1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТРУБНОГО ПРОИЗВОДСТВА
1.2 Классификация труб и технологические особенности производства
Значимость производства труб в трудно переоценить: трубопроводный транспорт, нефте- и газодобыча, инженерные сети и коммунальные сооружения. В частности развитие нефтегазового сектора экономики невозможно без применения разного рода труб, от ответственных цельнокатаных труб для бурильного производства, до многосоткилометровых трубопроводов большого диаметра, связывающих месторождения с нефтеперерабатывающими заводами. Транспортировка жидкостей (и газов) по трубам намного дешевле и удобней всех прочих способов транспортировки.
Кроме того, в трубах жидкости и газы могут находиться под давлением, и соответственно передавать это давление на расстояние, что используется в различных гидравлических и гидромеханических устройствах и машинах, начиная от привода ковша экскаватора и заканчивая централизованными системами подачи масла в целых прокатных цехах. Роль гидравлики в современном мире весьма велика. Разумеется, и требования к различным трубам и технологии их производства очень отличаются.
Игла медицинского шприца тоже представляет собой металлическую трубу, которую тоже нужно как-то изготовить, быстро и с соблюдением нужных допусков на поверхности. Кроме того, трубы используются как заготовки для производства различных деталей используемых в машиностроении, например обоймы и кольца для подшипников, значение которых в современной технике тоже сложно переоценить. Оружейные стволы, духовые музыкальные инструменты, трубки ТВЭЛов ядерных реакторов – все это трубы, металлические трубы, и для каждого вида труб – своя технология изготовления, позволяющая добиться соответствия требований к изделию и максимального его качества при нужном темпе производства.
Успеха в создании способов производства бесшовных труб достигли немецкие изобретатели. Этот способ позволил получать отверстие в круглой заготовке без отхода, то есть металл, составлявший центральную часть трубы, перераспределялся, и, таким образом, обеспечивал увеличение длины заготовки после прошивки, то есть вытяжку. Так в трубную индустрию пришел основной принцип прокатки, сложно сразу получить литьем длинномерное изделие, гораздо проще раскатать толстую, но короткую заготовку до нужного диаметра, при этом она удлинится согласно нехитрому закону постоянства объема деформируемого тела. Кроме того, значительно улучшается структура металла, а следовательно и его свойства. История трубного производства, насчитывающая более четырех тысяч лет, показывает, что эта отрасль индустрии всегда представляла собой сочетание высокой культуры быта (водопроводы и канализация), экономической безопасности (солеварение, а позже – нефть и газ), инженерных решений и металлургических технологий [1].
На территории Российской империи, в состав которой тогда входили земли Казахстана, интенсивное развитие прокатного, в том числе и трубопрокатного, производства началось в конце XIX века в Украине и России. Начало производству бесшовных труб было положено в 1911 году на Екатеринославском металлургическом заводе. Затем трубопрокатные агрегаты появились на Нижнеднепровском, Брянском и Ижорском заводах. В 1913 году на заводах империи было изготовлено 67 тыс. тонн стальных труб, из них 55 тыс. тонн сварных и 12 тыс. тонн бесшовных [1].
В период индустриализации сооружаются трубопрокатные агрегаты на заводах центральной части СССР, а также на Урале, строятся Первоуральский новотрубный и Никопольский южнотрубный заводы, Московский трубный завод [19].
Таким образом, в Казахстане, на момент обретения независимости в 1991 году, не было собственного трубного производства, хотя, было крупное специализированное машиностроительное предприятие (АЗТМ) и крупный металлургический комбинат полного цикла, ориентированный, однако на производство листа (КарМетКомбинат, ныне АО “ArcelorMittal Temirtau”). Между тем, кроме насущной потребности в трубах для жилищно-коммунального и топливно-энергетического комплекса страны, очень сильно возросло значение нефтегазовой отрасли, а трубы для всех этих областей приходилось импортировать.
