Изготовление сварных труб

На изготовление труб расходуют около 10% всего мирового производства стали, причем доля выпуска сварных труб составляет более половины всего производства и продолжает возрастать. Трубы большого диаметра (более 500 мм) выпускаются только сварными. Серийный характер производства, большая протяженность швов и сравнительно простая форма изделия позволяют эффективно использовать прогрессивные методы сварки с весьма высокими скоростями и полностью механизировать весь процесс изготовления труб.

Быстрое развитие трубопроводного транспорта требует резкого увеличения производства труб больших диаметров из низколегированных сталей. В отличие от практики США, где сеть трубопроводов сооружена в основном из труб небольшого диаметра, в СССР главным направлением является укладка газопроводов диаметром 1420 мм с рабочим давлением 7,5 МПа.

Трубы для магистральных трубопроводов выполняют дуговой сваркой под флюсом. Шов располагают либо по образующей, либо по спирали. Из-за ограниченной ширины листов прямошовные трубы диаметром до 820 мм сваривают одним продольным швом, при большем диаметре — двумя. За рубежом используют листы большей ширины, что позволяет выпускать трубы диаметром 1420 мм с одним швом.

Челябинский трубопрокатный завод выпускает прямошовные трубы длиной 12 м В диаметром до 1220 мм. Сварку выполняют с двух сторон, причем наружный шов укладывают первым на стане проходного типа. Перед станом подъемными кантующими роликами заготовку 2 устанавливают разъемом вверх по оси направляющего ножа 1 (рис. 15.38).

Проходя стан, трубная заготовка 2 надвигается на оправку 5, подвешенную к направляющему ножу и опирающуюся роликами на внутреннюю поверхность трубы. Движение трубы обеспечивается приводными горизонтальными валками стана, причем щель между кромками по мере продвижения заготовки сужается вследствие бокового давления вертикальных неприводных валков и в зоне сварки 3 зазор отсутствует. Вытекание сварочной ванны предотвращают установленным на раме оправки гусеничным башмаком 4 — замкнутой лентой из шарнирно скрепленных пластин с медными накладками. Движение трубы увлекает ленту, и под сварочной ванной всегда находится свежая пластина, охлажденная сжатым воздухом. Сварку под флюсом производят двумя дугами, горящими в одной сварочной ванне, что обеспечивает хорошее формирование шва при скорости сварки 170—190 м/ч и толщине стенок 12 мм. Для уменьшения размера кратера концевые участки швов длиной 150—220 мм выполняют одной дугой при одновременном снижении скорости сварки. Потери на обрезку концов труб в этом случае невелики. К установке для сварки внутреннего шва труба поступает по рольгангу н подается внутрь подвижных люлек, поднимающих и поворачивающих трубу швом вниз. Люльки смонтированы на подвижной тележке, с помощью которой труба надвигается на сварочную головку, прикрепленную к штанге длиной 12 м.

Трубы с двумя продольными швами собирают из двух предварительно отформованных корыт, подаваемых укладчиком на две параллельные нитки входных рольгангов сборочного устройства. Кромки заготовок выравнивающим приспособлением устанавливаются в одной горизонтальной плоскости, и в таком положении корыта рольгангами подаются в раскрытое сборочное устройство (рис. 15.39,а).

Штоки пневмоцилиндров 1 (рис. 15.39,б), поворачивая рычаги 2, устанавливают заготовки в исходное для подачи в сварочный стан положение. Зазор между заготовками задается деталями 3 и 4. Подача собранной трубы в сварочный стан осуществляется   упором 6 цепного   заталкивателя 5 со скоростью, несколько превышающей скорость сварки, чтобы догнать предыдущую трубу (рис. 15.39,в). При этом направляющий нож стана попадает в зазор между верхними кромками корыт, направляя стык к сварочной головке. Когда труба захватывается горизонтальными приводными валками сварочного стана, цепной заталкиватель выключается и возвращается в исходное положение. Сваренная первым наружным швом заготовка поворачивается разъемом вверх и но рольгангу поступает на стан для сварки второго наружного шва. Затем последовательно, аналогично одношовным трубам, выполняются и оба внутренних шва. После контроля и устранения дефектов трубы с прямым швом подвергают правке для обеспечения требуемой формы поперечного сечения и допуска на диаметр. Для этого на длине 300 мм снимают внутреннее усиление шва и осуществляют раздачу в пресс-расширителе (эспандере). Для этого трубу заключают в толстостенную матрицу, в нее вводят конусные заглушки, уплотняющие и калибрующие ее концы. Внутренним гидравлическим давлением диаметр трубы увеличивается на 1,0— 1,2%, чем достигается правка трубы по всей длине и калибровка ее по диаметру. Затем давление снижают до испытательного уровня и дают выдержку около 30 с с одновременным разовым обстукиванием трубы молотками, закрепленными на траверсе.

