СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ ЛИФТОВЫХ ТРУБ ТИПА "ТРУБА В ТРУБЕ"
HEAT TREATMENT METHOD OF TUBING OF PIPE-IN-PIPE TYPE

Изобретение относится к металлургической промышленности, в частности к производству труб нефтяного сортамента, и может быть использовано при термообработке лифтовых труб типа «труба в трубе», требующих вакуумирования межтрубного пространства, или аналогичных изделий в машиностроении.
Эти изделия представляют собой длинномерные составные трубы, состоящие из наружной и находящейся внутри нее внутренней трубы, которые по торцам соединены сварочным соединением по типу «труба в трубе» с образованием замкнутой полости, из которой откачан воздух путем вакуумирования. При нагреве (охлаждении) внешняя и внутренняя составные трубы представляют собой два независимых параллельных газопроницаемых канала, и при этом взаимный теплообмен между образующими поверхностями этих труб практически отсутствует, то есть имеет место эффект «термоса». Применение таких труб позволяет снизить или полностью исключить переохлаждение нефти, например, с большим содержанием парафинов при добыче ее в условиях вечной мерзлоты.
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°C и длине труб 12 м. Нарушение синхронного во времени изменения средних по длине температур 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 конвективного нагрева или охлаждения металла в термической печи, реализованный в устройстве (RU 2301389, публ. 27.12.2007 г.) [1]. Обрабатываемые изделия, в том числе трубы, размещают в рабочее пространство, содержащее газоход с нагревательным (охлаждающим) устройством 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 не позволяет регулировать и распределять тепловые потоки на внешней и внутренней поверхностях труб и соответственно синхронизировать процессы нагрева или охлаждения длинномерных изделий. Это приводит или к существенному уменьшению производительности печного агрегата, или к снижению качества обрабатываемых изделий (деформации или разрушению) вследствие возникновения в них значительных внутренних термических напряжений.
Известен способ для продувки внутренней полости труб в термической печи (SU 985088, публ. 30.12.1982 г.) [2], где концы обрабатываемых труб при подходе к опорному ролику попадают в зону действия скоростного потока защитного газа, обтекающего поверхность ролика. Поток защитного газа формируется на выходе из щелевого сопла, расположенного возле ролика под углом 20-35 градусов к горизонтальной оси. При прохождении обрабатываемых труб над роликом происходит интенсивное вытеснение воздуха из внутренней полости труб и частичная обдувка ее внешней поверхности. Рассматриваемый способ позволяет обдувать внутреннюю и внешнюю поверхности труб лишь на относительно небольшом участке, так как трубы движутся по роликам относительно стационарного источника продувочного газа. Потоки газа, поступающие на обдувку обеих поверхностей труб, по мере движения труб не постоянны и зависят от расстояния между торцами этих труб и щелевым соплом. Кроме того, в приведенном способе не представляется возможным синхронизировать процессы теплообмена на внешней и внутренней поверхностях обрабатываемых труб из-за отсутствия регулирования обтекающих эти поверхности потоков защитного газа.
Известен способ конвективного охлаждения труб (SU 1474174, публ. 23.04.1989 г.) [3], где на поверхность движущегося пакета труб подают серию поперечных, относительно их длины, плоских струйных потоков охлажденного газа с направлением их под углом 45-70 градусов к вертикальной плоскости. Способ обеспечивает быстрое и равномерное охлаждение лишь внешней поверхности обрабатываемых труб. Кратковременная обдувка внутренней полости труб возможна лишь в момент прохождения их торцов через траекторию движения плоских поперечных струйных потоков газа, направленных под углом к вертикальной плоскости 45-70 градусов. Обеспечить регулируемое соотношение расходов потоков газа, обдувающих внешнюю и внутреннюю поверхности труб в рассматриваемом способе, также не представляется возможным.
Задача настоящего изобретения состоит в повышении производительности печного агрегата и качества обрабатываемых изделий.
Заявлен способ термообработки лифтовых труб типа «труба в трубе», в котором на внешнюю и внутреннюю поверхности труб направляют независимые, регулируемые по расходу и температуре потоки теплоносителя, при этом на внешнюю поверхность труб направляют потоки теплоносителя в виде поперечных струйных течений, а внутреннюю поверхность труб обдувают продольным потоком теплоносителя, направление которого периодически изменяют на противоположное, при этом в процессе термической обработки путем регулирования расхода и температуры потоков поддерживают разность средних по длине температур этих труб в пределах ±2.5°C в расчете на один метр их длины.
Сущность изобретения заключается в следующем. Учитывая, что количество необходимого тепла для нагрева (охлаждения) внешней составной трубы из-за ее массивности требуется всегда значительно больше, чем для нагрева внутренней составной трубы, выбранный способ подвода (отвода) тепла на ее поверхность является наиболее оптимальным. Предложенный способ передачи тепла на внешнюю поверхность труб позволяет реализовать практически любой график распределения температур по их длине. Так, в случае синхронной работы потоков с одинаковыми расходами и температурами теплоносителя воспроизводится равномерный по длине труб график подъема температур их внешней поверхности.