Одними из первых, трубное производство в Казахстане освоили темиртауские металлурги. Мощность двух трубосварочных (прямошовная сварка при помощи токов высокой частоты) агрегатов трубного цеха АО «ArcelorMittal Temirtau» составляет 60 тыс. т. в год, диаметром 18-80 мм при толщине стенки 2,5-3,5 мм [3].
Созданное в 2007 году АО «ArcelorMittal Aktau», производит спиралешовные трубы большого диаметра (456-1420 мм) с толщиной стенки 5,6-19 мм, преимущественно ориентированные на использование в нефтегазовой отрасли, а также для теплосетей, водоводов и строительства. Сырье в виде горячекатаных рулонов, поставляется с комбината, также принадлежащего головной компании «ArcelorMittal» в г. Темиртау [48].
В этом же году был запущен первый в Казахстане завод по производству цельнотянутых труб, построенный по проекту итальянской инжиниринговой компании «Danieli» [5]. Мощность завода «KSP Steel» в городе Павлодар составляет 270 тысяч. тонн стальных бесшовных труб в год (диаметр 60-346 мм; толщина стенки 3,4-40 мм) [21].
В 2009 году был пущен Павлодарский трубопрокатный завод (ПТПЗ «Паритет»). Завод производит прямошовные электросварных трубы диаметром 15-219 мм (толщина стенки 2,5-6,0 мм.) в объеме 100 тысяч тонн в год [22]/
Созданные производства не только обеспечивают внутреннюю потребность республики в трубах, но и достаточно успешно конкурируют с уральскими заводами в экспорте.
Помимо этого, характерные условия, предъявляемые к трубам, считаются существенным аспектом при подборе метода их изготовления. К примеру, для производства подшипников качения применяются только лишь цельнотянутые трубы.
Котельные трубы, применяемые в термических электростанциях, обязаны владеть значительной теплопроводимостью, соблюдать в течение продолжительного периода влияние значительных температур и давлений и никак не корродировать в обстановке топочных газов. По этой причине бойлерные трубы выделывают цельнотянутыми с специализированных низкоуглеродистых легированных, таким образом именуемых бойлерных, сталей. К сборным трубам, в этом количестве водогазопроводным, используемым в постройке, никак не предъявляют отмеченных больше условий, однако в данном случае значим степень стоимости. Больше в целом в постройке используют относительно недорогие сварные трубы с сталей обычного свойства, имеющих превосходную свариваемость.
Это демонстрирует, то что трубы производят с целью выполнения промышленных задач и делают их как в согласовании с особыми условиями, описанными в ГОСТах, с промышленными требованиями, созданными вместе с потребителями труб с учетом обстоятельств их эксплуатации [11].
Теперь попытаемся классифицировать трубное изготовление согласно главным видам получаемой продукта и методам ее изготовления. А в последующем, застопоримся тщательно в более известных методах.
Итак, согласно методу изготовления все без исключения трубы разделяются в 2 группы:
- шовные;
- бесшовные.
Классификацию труб по назначению представим на рисунке 1.
За последний десяток лет достижения в области научно-технического прогресса, особенно в сталеплавильном производстве, позволяют получать бесшовные трубы высокого качества, как по внутренней поверхности, так и по точности геометрических размеров, что приближает их к электросварным трубам. Широкое применение непрерывнолитой заготовки взамен катаной или литого слитка в сочетании с внепечной обработкой стали позволяет не только значительно улучшить качество труб, но и существенно снизить затраты на их производство.
Как показывает мировой опыт (Япония, Германия), применение металлургических комплексов с установкой непрерывной разливки стали непосредственно на трубных заводах существенно снижает энергозатраты на производство бесшовных труб за счет исключения целых переделов по производству трубной заготовки [13].
Рисунок 1 – Классификация труб по назначению
Рисунок 2 – Структура производства бесшовных труб
Обобщенно структуру производства бесшовных труб можно представить в виде трех переделов: получение слитка (непрерывнолитой заготовки); изготовление заготовки (полупродукта); получение трубы, структуру производства бесшовных труб можно более наглядно представить в виде предложенной авторами [12] схемы (рисунок 2).
