СИСТЕМА ПРОИЗВОДСТВА ТРУБ ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА

Полезная модель относится к области металлургии, более конкретно, к системе производства труб большого диаметра для магистрального газопровода и может найти применение в энергетике, нефтегазовом и химическом машиностроении, а также в других отраслях промышленности при производстве трубопроводов и сосудов высокого давления диаметром до двух и более метров.
Известна система производства толстостенных металлических труб и цилиндрических изделий, содержащая линию для изготовления кольцевых заготовок заливкой расплава во вращающиеся металлические формы с принудительным водяным охлаждением (см. Хахалин Б.Д. и др. Труболитейное производство, Москва, изд. «Металлургия», 1977 г., с.224).
К недостаткам известной системы производства труб методом центробежного литья следует отнести неоднородность структуры получаемых отливок, высокое содержание газов, а также неметаллических включений в расплаве, снижающих качество и надежность труб, что ограничивает области их применения. Кроме того, имеются принципиальные ограничения по температуре, составу используемого расплава и допустимым габаритам труб, производимых в известной системе. Создание известной системы производства толстостенных труб высокого давления предполагает необходимость сооружения крупных цехов, применение капиталоемкого оборудования, и формирование развитой производственной инфраструктуры.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является система производства толстостенных металлических изделий, содержащая линию для изготовления заготовок и участок для их сварки в вакуумной камере электронно-лучевой установки (см. Кузьмин Б.А., Абраменко Ю.Е. и др. «Технология металлов и конструкционные материалы: Учебник для машиностроительных техникумов» под общ. ред. Кузьмина Б.А. - 2 изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989, с.411 - прототип).
Электронно-лучевую технологию применяют при сварке деталей, в том числе, больших (до 200 мм) толщин из высоколегированных сталей и других материалов и сплавов.
При этом усадка металла в зоне расплава меньше, а качество значительно выше, чем, например, при литье или электродуговой сварке, поскольку вакуумная среда и высокая температура способствуют удалению растворенных в металле газов и примесей. По этой причине известную систему, в принципе, возможно использовать при сварке изделий из сплавов, включающих активные и тугоплавкие легирующие элементы (вольфрам, тантал, ниобий, молибден и др.).
К недостаткам известной системы следует отнести сложность производства толстостенных труб большого диаметра для газопроводов и оболочек сосудов высокого давления, так как для этого необходимо сваривать, в частности, кольцевые заготовки в виде обечаек из сплавов специальных марок. Получение заготовок заданного состава представляет собой сложную самостоятельную задачу, связанную, в частности, с созданием линии для получения поковок из высококачественной легированной стали.
Решаемой задачей полезной модели является создание эффективной и сравнительно простой системы производства труб большого диаметра, преимущественно, для магистральных газопроводов. Дополнительной указанной является задача радикального повышения физико-механических и эксплуатационных свойств материала труб большого диаметра, позволяющее снизить удельную металлоемкость газопроводов, то есть расход металла на транспорт кубометра газа.
Указанная задача решается тем, что в системе производства труб для магистрального газопровода, содержащей линию для изготовления кольцевых заготовок и участок для их сварки в мерные отрезки труб в вакуумной камере электронно-лучевой установки, согласно полезной модели, линия для изготовления кольцевых заготовок содержит последовательно расположенные первый участок, включающий оборудование для формовки кольцевых заготовок и/или их секций из смеси гранул металла основного состава и легирующих добавок, второй и третий участки, включающие оборудование для индукционного нагрева и горячего прессования указанных заготовок, четвертый участок, включающий оборудование для их сборки на наружной поверхности несущего барабана, выполненного с возможностью транспортировки на пятый участок для зонной переплавки и сварки указанных секций в вакуумной камере электронно-лучевой установки, причем несущий барабан выполнен в виде герметичной емкости из жаропрочной стали, снабженной средствами для охлаждения ее стенок и механизмом вращения вокруг горизонтальной оси, а электронные пушки электронно-лучевой установки размещены, по крайней мере, в один ряд в верхней части вакуумной камеры.
Кроме того, оборудование первого участка может содержать формы для указанных заготовок, выполненные из жаростойкого материала, и дозаторы для их заполнения смесью гранул фракции 0,5-4 мм основного металла и легирующих добавок, оборудование второго участка может включать кольцевые индукторы для нагрева заготовок в формах до температуры спекания указанной смеси, оборудование третьего участка может включать, по крайней мере, один пресс горячего прессования и средства для последующего охлаждения заготовок, причем герметичная емкость несущего барабана может быть заполнена теплоаккумулирующим составом с температурой плавления 750-850°С, а вакуумная камера электроннолучевой установки может быть снабжена шлюзовым устройством для загрузки несущего барабана с заготовкам и выгрузки мерных отрезков труб.
