свойства материала БСт3кп .

Свариваемость: без ограничений.
Флокеночувствительность: не чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости: не склонна.

Применение: для малонагруженных элементов сварных и несварных конструкций и деталей, работающих при температуре от -40 до 400 град, фасонные профили для вагонов

30ХН3А – высококачественная, низко никелированная сталь, хромоникелевая, содержащая 0,3% углерода, 1% хрома, 3% никеля.

Химический состав

Химический элемент %
Кремний (Si) 0.17-0.37
Медь (Cu), не более 0.30
Марганец (Mn) 0.30-0.60
Никель (Ni) 2.75-3.15
Фосфор (P), не более 0.025
Хром (Cr) 0.60-0.90
Сера (S), не более 0.025

Механические свойства в зависимости от сечения

Сечение, мм s 0,2 , МПа s B , МПа d 5 , % y , % KCU, Дж/м 2 HB
Закалка 820 °С, масло. Отпуск 580-600 °С, воздух.
20 830 930 20 66 147 390
40 810 910 20 65 147 380
60 780 880 20 62 142 370
80 730 850 20 61 132 360

Технологические свойства

Температура ковки Начала 1220, конца 800. Сечения до 100 мм охлаждаются на воздухе, 101-300 мм - в яме. Свариваемость ограниченная. Способы сварки: РДС, ЭШС. Необходимы подогрев и последующая термообработка [50]. Склонность к отпускной способности - склонна Флокеночувствительность - чувствительна.

Назначение: Венцы ведомых колес тяговых зубчатых передач электропоездов, шестерни и другие улучшаемые детали. Может применяться при температуре -80°С (толщина стенки не более 100 мм).