Для реализации данной структуры возможны различные варианты сочетания оборудования. Общим для всех вариантов является наличие производства жидкого металла и его разливка в изложницы, либо в машинах непрерывного литья заготовок (MHЛЗ).
Операция горячей прошивки осуществляют на станах винтовой прокатки (рисунки 3-4), гидравлических и механических прессах различного вида, на специальных станах продольной прокатки с приложением к заготовке осевого усилия (пресс-валковая прошивка) (рисунок 3). [13]
Рисунок 3 – Принципиальная схема прошивки заготовки в двухвалковых станах винтовой прокатки
При разработке технологического процесса с применением операции прошивки, важное значение имеет выбор рационального способа прошивки и оборудования для его реализации. В связи с этим проведем анализ наиболее распространенных способов прошивки по ряду показателей: технологическим возможностям; качеству гильз и труб; износостойкости инструмента и его стоимости; производительности; энергоемкости.
Прошивка заготовок способом винтовой прокатки получила наибольшее распространение из-за высокой производительности и приемлемого качества.
а) – с бочковидными валками; б) – с чашевидными валками; в) – с грибовидными валками; г) – с дисковыми валками
Рисунок 4 – Схемы прошивки в двухвалковых станах винтовой прокатки
Основная идея реализации прошивки путем поперечно-винтовой прокатки состоит в явлении образования в центре заготовки более рыхлой зоны, в которую легко внедряется оправка, и зачастую, перед носиком оправки образуется полость, и при прошивке, трещина бежит перед оправкой, а оправка раскрывает уже имеющуюся полость до получения необходимого внутреннего диаметра [14].
На рисунке 5 показан разрезанный по осевой зоне недокат области очага деформации при прошивке гильзы на двухвалковом стане с бочковидными валками одного из промышленных предприятий г. Острава (Чехия).
Рисунок 5 – Очаг деформации при прошивке
Четко виден гладкий отпечаток от оправки и трещина разрывающая осевую часть заготовки, отпечатки от валков видны в виде заметного линейного сужения заготовки по направлению к оправке, а затем небольшого расширения после пережима.
Процесс поперечно-винтовой прокатки, сам по себе, является самым сложным случаем прокатки, а в сочетании с учетом воздействия оправки при прошивке объем теоретического описания процесса еще более возрастает. Сложность процесса, трудности теоретического и эксперименталь¬ного анализа привели к отсутствию единой точки зрения на природу напряженно-деформированного состояния заготовки при винтовой прокатке и, в частности, на природу разрушения ее осевой зоны. Поэтому теоретические основы процесса здесь приводить не станем, ограничившись описанием общих явлений характерных для процесса, дав ссылку на классические работы Емельяненко П.Т. [15], Тетерина П.К. [14], Потапова И.Н. [16] а также на весьма интересные работы Романцева Б.А. [12], Осадчего В. Я. [13].
Для производства труб нефтяного сортамента наибольшее распространение в мире получили трубопрокатные агрегаты с автоматическими, пилигримовыми, непрерывными и трех- валковыми раскатными станами [12].
Трубопрокатные агрегаты с трехвалковым раскатным станом обеспечивают получение труб с геометрическими размерами высокой точности, в 1,5...2,0 раза превышающей точность размеров труб, получаемых на других установках. Учитывая, что расходы по переделу при прокатке на всех перечисленных выше трубопрокатных агрегатах составляют 15...40 % от се¬бестоимости продукции, а 60...80 % расходов приходится на стои¬мость металла, очень важным показателем эффективности производ¬ства является расходный коэффициент, значения которого минимальны при использовании непрерывных раскатных станов [12].
Таким образом, проектирование трубного производства необходимо начинать от конечного продукта, его характеристик, требований к его качеству и объемам его производства.
