СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОЛСТОСТЕННЫХ ТРУБ С МАЛЫМ ВНУТРЕННИМ ДИАМЕТРОМ И УТОЛЩЕНИЕМ НА ОДНОМ ИЗ КОНЦЕВЫХ УЧАСТКОВ Российский патент 1997 года по МПК B21C37/00 B21C37/06 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении труб с утолщенным концевым участком и относительно малым внутренним диаметром d/S≈0,83-1,25,
где d внутренний диаметр трубы, S толщина стенки на основном - неутолщенном ее участке. Такие трубки применяют, в частности, в производстве определенного вида буровых штанг, внутренний диаметр которых (называемый диаметром очистного отверстия штанги) находится в пределах 9,5-12,5 мм.

В практике трубного производства толстостенными принято называть трубы, для которых отношение D/S≅11,0-12,0 (где D наружный диаметр трубы).

По этому все упоминающиеся в данном описании трубы являются толстостенными, т.к. для них отношение D/S≈2,8-3,3.

Известен способ изготовления толстостенных труб с малым внутренним диаметром путем получения полой трубчатой исходной заготовки и формирования из нее трубы-изделия посредством горячей продольной прокатки с деформируемым стержнем [1] Согласно этому способу в отверстие полой заготовки вставляют смазанный стальной стержень, диаметр которого больше внутреннего диаметра d трубы-изделия. Заготовку вместе со вставленным в нее стержнем прокатывают в многоклетевом стане в горячем состоянии до необходимых размеров. Полученную таким способом прокатанную трубу со стержнем охлаждают на воздухе, а затем стержень (диаметр которого в процессе прокатки уменьшился до заданного размера внутреннего диаметра трубы) извлекают из трубы, предварительно подвергнув его растяжению. Утолщение концевого участка трубы получают при необходимости в штампе на горизонтально-ковочной машине (ГКМ) посредством горячей высадки.

К недостаткам данного способа изготовления труб относится, прежде всего, необходимость изготовления дорогостоящих стальных стержней разового использования. Наиболее сложной и трудоемкой операцией оказывается извлечение стержней из прокатанных труб. Высок расход металла. Кроме того, полученные трубы имеют многочисленные дефекты: трещины, плены на наружной и внутренней поверхностях; разностенность, несоосность и эллиптичность внутреннего отверстия трубы и др.

Известен также другой способ изготовления толстостенных труб с малым внутренним диаметром и утолщением на одном из концевых участков. Этот способ, принятый в качестве прототипа, включает получение исходной трубчатой заготовки, формирование из нее полуфабриката (трубы), получение из полуфабриката трубы-изделия, а также термообработку, и применяется преимущественно в производстве определенного вида буровых штанг [2] Согласно указанному способу нагретую сплошную заготовку заданной длины, обжатую в трехвалковом стане винтовой прокатки, прошивают на двухвалковом прошивном стане поперечно-винтовой прокатки, а затем редуцируют на редукционном стане поперечно-винтовой прокатки по наружному и внутреннему диаметрам. Формирование наружного профиля трубы производят путем безоправочной ее прокатки в непрерывном шестиклетевом блоке продольной прокатки. Концевое утолщение трубы, как и в предыдущем случае, получают в штампе на ГКМ посредством горячей высадки.

Однако необходимо отметить, что при поперечно-винтовой прокатке труб имеет место закручивание металла и выход волокна, ориентированного под углом к образующей трубы, на ее поверхность с образованием складок и трещин, особенно заметных на внутренней поверхности трубы. Кроме того, появление в схеме напряженного состояния деформируемого металла растягивающих напряжений существенно снижает его пластичность. Самой низкой пластичностью, как известно, характеризуется объемная схема всестороннего растяжения. Но именно в процессах поперечно-винтовой прокатки, протекающих в условиях неравномерной деформации из-за присутствия в центральной части заготовки так называемых дополнительных растягивающих напряжений, схема напряженного состояния металла при определенных условиях близка к объемной схеме растяжения, т.е. характеризуется наиболее низкой пластичностью металла, что чревато склонностью трубы, изготовленной указанным способом, к трещинообразованию. Как показывает практика, на внутренней поверхности труб, изготовленных поперечно-винтовой прокаткой, довольно часто обнаруживаются трещины глубиной до 0,3-0,6 мм и другие дефекты. Таким образом, и другой известный способ изготовления труб, используемых в производстве буровых штанг (принятый в качестве прототипа) зачастую не позволяет получить трубу-изделие достаточно высокого качества, определяющего, в конечном счете, эксплуатационную стойкость буровых штанг. Кроме того, точность геометрических параметров таких труб (форма отверстия, разностенность и др.) зачастую оказывается ниже заданной.

Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в том, что изменяя схему напряженного состояния металла в процессе его пластической деформации, а именно: создавая объемное напряженное состояние всестороннего неравномерного сжатия, т.е. увеличивая пластичность деформируемого металла и производя последующую холодную прокатку, создают такие условия, которые позволяют получить трубу-изделие более высокого качества, без трещин, с высокой чистотой наружной поверхности и более точными геометрическими параметрами.

Это обеспечивается тем, что в предложенном способе изготовления труб, предназначенных, например, для производства буровых штанг определенного вида, включающем получение исходной трубчатой заготовки, формирование из нее полуфабриката, получение из него трубы-изделия, а также термообработку, после получения исходной трубчатой заготовки из нее прямым горячим прессованием на подвижной игле формуют полуфабрикат в виде трубы с наружным диаметром D₁, равным наружному диаметру концевого утолщения трубы-изделия, и внутренним центральным каналом переменного сечения, состоящим из двух цилиндрических полостей различных диаметров d и d₁, плавно сопряженных между собой переходной полостью, при этом меньший диаметр d одной из цилиндрических полостей равен внутреннему диаметру изготавливаемой трубы-изделия при отношениях диаметров d₁/d≈1,7-2,0, длин L₃/L₁≈1,06-1,10 и значениях L₄≈L₂, где
L₁ и L₂ длины утолщенной и переходной ее зон; L₃ и L₄ длины цилиндрического диаметра d, и переходной полостей канала горячепрессованной трубы-полуфабриката.

Затем производят формообразование трубы-изделия, осуществляемое путем холодной безоправочной продольной прокатки отпресованного полуфабриката за несколько переходов. Экономически целесообразно, чтобы число переходов прокатки было, по возможности, не более трех. При этом на каждом переходе процесс прокатки ведут, оставляя непрокатанным краевой участок полуфабриката, образующий зону концевого утолщения трубы-изделия.

Существенной особенностью предлагаемого способа изготовления труб является использование при горячем прессовании полуфабриката подвижной ступенчатой иглы с тонкой хвостовой частью диаметра d, плавно переходящей в утолщенную ее часть диаметра d₁. При этом высоту L₀ тонкой хвостовой части иглы можно представить как сумму высот отдельных ее участков - начального (направляющего) высотой H₀ и рабочего высотой H, на котором формируется определенный участок трубы-полуфабриката с полостью диаметра d:
L₀ H₀ + H (1)
Экспериментально установив, что H_o≈(8-9)d и обозначив высоту переходной зоны иглы (соединяющей ее участки диаметров d и d₁) буквой H₁, высоты H и H₁ можно найти из равенства соответствующих частей объемов исходной трубчатой заготовки и сформированных зон трубы-полуфабриката:

где m коэффициент при прессовании;

где
D_кон диаметр контейнера при прессовании полуфабриката; все остальные обозначения в выражении (3) ясны из предыдущего текста.

На фиг. 1 изображена толстотенная труба-изделие с малым внутренним диаметром и утолщением на одном из концевых участков; на фиг.2 -горячепрессованная труба-полуфабрикат с каналом переменного сечения; на фиг.3 ступенчатая подвижная игла с тонкой хвостовой частью диаметра d и утолщенной частью диаметра d₁.

Отношения основных размеров труб-изделий, приведенные на фиг.1, определяются соответствующими заданными конструктивными размерами буровых штанг определенного вида, в производстве которых могут быть использованы подобные трубы.

Отношения же между отдельными размерами опресованного полуфабриката или иглы (d₁/d), а также между размерами полуфабриката и изделия (L₃/L₁ и др.), приведенные в описании изобретения, как и зависимые параметры ступенчатой иглы, определяются исключительно предложенным способом изготовления труб.

Указанные выше соотношения выявлены и установлены в результате проведенных авторами исследований и являются оптимальными с точки зрения достигаемого технического результата.

Способ изготовления труб осуществляют следующим образом. Посредством прошивки или механической обработки, например, сверления цельной сплошной заготовки получают исходную трубчатую заготовку, которую подвергают прямому горячему прессованию на подвижной игле. В результате получают полуфабрикат в виде горячепрессованной трубы с наружным диаметром D₁, равным наружному диаметру утолщенного участка трубы-изделия, и внутренним центральным каналом переменного сечения, состоящим из двух цилиндрических полостей различных диаметров d и d₁ (при d₁>d), плавно сопряженных между собой переходной полостью. Меньший диаметр d равен внутреннему диаметру получаемой трубы-изделия при отношении d₁/d≈1,7-2,0, отношении длин L₃/L₁≈1,06-1,10 и значениях L₄≈L₂ (фиг.1 и 2). Прессование полуфабриката ведут на подвижной игле.