Такое выполнение системы производства труб для магистральных газопроводов позволяет в значительной степени увеличить ее эффективность из-за снижения затрат на создание и эксплуатацию производства при одновременном повышении физико-механических и эксплуатационных свойств материала указанных труб. Указанный эффект достигается, в том числе, за счет применения заготовок, полученных методом прессования смеси фрагментированных материалов заданного состава с заранее заданным и контролируемым составом ингредиентов, подбираемых с учетом известных опытных данных по результатам испытаний образцов труб. Использование указанных заготовок позволяет получать, при последующем электронно-лучевом переплаве в вакуумной среде, высокопрочный материал стенок трубопроводов на основе самых перспективных марок легированных сталей.
Технология переплава и сварки кольцевых заготовок в предложенной системе посредством высокоэнергичного электронного пучка в вакуумной камере на поверхности герметичной емкости, заполненной теплоаккумулирующим сплавом с указанной температурой плавления и выполненной с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, позволяет с наименьшими затратами изготавливать готовые для отправки потребителю мерные части трубопроводов длиной до 18 метров при диаметре до 2 метров с толщиной стенок в десятки см.
Герметичная емкость несущего барабана при этом является своеобразным кристаллизатором, заполненным теплоаккумулирующим составом с температурой плавления 750-850°С. Теплота плавления теплоаккумулирующего состава в замкнутом кристаллизаторе должна составлять не менее 100-200 ккал/кг в диапазоне температур от температуры окружающей среды до 850 С.
При этих параметрах теплоаккумулирующего сплава обеспечиваются необходимые условия направленной кристаллизации расплава материала кольцевых заготовок в направлении от их поверхности к кристаллизатору, что дополнительно определяет высокое качество материала труб. Наличие шлюзового устройства для загрузки несущего барабана с заготовками и выгрузки мерных отрезков труб, в свою очередь, снижает эксплуатационные затраты на поддержание необходимого вакуума в рабочей камере электронно-лучевой установки. Цилиндрический кристаллизатор, в соответствии с предложением, должен быть выполнен с возможностью вращения вместе с кольцевыми заготовками вокруг горизонтальной оси со скоростью в пределах 0,5-5 об/час для обеспечения заданного темпа кристаллизации металла заготовок труб в зоне плавления под действием сфокусированных электронных пучков.
На фиг.1 представлена блок-схема системы производства труб для магистрального газопровода.
Линия для изготовления кольцевых заготовок предложенной системы, содержит последовательно расположенные первый участок 1, включающий оборудование в виде форм 2 из жаростойкого материала и дозаторов 3 для формовки кольцевых заготовок 4 и/или их секций из смеси гранул металла основного состава и легирующих добавок. Второй и третий участки 5, 6 линии включают оборудование в виде кольцевых индукторов 7 для индукционного нагрева заготовок 4, пресс 8 горячего прессования и камеру охлаждения 9. Четвертый участок 10 включает оборудование в виде приспособлений 11 для сборки кольцевых заготовок 4 на наружной поверхности несущего барабана 12, снабженного транспортирующим устройством 13 на пятый участок 14 для зонной переплавки и сварки указанных секций заготовок 4 в вакуумной камере 15 электронно-лучевой установки 16. Электронные пушки 17 электронно-лучевой установки 16 размещены в один ряд в верхней части вакуумной камеры 15.
Несущий барабан 12 выполнен в виде герметичной емкости из жаропрочной стали, заполненной теплоаккумулирующим составом 18, например, свинцово-медным сплавом (10% меди), гидридом лития или хлоридом натрия. Барабан 12 снабжен механизмом 19 вращения вокруг горизонтальной оси, а вакуумная камера 15 электронно-лучевой установки 16 снабжена шлюзовым устройством 20 для загрузки несущего барабана 12 с заготовками 4 и выгрузки мерных отрезков труб. Поз. 21 обозначен блок питания электронных пушек 17, а поз.22 - транспортирующее устройство для загрузки несущего барабана 12 с заготовками 4 в вакуумную камеру 15 и выгрузки готовых мерных отрезков труб из шлюзовой камеры 20.