Технология изготовления 12-метровых прямошовных труб диаметром 1220— 1620 мм на Харцызском трубном заводе отличается последовательностью выполнения швов, приемами формовки и калибровки труб, а также организацией контроля качества. Листы после выборочного ультразвукового контроля и правки подбираются по длине в специальной установке (рис. 15.40).

На входном рольганге листы автоматически измеряются по длине, результаты измерений поступают в память ЭВМ, а листы передней тележкой кантуются на ребро и устанавливаются в карманы накопителя. После заполнения накопителя очередной лист проходит по рольгангу без остановки и вслед за ним из накопителя задней тележкой по команде ЭВМ выдается лист, близкий ему по длине. Затем листы центрируются и проходят через станок для обработки кромок снятия фасок и нанесения риски, используемой при автоматическом направлении электрода по стыку.

Формовка полуцилиндрических заготовок происходит в роликах семиклетьевого стана, откуда они попарно поступают на сборку и прихватку технологическими швами, выполняемыми либо токами высокой частоты, либо в среде СО₂ в одном из двух агрегатов, установленных параллельно друг другу.

После визуального контроля технологических швов и приварки технологических планок трубы поступают на сварку внутренних рабочих швов Сварку осуществляют трехдуговым аппаратом А-1448, слежение за направлением электродов по стыку производится автоматически или внзуально путем совмещения вертикальной линии «креста» на экране телевизора с риской на внутренней поверхности трубы. Станы для выполнения наружных рабочих швов отличаются только расположением сварочного аппарата, за положением электродов относительно стыка сварщик следит с помощью светоуказателя.

Все предварительно охлажденные водой трубы проходят ультразвуковой контроль наружных и внутренних рабочих швов с отметкой дефектных мест краской. При наличии дефектных отметок труба направляется на рентгенотелевизионную установку для расшифровки. Калибровку осуществляют гидромеханическим эспандером. Для этого трубу шагами надвигают на калибровочную головку эспандера, обеспечивая механическую раздачу каждого участка трубы до заданного диаметра. Откалиброванные трубы проходят гидроиспытание внутренним давлением, а затем контролируются повторно ультразвуком с целью выявления дефектов, появившихся в процессе калибровки н гидроиспытання.

Сборка и сварка рулонной стали спиральным швом позволяют получить любой диаметр трубы независимо от ширины полосы. При использовании этого метода процесс изготовления идет непрерывно, обеспечивая   требуемую точность   размера и формы трубы без последующей калибровки.

На рис. 15.41 показана схема стана Ждановского завода им. Ильича. Полоса из рулона 1 проходит правильные вальцы 2 и накапливается в компенсационной петле 5, обеспечивая непрерывность выполнения спирального шва при обрезке концов полос гильотинными ножницами 3 и сборке и сварке их стыка на установке 4. После компенсационной петли лента двигается со сварочной скоростью, определяемой вращением толкающих валиков 7. С помощью парных дисковых ножей 6 обрезают продольные кромки под сварку. Настройку стана на требуемый диаметр трубы производят разворотом формочной машины и выходного моста, перемещая их на катках по криволинейным рельсовым путям. Сворачивание в трубу осуществляют заталкиванием полосы в формовочное устройство 9. Спиральный шов выполняется сваркой под флюсом тремя сварочными головками. Две из них крепятся на общей штанге 8, вводимой внутрь трубы, третья головка 10 расположена снаружи. Первый внутренний шов, приваривающий кромку полосы к сформованной трубе, имеет малую площадь сечения и является технологическим. Его назначение — устранить возможность взаимного перемещения кромок и предотвратить вытекание сварочной ванны при сварке наружного рабочего шва. Внутренний рабочий шов варит двухэлектродная головка, обеспечивая хорошее формирование и полный переплав технологического шва. Такая технология позволяет гарантировать отсутствие кристаллизационных трещин при сварке низколегированных сталей со скоростью до 110 м/ч. Выходящая из стана непрерывная труба летучим устройством 11 разрезается на трубы мерной длины.

Процесс изготовления спиральношовных труб большого диаметра 530—1420 мм на станах Волжского трубного завода является более совершенным. Наличие летучего агрегата, обеспечивающего механизацию обрезки, сборки и сварки концов полос, позволило обойтись без компенсационной петли.