Таблица 1 – Общая характеристика трубопрокатных агрегатов
Показатели Значение показателя для раскатных станов следующих типов
Автомати-ческий Непрерыв-ный Пилигри- мовый Трехвал-ковый
Сортамент:
- диаметр прокатываемых
труб, мм 57-426 30-426 22-700 40-200
- отношение D/S 4-45 10-36 6-40 4-12
Допускаемые отклонения, %:
- по диаметру ±1 ±1 ±1 ±0,5
- по толщине стенки ±12,5 ±12,5 ±12,5 ±6-7,5
Производительность, тыс. 70-340 110-600 190-340 200-230
тонн в год
Расходный коэффициент 1,08-1,14 1,075-1,09 1,193-1,227 1,185-1,257
Доля времени в такте про-катки
катки, %:
- машинного 20-25 50-60 75-80 80-85
- вспомогательного 80-75 50-40 25-20 20-15
-неустановившихся стадий 1 1 15-18 2-3
Качество заготовки. Если качество высокое, то используют двух¬валковый стан, если низкое – трехвалковый. Двухвалковый стан прошивной стан конструкции ЭЗТМ показан на рисунке 6 [15]. Принципиально похожую конструкцию также имеет прошивной стан производства «Danieli» завода «KSP Steel» (г. Павлодар).
На рисунке 7 показан экспериментальный опытно-промышленный прошивной универсальный стан поперечно-винтовой прокатки в трехвалковой конфигурации, созданный в 2013 году при поддержке Regional Materials Science and Technology Centre (RMSTC) для прокатной лаборатории MATERIAL & METALLURGICAL RESEARCH Ltd. (MMV), г. Острава, Витковице (Чехия) [16, 17].
Стан создан с упором на физическое моделирование производства бесшовных труб. Однако, стан также может использоваться и для раскатки гильз и труб, на фото – выходная сторона стана (оправка не установлена).
Рисунок 7 – Опытно-промышленный трехвалковый прошивной стан MMV (введен в эксплуатацию в 2013 г.)
Наибольших успехов в области теории и практики трехвалковой прошивки и особенно раскатки добились ученые из Московского Института Стали и Сплавов (МИСиС) [1].
В прошивных станах должна обеспечиваться возможность быстрого съема гильзы с оправки. Известны различные способы съема гильзы, однако в настоящее время наиболее распространен способ осевой выдачи гильз, применяемый в частности на новом прошивном стане Павлодарского завода «KSP Steel». Принципиальная схема подобного устройства показана на рисунке 8.
а)
б)
а) – выходная часть прошивного стана конструкции ЭЗТМ;
б) – схема прошивного стана с осевой выдачей гильз;
1 – толкатель; 2 – заготовка; 3 – упор; 4 – валки рабочей клети; 5 – стержень с оправкой; 6 – перехват стержня; 7 – гильза; 8 – центрователь; 9 – ролики выдающие;10 – упорно-регулировочный механизм
Рисунок 8 – Схема прошивного стана с осевой выдачей гильз
1.2 Трубы нефтяного сортамента и требования к ним
В современных условиях нефтегазовая промышленность является динамично развивающейся отраслью, которая включает в себя скважины по добыче ископаемых и их коммуникации, гигантские по протяженности трубопроводы и нефтегазоперерабатывающие комплексы. Их оборудование более чем на 90 % состоит из труб и фитингов, так что нефтегазовая промышленность является огромным по емкости и перспективнейшим потребителем трубной металлопродукции [1-3].
С развитием нефтегазовой отрасли, постоянно увеличивается потребность в трубах нефтяного сортамента различных групп прочности. Для их изготовления производители используют российские стандарты ГОСТ 633, ГОСТ Р 53366, также его зарубежный аналог API 5СТ. Производство может осуществляться также по ТУ (техническим условиям) в зависимости от требований заказчика. Требования по механическим свойствам насосно-компрессорных и обсадных труб, а также муфтовой заготовки по ГОСТ 632-80, 633-80 представлены в таблице 1.1.