Возможны также различные варианты распределения температур во время термообработки, включающие опережение или отставание одного или обоих концов труб, а также их средней части. Многообразие режимов термообработки труб достигается за счет выбора различных сочетаний тепловых мощностей нагревателей, регулирование которых можно осуществлять путем изменения расхода и температуры теплоносителя, подбирая производительность единичных вентиляторов, а также подаваемую электрическую мощность на нагреватели или подмешивая регламентированное количество охладителя в каждый из потоков. Таким образом, заявленный способ позволяет проводить термообработку труб в широком диапазоне типоразмеров по диаметру, толщине стенки, длине и химическому составу материала с синхронизацией процесса нагрева (охлаждения) внешней и внутренней труб.
Соблюдение условия, при котором разность средних по длине температур наружной и внутренней труб будет находиться в пределах ±2.5°C 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 не только расходов, но и температур этих двух потоков. При разности средних по длине температур этих труб более ±2.5°C 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 чертежами, где на фиг.1 представлена схема продольного разреза установки для реализации заявленного способа; на фиг.2 - вид сверху с разрезом ее рабочего объема; на фиг.3 - поперечный разрез этого объема; на фиг.4 - продольный разрез лифтовой трубы.
Лифтовые трубы 1 типа «труба в трубе» уложены через верхнюю крышку 2 в рабочий объем 3 установки, стенки которой покрыты теплоизоляцией 4. Крышка 2 снимается и устанавливается на место вместе с закрепленными на ней верхними напорными коллекторами 5, которые расположены поперек обрабатываемых труб. Каждый из коллекторов снабжен щелевыми или осесимметричными соплами 14, которые направлены вертикально вниз на внешнюю поверхность труб. Каждая из лифтовых труб 1 состоит из двух составных труб - наружной 6 и расположенной внутри нее внутренней трубы 7. Торцы труб 6 и 7 соединены между собой сварным соединением 8 с образованием замкнутого пространства 9, из которого в процессе термообработки отводится воздух через трубопровод 10 с запорным органом 11. Под обрабатываемыми трубами 1, которые опираются на подставки 12, установлены нижние стационарные поперечные коллекторы 13 с аналогичными соплами 14, направленными в вертикальной плоскости на нижнюю часть внешней поверхности труб 1. Верхние и нижние коллекторы по длине установки аэродинамически разделены на несколько единичных секций, в данном примере на три. Каждая из единичных секций имеет одинаковую конструкцию и состоит из верхнего 15 и нижнего 16 напорных коробов, отводящего канала 17, вентилятора 18 и соединительных каналов 20. Все эти узлы соединены последовательно с образованием циркуляционного контура. Подвод охладителя (воздуха) на охлаждение труб осуществляется через патрубок 21 с регулирующим органом 22. Отвод отработанного (нагретого) охладителя из установки производится через патрубок 23 с регулирующим органом 24.
Внутренние полости лифтовых труб 9 соединены по торцам с напорными (отводящими) коробами 25 и 26, которые с помощью последовательно установленных каналов 27, вентиляторов 28, 29 и нагревателя 30 образуют независимый от основного дополнительный циркуляционный контур теплоносителя. Параметры работы вентиляторов 28 и 29 регулируются за счет изменения числа оборотов электродвигателей, оснащенных частотными преобразователями 31 и 32. Подвод охладителя при работе этого контура в режиме охлаждения производится через патрубки 33 и 34 с регулирующими органами 35 и 36. Отработанный (нагретый) охладитель отводится в атмосферу через патрубок 37, снабженный регулирующим органом 38. Средние по длине температуры внешней и внутренней труб во время термообработки контролируются контактными термоэлектрическими датчиками, соответственно, 39 и 40, сигнал от которых поступает в регулятор 41, где вычисляется текущая разность этих температур. Полученная величина сравнивается с заданным предельным значением, которое устанавливается с помощью задатчика 42. Регулятор 41 управляет частотными преобразователями 31 или 32.
Способ осуществляют следующим образом. После укладки труб 1 в рабочий объем 3 на подставки 12 закрывают верхнюю крышку 2 и начинают процесс нагрева до необходимой температуры по заданному технологическому графику. Для этого организуют движение теплоносителя по независимым циркуляционным контурам каждой из единичных секций. Единичная секция работает следующим образом. За счет напора, создаваемого вентилятором 18, теплоноситель поступает в нагреватель 19, например, электрического типа, где подогревается до необходимой температуры, а затем по соединительным каналам 20 поступает в верхний 15 и нижний 16 напорные короба и далее в соответственно верхний 5 и нижний 13 коллекторы. Вытекая из щелевых или осесимметричных сопел 14, теплоноситель формируется в поперечные, относительно длины труб, системы струйных течений, которые обдувают внешнюю поверхность, нагревая ее. После выполнения своих функций охлажденный теплоноситель через отводящий канал 17 поступает вновь на вход вентилятора 18 для повторения теплообменного цикла. Интенсивность нагрева внешних составных труб может регулироваться как путем изменения производительности вентилятора, то есть скорости обдувки труб, так и в результате повышения или понижения температуры теплоносителя за счет подбора электрической мощности нагревателя 19.