Затем полученный полуфабрикат горячепрессованную трубу подвергают холодной безоправочной продольной прокатке за несколько переходов, формируя трубу-изделие с утолщением на одном из концевых участков и малым внутренним диаметром. Прокатку на каждом переходе ведут, оставляя непрокатанным участок полуфабриката, образующий зону концевого утолщения трубы-изделия.

Согласно предложенному способу изготовления труб подвижная игла, используемая при горячем прессовании полуфабриката, должна быть ступенчатой, состоящей из двух частей тонкой хвостовой части диаметра d и утолщенной части диаметра d₁. Указанные части иглы сопрягаются переходной зоной высотой H₁. Как было показано выше, высоту L_o тонкой хвостовой части иглы (фиг.3) можно представить как сумму высот двух ее участков:

где m коэффициент вытяжки при прессовании.

Высота H₁ переходной зоны иглы определяется выражением (3).

Как было отмечено, трубы, изготовленные вышеизложенным способом, могут быть использованы, например, в производстве буровых штанг определенного вида.

Пример.

Трубу-изделие из стали 55С2 для производства буровых штанг изготавливали из полой заготовки наружным диаметром 147 мм, внутренним 22 мм. После нагрева до 1150^oC заготовку помещали в контейнер внутренним диаметром 150 мм и прессовали на гидравлическом процессе усилием 2000 тс с использованием ступенчатой иглы. В результате горячего прессования получали гладкую трубу-полуфабрикат с наружным диаметром 41,5 мм и каналом переменного сечения. Затем полученный полуфабрикат прокатывали в холодном состоянии на стане ХПТ-55 за три перехода с промежуточным смягчающим отжигом после каждого перехода прокатки. Наружный диаметр прокатанной зоны после трех переходов прокатки составил 32,5 мм, внутренний уменьшился при прокатке с 19 до 10 мм. Утолщенный (непрокатанный) участок полуфабриката диаметром 41,5 мм образовал утолщенную зону концевой части трубы-изделия. В результате диаметр отверстия трубы-изделия на всей ее длине находился в пределах поля допусков на размер что и предусмотрено действующими нормативами. Трещин, пленов и расслоений на наружной и внутренней поверхностях трубы-изделия не обнаружено.

Сущность: способ изготовления толстостенных труб с малым внутренним диаметром и утолщением на одном из концевых участков включает получение исходной трубчатой заготовки, горячее прямое прессование из нее гладкой трубы-полуфабриката с центральным каналом переменного сечения, состоящим из двух неравных цилиндрических и промежуточной переходной полостей с заданными соотношениями их размеров, и получение из отпрессованного полуфабриката трубы-изделия посредством холодной продольной безоправочной прокатки по заданным режимам. Горячее прессование полуфабриката ведут на подвижной игле ступенчатой формы, имеющей заданные размеры ее участков. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления толстостенных труб с малым внутренним диаметром и утолщением на одном из концевых участков, например труб, используемых в производстве буровых штанг, включающий получение исходной трубчатой заготовки, формирование из нее полуфабриката, получение из него трубы-изделия, а также термообработку, отличающийся тем, что после получения исходной трубчатой заготовки из нее прямым горячим прессованием на подвижной игле формуют полуфабрикат в виде трубы с наружным диаметром D₁, равным наружному диаметру концевого утолщения трубы-изделия, и внутренним центральным каналом переменного сечения, состоящим из двух цилиндрических полостей различных диаметров d и d₁, плавно сопряженных между собой переходной полостью, при этом меньший диаметр d одной из цилиндрических полостей равен внутреннему диаметру трубы-изделия при отношениях диаметров длин и значениях L₄ ≈ L₂, где L₁ и L₂ длины утолщенной и переходной зон трубы-изделия; L₃ и L₄ длины цилиндрической, диаметра d, и переходной полостей канала горячепрессованного полуфабриката, затем формообразование трубы-изделия из полуфабриката осуществляют путем холодной безоправочной продольной прокатки упомянутого полуфабриката за несколько переходов, при этом холодную прокатку на каждом переходе ведут, оставляя непрокатанным участок полуфабриката, образующий зону концевого утолщения трубы-изделия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что горячее прессование полуфабриката осуществляют на подвижной игле ступенчатой формы с тонкой хвостовой частью диаметра d, плавно переходящей в утолщенную ее часть диаметра d₁, при этом высота тонкой хвостовой части иглы а высота Н₁ переходной зоны иглы определяется из выражения

где L₃ длина полости диаметра d;
L₄ длина переходной полости канала горячепрессованного полуфабриката;
D₁ диаметр утолщенной части трубы-изделия;
D_к о н диаметр контейнера для прессования;
μ коэффициент вытяжки при прессовании полуфабриката.