Таблица 1.2- Требования по механическим свойствам по ГОСТ 633(632)-80 [5]
Свойство Д
Исполнение К Е Л М Р
А Б
?в, не менее, МПа 655 638 687 689 758 823 1000
?т, не менее, МПа 379 373 491 552 654 724 930
?т не более, МПа 552 - - 758 862 921 1137
?5, не менее, % 14,3 16,0 12,0 13,0 12,3 11,3 9,5
1
В стандартах API повышенное внимание уделено получению мелкзернистости аустенитного зерна, что приводит к формированию дисперсных структурных и фазовых составляющих в стали при распаде переохлажденного аустенита. Это можно достичь путем измельчения структуры стали (введением в оптимальном количестве алюминия, ниобия, ванадия, титана) и термообработкой (нормализацией или закалкой с отпуском). [3]
В подготовку обсадных труб входит проверка качества их изготовления и обеспечение сохранности при транспортировании к месту проведения работ и погрузо-разгрузочных операциях, а также при их перемещении на буровой. При хорошей организации контроля обсадные трубы неоднократно подвергаются проверке и проходят следующие виды контрольных испытаний и обследований: гидравлические испытания на заводах-изготовителях; обследование наружного вида обсадных труб, проверку резьбы [6].
Согласно литературному источнику [8], условия эксплуатации и требования, предъявляемые к сталям для производства труб различного назначения, следующее:
- в отличие от других видов металлопродукции для труб характерны развитая поверхность (наибольшее отношение площади поверхности к массе), наличие внутренней полости, значительный сортамент по геометрическим размерам, способам производства и назначению.
Условия эксплуатации труб различного назначения позволяют сформулировать основные требования, предъявляемые к материалу для их производства. Так, для труб нефтяного сортамента условия эксплуатации весьма разнообразны интервал рабочих температур от - 60 до 150-200 °С, знакопеременные нагрузки (бурильные и насосно-компрессорные трубы), коррозия под напряжением в среде сероводорода. В этой связи трубы для добычи нефти и газа должны обладать высокой прочностью и пластичностью, сопротивлением усталостному и хрупкому разрушению. Для северных районов требуется высокая хладостойкость металла труб. [8]
Уменьшение влияния усталостного и хрупкого разрушения можно добиться путем оптимального регулирования технологии термической обработки (соблюдения правильной последовательности технологических операций для исключения появления хрупкости) и строгим выполнением требований по составу стали: ограничение по содержанию вредных примесей фосфора и серы, S<0,003%, P<0,010%, что повышает пластические свойства и уменьшает загрязненность неметаллическими включениями.
В условиях сероводородного разрушения, высоких нагрузок и низких температур к трубным сталям для нефтедобывающей промышленности, к их качеству и свойствам предъявляют высокие требования. В последние годы требования для класса прочности К42- К52 (300-400 МПа) выросли до К65 (600 МПа) по пределу текучести. Повышается спрос на стали пределом текучести 750-900 МПа.
Во избежание нарушения целостности трубы, например при движении грунта и других возникающих как внутренних, так и внешних нагрузках, материал трубы должен обладать необходимой пластичностью.
Так для наиболее распространенных в производстве труб класса прочности К60 требования по относительному удлинению должны быть на уровне 20-23%. Опасность разрушения при низких температурах, например в условиях севера, непременным условием ставит содержание доли вязкой составляющей на уровне от 70 до 90% в изломе трубы при проведении испытаний на разрушение. Дополнительно, чтобы увеличить срок службы, наносят покрытия на внутреннюю и наружную части трубы.
К трубам различных классов прочности предъявляют требования по определенному химическому составу, стойкости к водородному растрескиванию, по количеству неметаллических включений и другим немало важным параметрам.
Разработка технологии производства стали основывается на реализации методов упрочнения сталей. Это осуществляется применением современных технологий прокатного передела. При этом надо учитывать, что применяемые технологии ограничены набором имеющегося на предприятии оборудования и технологическими приемами.
Принципы создания высокопрочных конструкционных сталей можно сформулировать следующим образом [39]:
– понижение содержания углерода в стали;
– понижение содержания вредных металлических и неметаллических примесей;
– применее дисперсионных упрочненителей;
– использование оптимизированных термомеханических способов обработки и микролегирования;
– использование технологии формирования наиболее подходящей структуры металла с помощью способов ускоренного охлаждения.