Несущий барабан 12, выполненный в виде герметичной цилиндрической емкости и заполненный одним из указанных теплоаккумулирующих составов 18 или сплавом алюминия, меди и кремния, выполняет функции кристаллизатора для переплавляемого материала заготовок 4 труб и, одновременно, функции аккумулятора тепла фазового перехода (АТФП). Он обеспечивает необходимое распределение полей температур в зоне расплава заготовок 4 в каждом ее сечении. Несущий барабан 12 выполнен с возможностью непрерывного или пошагового вращения в вакуумной камере 15 от механизма 19. При этом электронно-лучевая установка 16 кроме указанных транспортирующего устройства 22, шлюзового устройства 20 и блока 21 питания электронных пушек 17 снабжена средствами для уплотнения, вакуумирования и биологической защиты камеры 15 (не показаны).
Система производства труб для магистрального газопровода функционирует следующим образом.
3
Необходимые компоненты смеси для создания кольцевых заготовок 4 или их секций в виде сегментов поступают на первый участок 1 линии для их укладки в формы 2 с помощью дозаторов 3. Мерные компакты массой от 30 до 300 кг должны содержать гранулы стали с расчетным количеством молотых корректирующих добавок в виде чугуна, ферросплавов и других компонентов средней фракцией в диапазоне 1,5-3,5 мм при собственной плотности 4,8-8,0 г/см.
Подготовленные формы 2 с заготовками 4 направляют сначала на второй участок 5 к индуктору 7 для спекания гранул в монолитную заготовку при индукционном нагреве до температуры 1000-1280°С, а затем - к прессу 8 горячего прессования для получения черновой заготовки путем обжатия в пресс-формах для получения цилиндрических сегментов или колец толщиной до 120 мм, которые затем охлаждают в камере 9 и направляют на четвертый участок 10 для накопления.
Несколько заготовок 4 в виде компактов с помощью приспособлений 11 соединяют точечной монтажной сваркой в черновую заготовку заданных размеров с последующим креплением ее на внешней поверхности барабана 12 в виде отрезка будущей трубы. Барабан 12 с заготовками 4 транспортируют на пятый участок 14 и вкатывают в вакуумную камеру 15 для зонной переплавки и сварки указанных секций заготовок 4 в электронно-лучевой установке 16 с помощью электронных пушек 17, размещенных в один ряд в верхней части вакуумной камеры 15.
В вакуумную камеру 1 через шлюзовое устройство 20 вкатывают несущий барабан 12 с размещенной на нем черновой трубной заготовкой. Камеру 15 герметизируют и вакуумируют, затем включают механизм вращения 19 для плавного или пошагового вращения барабана 12 с заготовкой. После этого включают блок питания 21 электронных пушек 17, пучки электронов которых формируют зону расплава на черновой трубной заготовке. Расчетные режимы пошагового вращения барабана 12 вокруг горизонтальной оси находятся в диапазоне скоростей 1,5 -4,2 об/час.
При давлении в вакуумной камере 0,001-0,0001 мм. рт.ст. подводимая к пушкам 17 мощность сфокусированных потоков электронов должна обеспечивать необходимые режимы зонной плавки и кристаллизации бездефектного материала трубной заготовки. При этом температура жидкой ванны на поверхности заготовок поддерживается в диапазоне 1,05-1,3 от температуры плавления материала черновой трубной заготовки при постоянном подводе мощности в зону переплава. Это обеспечивает постоянный градиент температур между вращающимися заготовкой и кристаллизатором.
2
Используется электронно-лучевая установка, включающая до 10-40 однотипных электронных пушек 17, каждая мощностью в несколько сотен кВА, сфокусированных на образующей черновой трубной заготовки в виде линейной зоны нагрева сечением 40-100 см и более. Режим зонной плавки предусматривает этапы дегазации материала заготовки и, так называемой, термо-временной обработки расплава при температуре перегрева для стальных легированных труб 1600-1700°С, а для тугоплавких, например, титановых сплавов до 2000°С.
После завершения операций зонной переплавки и одновременной сварки элементов черновой трубной заготовки по всей ее длине и окружности отключают систему питания электронных пушек 17, обеспечивая охлаждение изготовленной части трубы с регулируемой скоростью через стенки барабана 12 в материал 18 кристаллизатора. После извлечения барабана 12 с из вакуумной камеры и охлаждении состава 18 в барабане 12 до температуры 500-600°С, для уменьшения усилия снятия с поверхности кристаллизатора готовой части трубы, осуществляют ее нагрев индукторами (не показаны) до температуры около 1000°С.