В режиме выдержки единичная секция работает аналогичным образом, при этом мощность нагревателя 19 компенсирует лишь тепловые потери через наружные стенки в окружающее пространство. В режиме охлаждения нагреватель 19 отключают, а затем в циркуляционный контур каждой из единичных секций начинают подмешивать регламентированное количество охладителя (воздуха) из атмосферы через трубопровод 21 с регулирующим органом 22. Отвод нагретого охладителя из установки осуществляется через патрубок 24 с регулирующим органом 23. Изменение необходимых расходов подмешиваемого охладителя в единичные циркуляционные контуры определяется технологическим графиком охлаждения обрабатываемых труб.
Далее, одновременно с основным запускают в работу и дополнительный циркуляционный контур, включая, например, вентилятор 29. В этом случае теплоноситель через соединительные каналы 27, нагреватель 30, остановленный вентилятор 28 поступает во внутрь левой части напорного короба 25. Из этого короба теплоноситель с необходимым расходом и температурой направляется исключительно во внутреннюю полость составных труб, где происходит процесс теплообмена. Затем охлажденный теплоноситель по каналу 26 поступает во входное окно вентилятора 29, образуя дополнительный контур циркуляции. На всех режимах термообработки труб: нагреве, выдержке и охлаждении, с помощью контактных термоэлектрических датчиков 39 и 40 измеряют текущие значения средних по длине температур внешней и внутренней труб, сигнал от которых поступает в регулятор 42. Регулятор сравнивает сигналы от этих датчиков и задатчика 42 и, в случае превышения разности температур от заданной величины, управляет частотными преобразователями 31 или 32, которые за счет изменения числа оборотов вращения вентиляторов 28 или 29 синхронизируют процессы теплообмена и удерживают разность средних по длине температур внешних и внутренних труб в пределах ±2.5°C в расчете на один метр длины лифтовых труб.
Циркуляционные вентиляторы 18 единичных циркуляционных контуров работают с максимальным значением КПД, так как их параметры (расход, напор и температура теплоносителя) подобраны под условия оптимальных режимов термообработки только внешних составных труб, которые имеют индивидуальные соотношение диаметров, толщин и длин этих труб, геометрии проточной части рабочего объема установки, соединительных каналов, коллекторов с соплами и нагревателей. Циркуляционные вентиляторы 29 или 28 дополнительного циркуляционного контура работают также в оптимальном режиме, поскольку обеспечивают нагрев (охлаждение) только внутренних составных труб со своими индивидуальными размерами. Таким образом, внешний и внутренний теплообменные каналы не являются лимитирующими относительно друг друга (в обоих циркуляционных контурах отсутствуют механические перекрывающие органы - заслонки), что положительно влияет на термообработку лифтовых труб в широком диапазоне типоразмеров и повышение производительности и качества обрабатываемых изделий.
В процессе нагрева и выдержки в замкнутом межтрубном пространстве происходит возгонка (переход из твердого состояния в газообразное) следов органических загрязнений, которые вместе с воздухом удаляются с помощью вакуумирования. Равномерный нагрев внешних составных труб по их длине за счет использования поперечных струйных течений с одинаковыми параметрами (температурой и расходом) способствует и более быстрому и качественному удалению этих загрязнений из межтрубного пространства. С целью снижения времени, необходимого для выравнивания температуры менее массивных внутренних составных труб по их длине, периодически изменяют движение теплоносителя (охладителя) на противоположное. Для этого останавливают вентилятор 29 и включают в работу вентилятор 28, вследствие чего нагретый теплоноситель поступает в рабочий объем 3 и напорные короба 26 в обратном направлении, с большей скоростью нагревая более холодную часть трубы, выравнивая тем самым поле температур по длине труб. Вентиляторы 28 и 29 специального исполнения спроектированы так, что их проточная часть имеет незначительные гидравлические сопротивления при движении теплоносителя (охладителя) в обратном направлении в период их остановки.
В режиме выдержки дополнительный циркуляционный контур установки работает аналогичным образом. Мощность нагревателя 30 компенсирует лишь тепловые потери через наружные стенки в окружающее пространство.
В режиме охлаждения нагреватель 30 отключен, а вентиляторы 28 или 29 попеременно находятся в рабочем состоянии и обеспечивают независимое движение охладителя по дополнительному циркуляционному контуру. Отвод тепла из дополнительного контура осуществляется за счет регламентированного подмешивания окружающего воздуха через трубопроводы 34 или 33 с регулирующими органами 36 и 35. Понижая температуру труб, охладитель нагревается и удаляется через трубопровод 37 с регулирующим органом 38. Изменение необходимых расходов подмешиваемого охладителя (воздуха) в циркуляционные контуры 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.
Заявленный способ позволяет надежно и экономично осуществлять термообработку лифтовых труб типа «труба в трубе» с вакуумированием межтрубного пространства в широком диапазоне типоразмеров при повышении производительности и качества обрабатываемых изделий.