Для увеличения прочностных свойств применяли повышенное содержание углерода, производили трубы из средне углеродистых сталей класс прочности К52. Но требования повышения ударной вязкости наметили переход к низкоуглеростым, по содержанию углерода 10-12%. Такие стали отличаются лучшей свариваемостью.
На сегодняшний день в трубные марки сталей входят легирующие элементы: марганец и кремний, ниобий, ванадий. Ванадий и ниобий необходимы для образования карбидов, сдерживающие рост аустенитных зерен при рекристаллизации. Способствуют образованию мелкозернистой структуры стали, также повышению необходимых свойств.
1.3 Дефекты трубных заготовок и методы их устранения.
Качество литой заготовки является основным фактором, определяющим качество готовых труб. На ее качестве сказывается состояние поверхности, чистота химического состава, макро- и микроструктура, ее однородность, также механические свойства, точность геометрии размеров.
Наличие дефектов является существенным недостатком, так как они остаются впоследствии и на последующих переделах. Дефекты делятся на внешние и внутренние. По происхождению, к внешним можно отнести полученные в процессе выплавки стали, дефекты нагрева, и прокатные дефекты (в процентном соотношении их возникает до трети от общего количества при производстве бесшовных труб).
Поверхностные плены – наиболее распространенный внешний дефект в производстве бесшовных труб. Плены представляют собой участки поверхности заготовки с явно выделенной на ней коркой.
Количество их связано со скоростью разливки металла. При заполнении формы металлом, образуются брызги, которые в последствии, окисляясь, твердеют. Внешние дефекты проникают вглубь до 15-20 мм. Качественное состояние поверхности заготовки, наличие или отсутствие на ней поверхностных дефектов будут определять уровень дефектности готовых труб по наружным пленам - основным дефектам при производстве бесшовных труб. Качество труб определяется отсутствием поверхностных дефектов (в основном в виде плен, видных невооруженным глазом), геометрией и точностью размеров, механическими свойствами металла [11].
Дальнейшая прокатка лишь позволяет дефектам увеличиваться в размерах и менять форму. Дефекты увеличиваются по площади трубы в процессе дальнейшего передела, поэтому их удаляют с заготовки сразу до того, как из нее получится труба, ведь с готовым изделием это сделать сложнее, при этом стенка утончается. И готовое изделие превратиться в брак.
Девяносто процентов - горячие трещины, которые образуются вдоль и поперек в процессе кристаллизации. На устойчивость к трещинам влияет ряд факторов: - температуры нагрева стали; ее состав, скорость разливки, геометрия слитков, наличие и характер раскисления при выплавке. Предельное содержание таких примесей как фосфор, сера, кислород в сумме, как показали исследования, не должно превышать одной сотой доли процента [13].
Наука не стоит на месте, современные методы позволяют решить эту проблему и значительно улучшить качество стали для производства труб. Основные направления касаются улучшения технологии выплавки стали и ее внепечной обработки, разливки стали МНЛЗ, внедрение более совершенных методов прокатки заготовок и способов их отделки.
Причины перевода труб в некондиционную продукцию условно можно разделить на технологические и организационно-технические. К технологическим причинам можно отнести несоответствие труб по следующим показателям: отклонение от допустимых пределов по толщине стенки, диаметру, длине, кривизне, механическим свойствам, наличие поверхностных дефектов и другие. Такие показатели перевода труб в некондиционные, как неудовлетворительные обрезка концов, маркировка, окраска, необрезанные торцы, которые обусловлены низкой исполнительской дисциплиной или другими организационными и человеческим факторами, следует отнести к организационно-техническим причинам [18].
В количественном отношении преобладают технологические причины перевода большей части труб в некондиционные. Так, доля некондиционной продукции по технологическим причинам в объеме труб, отправленных на ремонт, доходит до 70%. В категории несоответствующей продукции доля труб, переведенных в брак по технологическим причинам, еще выше. Поэтому для снижения производства некондиционной продукции необходимо устранять причины технологического характера [10]