Конец полосы 1 н начало полосы 2 последовательно проходят обрезку на ножницах I (рис. 15.42,а) н закрепляются прижимами калибровочных ножниц II.

После выполнения одновременного калибровочного реза концов обеих полос передвижением суппорта III до упора (рис. 15.42,б) задняя кромка полосы 1 устанавливается по оси канавки подкладки сварочной установки. Соответственно перемещением до упора гильотинных ножниц I передняя кромка полосы 2 подается в сварочную установку. При этом обеспечивается требуемый зазор в стыке. Концы полос зажимаются и свариваются. При выполнении всех этих операции агрегат движется вместе с полосой, а затем отпускает ее и возвращается в исходное положение.

Общая схема расположения оборудования на участке формовки, сборки и сварки трубы показана на рис. 15.43.

После обрезки продольных кромок дисковыми ножами 1 полоса центрируется роликами 4 и калибруется по ширине под сварку фрезами 2 с удалением стружки обдувкой воздухом из сопла 3. Заталкивающие валки 5 подают полосу в формующее устройство 6 с обоймами роликов, работающих по схеме трехвалковых гибочных вальцов, что обеспечивает правильную форму трубы и ее сборку с плоской полосой без смещения кромок. Однако смещение отсутствует только в том случае, если кромки стыка собираются с зазором, обеспечивающим свободу перемещения каждой из них. Для качественного выполнения шва также желателен зазор, но при условии жесткого допуска на его размер, который фиксируется специальным датчиком в виде роликов, перекатывающихся по стыкуемым кромкам. В случае отклонения от заданного допуска автоматически включается механизм перемещения люнета 7, задающего поворот вокруг оси 8 всего устройства, поддерживающего сформованную часть трубы. Датчик положения кромок одновременно используют для направления по шву сварочной головки, накладывающей технологический прихваточный шов. Рабочие швы выполняются при визуальной коррекции направления сварочных головок по стыку. В процессе выполнения спирального шва осуществляется непрерывный ультразвуковой контроль, Места обнаруженных дефектов автоматически маркируются краской.

Увеличение диаметра труб, используемых при укладке магистральных трубопроводов, требует увеличения толщины стенки. Толщина полос рулонной стали обычно не превышает 14 мм. Поэтому спиральношовные трубы диаметром 1420 мм и более изготовляют либо из отдельных листов, либо в два слоя из рулонной стали.

Непрерывный процесс изготовления спиральношовных труб диаметром до 2520 мм из отдельных листов осуществляют на специальном стане Волжского трубного завода. Листы по одному подаются на рольганг листоукладчиком, центрируются и поступают на участок фрезеровки торцов (рис. 15.44), где каждая пара кромок, подлежащих стыковке, обрабатывается одновременно. Кромки фиксируются откидными упорами 1 и зажимами 2 и обрабатываются фрезами 3. Затем листы подаются к неподвижной сварочной установке (рис. 15.45), где производятся сборка и сварка стыка между ними на медной подкладке пол флюсом с постановкой заходных технологических планок. После этого карта из двух листов рольгангом подается на летучую сварочную установку (рис. 15.46), предназначенную для сборки и сварки стыков между картой и кон цом непрерывной полосы. В процессе выполнения операции летучая установка движется вместе с концом полосы, причем секции поддерживающего полосу рольганга автоматически опрокидываются, пропуская ее, и поднимаются вновь для поддержания привариваемой карты. Затем специальный механизм отламывает технологические планки и непрерывная полоса проходит те же операции обработки продольных кромок под сварку, формовки трубы, двусторонней сварки спирального шва, его контроля и резки на мерные части.

Для   изготовления    спиральношовных труб в два слоя предназначен стан Новомосковского трубного завода, схема которого показана не рис.   15.47,a.