Соединение полученных частей труб в плети длиной до 18 м может быть выполнено различными способами, в том числе, методом электрошлаковой сварки. В отношении различных этапов функционирования предложенной системы необходимо отметить следующие моменты.
Предварительное получение порошковых или гранулированных материалов из углеродистой стали возможно путем переплава местного лома на действующих предприятиях и последующего гранулирования расплава воздухом, водой или паром. При этом можно снизить требования к составу гранул по содержанию серы и других вредных примесей, поскольку в процессе электронно-лучевого переплава в вакууме имеет место глубокое рафинирование металла. При электронно-лучевом переплаве осуществляются дегазация металла, термолиз неметаллических включений и сублимация компонентов с высокой упругостью пара, таких как цинк, свинец, частично, медь, фосфор и др. Спекание смеси порошков заданного состава в кольцевые заготовки для материалов указанных фракций оптимизировано последующей переплавкой материала заготовок электронным пучком.
Поддержание температуры жидкой ванны на поверхности заготовок осуществляют в диапазоне 1,05-1,3 от температуры плавления компонентов смеси порошков для получения гарантированного однородного фазового состава легированного материала по толщине и длине труб. Превышение этой температуры более 1,3 при постоянном градиенте температур между заготовкой и кристаллизатором, может привести к нежелательному изменению состава стенок получаемых труб.
Необходимо отметить, что принятые параметры термической обработки при зонном переплаве компактов обеспечивают оптимизацию структуры ближнего порядка расплава (см. Вертман А.А., Самарин A.M. «Свойства расплавов железа», М., изд. АН СССР), что предопределяет получение материалов с заранее заданными свойствами. Принципиально важным фактором повышения качества получаемых труб является также поддержание заданной скорости затвердевания жидкой ванны расплава за счет самопроизвольного отвода тепла в кристаллизатор, содержащий сплав с высокой энергией плавления и указанным уровнем рабочих температур, обеспечивающих постоянный градиент температур при кристаллизации расплава.
Важным преимуществом предложенной системы является возможность получения многокомпонентных легированных сталей, включающих хром, ниобий, титан и другие легирующие элементы без их потерь на окисление. В результате материал получаемых труб имеет повышенные физико-механические и эксплуатационные свойства, в том числе, более высокие коррозионностойкость и хладостойкость по сравнению с аналогичными характеристиками материала труб, изготавливаемых с использованием традиционных технологий.
Таким образом, предложенная система позволяет освоить производство принципиально нового класса крупногабаритных изделий из тугоплавких сплавов на основе титана, циркония и некоторых других для агрегатов специальной техники. Основные технико-экономические преимущества предложенной системы определяются совокупностью следующих факторов.
Использование в шихте стальных гранул из рядовой стали с добавлением легирующих элементов и последующего электронно-лучевого переплава создает значительный резерв себестоимости получаемых труб высокого давления, так как, например, цена прямошовных труб аналогичного класса прочности из стали, например, 09ГФБ в 4-5 раз выше, чем цена труб, получаемых в предложенной системе производства.
Применение оборудования серийного производства, пригодного для размещения в существующих цехах машиностроительного и металлургического комплексов в 8-10 раз снижает сумму эксплуатационных и амортизационных расходов, а также уменьшает до 2-3 лет длительность периода окупаемости.
Получаемые в предложенной системе легированные трубы высокого давления не требуют использования органических покрытий, а их коррозионный ресурс в 2-3 раза выше по сравнению с обычно применяемой для этих целей сталью 09ГФБ. Изготовление труб для газопроводов диаметром до 2000 мм позволяет повысить рабочее давление в газопроводе до 150 атм и, следовательно, увеличить его пропускную способность, по меньшей мере, в 4 раза при одновременном снижении на 15-20 процентов металлоемкости трассы.
Проведенные в ОИВТ РАН экспериментальные и теоретические исследования подтвердили высокую эффективность и отмеченные характеристики предложенной сравнительно простой системы производства труб большого диаметра, преимущественно, для магистральных газопроводов. При этом были выявлены оптимальные характеристики оборудования для производства трубопроводов такого класса, режимы его эксплуатации и условия радикального повышения физико-механических и эксплуатационных свойств материала труб большого диаметра, позволяющие снизить удельную металлоемкость газопроводов, то есть расход металла на транспорт кубометра газа.