Две последовательно расположенные   линии   подготовки полосовой рулонной  стали отличаются только расположением  скоса кромок    (верхние   и   нижние)   под спиральные швы, а также различием в технологии выполнения поперечных стыков полос из-за  необходимости плотного прилегания слоев друг   к другу и  возможности подварки стыка наружного   слоя   для образования  трубы.  Так, в линии, формирующей наружный слой трубы,  необходимо   удалять  усиление шва, тогда как провар всей толщины   не   обязателен.   Напротив,   во второй   линии   проплавление  всей толщины    необходимо,   а   удалять усиление шва не требуется.  После компенсационной   петли   обе   полосы   заталкиваются    в  формующее устройство  таким   образом,  чтобы спиральные стыки наружного и внутреннего слоев оказались сдвинутыми на шаг, равный  100 мм;   каждый из  швов выполняется   как бы на подкладке (рис. 15.47,а). Сварка их на стане осуществляется технологическими  швами  в  среде  СО₂. Рабочие    швы    выполняют    после разрезки непрерывной трубы на отдельном  рабочем  месте (рис. 15.47,б) под флюсом двумя дугами с полным переплавом технологических швов. Затем у каждого конца трубы накладывают кольцевой шов, устраняющий зазор  между слоями с последующей обработкой торца и снятием фаски  кромки трубы (рис. 15.47,в).

При изготовлении сварных труб малых и средних диаметров используют непрерывные процессы. Из рулона лента разматывается, наращивается,    формуется   и,   проходя сварочный узел, сваривается тем или иным способом. Наиболее часто применяется сварка печная, токами высокой частоты и аргонодуговая.

Особенно производительно изготовляют из  низкоуглеродистой стали водогазопроводные трубы диаметром 6—114 мм печной сваркой. Заготовкой служит горячекатаный штрипс в рулонах. По выходе штрипса из нагревательной печи (рис. 15.48) его кромки 1 обдуваются воздухом из сопл 2 для удаления окалины и повышения температуры. В первой паре роликов 3 штрипс формуется, а во второй паре 4 — сворачивается и сваривается, причем обдув из сопла 5 повышает температуру до 1500— 1520°С. Скорость сварки    достигает 300 м/мин, причем производительность процесса может быть значительно повышена, если в состав агрегата печной сварки входит редукционный стан, работающий с натяжением. В этом случае скорость выхода трубы из стана можно повысить до 420— 1200 м/мин.

В последние годы для изготовления труб диаметром от 8 до 529 мм и более с толщиной стенки 0,3—10 мм все шире используют сварку токами высокой частоты. По сравнению с контактной сваркой сопротивлением на токах промышленной частоты высокочастотная Сварка обеспечивает значительно более высокие скорости сварки (до 120 м/мин), возможность изготовления труб из сталей, цветных металлов и сплавов, использование горячекатаной нетравленой ленты, значительное уменьшение расхода электроэнергии на производство 1   т   готовых   труб.   Кроме того, при высокочастотной сварке одно и то же оборудование можно использовать для изготовления труб из разных материалов.

При контактном подводе тока (рис. 15.49,а) необходимость смены контактов 1 вследствие их износа заставляет периодически останавливать стан. Более перспективен индукционный подвод энергии кольцевым индуктором 2 (рис. 15.49,б). В этом случае для уменьшения потерь энергии в результате прохождения тока по телу заготовки внутрь трубы 1 вводят магнитный сердечник 3, который изменяет сопротивление так, что почти весь сварочный ток 4 направляется по свариваемым кромкам.

Дуговую сварку в инертном газе вольфрамовым электродом применяют для изготовления прямошовных труб диаметром 6— 426 мм с толщиной стенки 0,2—5 мм и специальных труб со спиральным швом диаметром    до 2000 мм и толщиной    стенки до10 мм. Материалы труб разнообразны, однако скорость сварки невелика (до 1,5— 2 м/мин).

Своеобразно изготовление плоскосворачиваемых труб, нашедших применение при прокладке промысловых и газосборных     трубопроводов, Схема изготовления таких труб показана на рис. 15.50,а.

Две стальные ленты 1 накладываются одна на другую и свариваются двумя продольными швами на контактной машине 2 для шовной сварки. По мере сварки трубная заготовка проходит правильное устройство 3 и свертывается в рулон 4. Контроль плотности швов готовой свернутой в рулон трубы производится присоединением к одному из концов трубы сети сжатого воздуха. Рулон    закрепляют в жесткой обойме, предотвращающей его разворачивание или раздутие трубы. Показание манометра, присоединяемого к другому, предварительно заглушённому концу трубы, позволяет установить наличие неплотностей. Такие трубы могут иметь толщину стенок до 4 мм, диаметр до 300—400 мм и длину до 250— 300 м. На месте укладки трубопровода рулон разматывают и трубу раздувают (рис. 15.50,б). Отдельные плети соединяют друг с другом либо сваркой плоских концов труб до их раздутия, либо с помощью фланцевых соединений.

Николаев Г.А. "Сварные конструкции. Технология изготовления. Автоматизация производства и проектирование сварных конструкций"