СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ДЛИННОМЕРНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ УГЛЕВОДОРОДОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК B21C37/08 

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к способу производства длинномерных многослойных металлических труб большого диаметра для транспортировки углеводородов.

В трубном производстве известен способ изготовления сварных труб большого диаметра, включающий формовку трубной заготовки, сварку труб, экспандирование и объемную термическую обработку - закалку с высоким отпуском (Авт. свид. СССР №450839, 1974 г. ).

Недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает одинаковых свойств основного металла и сварного соединения, что снижает эксплуатационную надежность труб из-за недостаточного сопротивления хрупкому разрушению (низкие значения ударной вязкости) сварного шва и овализации концов при объемной термической обработке труб, а также не решает проблему предотвращения лавинных разрушений при увеличении мощности трубопроводов для транспортировки углеводородов, что в свою очередь ведет к увеличению толщины стенки труб, к увеличению массы одного погонного метра труб, а следовательно, к значительному росту их стоимости.

В трубной промышленности известен способ производства сварных труб большого диаметра, включающий формовку, сварку трубных заготовок, нагрев сварного шва до температуры АС₃+(120-200)°С, раскатку сварного шва, нагрев раскатанного сварного шва и зоны термического влияния до температуры АС₃+(80-100)°C с последующей закалкой в водяном спрейере со скоростью охлаждения (70-100)°С в секунду и отпуск при температуре АС₁+(30-80)°С (Патент РФ №2221057, кл. C21D 9/08, C21D 9/50, C21D 8/10, бюл. №1, 10.01.2004 г. ).

Данный способ повышает стабильность механических свойств (ударной вязкости) сварного соединения и зоны термического влияния, выравнивает их значения до уровня основного металла, но не решает проблемы лавинных разрушений металла труб большого диаметра при увеличении мощности трубопроводов (газопроводов) для транспортировки углеводородов. Лавинные разрушения выводят из строя трубопроводные системы, представляют серьезную опасность для обслуживающего персонала и окружающей среды.

Известен способ производства электросварных труб большого диаметра с ориентированной односторонней разностенностью для транспортировки абразивных сыпучих материалов и пульп, включающий формовку заготовки, сварку стыкуемых кромок, экспандирование полученной трубы и обработку ее торцов, при этом в качестве заготовки используют листовой штрипс, на который предварительно накладывают и приваривают дополнительный лист, располагая его симметрично относительно продольной оси листового штрипса, имеющий длину, равную длине листового штрипса, и ширину, меньшую ширины последнего, а суммарную толщину листового штрипса и дополнительного листа выбирают из условий превышения номинальной толщины штрипса по меньшей мере в 1,5 раза (Патент РФ №2057603, кл. В21С 37/08, бюл. №10 от 10.04.1996 г. ).

Недостатком данного способа является то, что он направлен на производство и использование труб для транспортировки абразивных сыпучих материалов и пульп и не решает технические, технологические и экологические вопросы транспортировки углеводородов под давлением на большие расстояния.

Наиболее близким техническим решением является способ производства трехслойных биметаллических центробежно-литых заготовок и биметаллических износостойких труб для транспортировки абразивных материалов и пульп на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами с учетом угара пластичных слоев центробежно-литых биметаллических заготовок в процессе нагрева их под прокатку в нагревательных печах до температуры пластичности, при этом прокатку биметаллических труб производят на пилигримовых станах с обжатием по диаметру от 100 до 180 мм, а отношение толщин пластичных слоев центробежно-литых заготовок и труб принимают равным: S_н/S_в=1,5-2,5, где S_н - толщина наружного пластичного слоя центробежно-литых биметаллических заготовок и труб, мм; S_в - толщина внутреннего пластичного слоя центробежно-литых биметаллических заготовок и труб, мм (Патент РФ №2268796, кл. B21B 21/00, бюл. №3 от 27.01.2006 г. ).

Недостатком данного способа, также как и выше приведенного аналога, является то, что он направлен на использование труб для транспортировки абразивных сыпучих материалов и пульп и не решает технические, технологические и экологические вопросы транспортировки углеводородов под давлением на большие расстояния.

Задачей предложенного способа и устройства для его осуществления является производство длинномерных многослойных металлических труб большого диаметра для транспортировки углеводородов на большие расстояния с повышенными давлениями, исключение образования лавинных разрушений, а следовательно, значительное снижение металлоемкости трубопроводов, повышение их экологической безопасности, снижение металлоемкости и энергоемкости оборудования для их производства.

Технический результат достигается тем, что в известном способе производства длинномерных многослойных металлических труб большого диаметра для транспортировки углеводородов, включающий поперечную сварку труб-заготовок, отличающийся тем, что трубы-заготовки производят намоткой на вращающийся барабан-шпулю листовых или рулонных штрипсов, длину которых для производства многослойных труб-заготовок i-го диаметра определяют из выражений: , где n - количество слоев листовых или рулонных штрипсов при изготовлении многослойных труб-заготовок i-го диаметра, шт.; D_i - номинальный наружный диаметр многослойной трубы-заготовки, мм; δ - номинальная толщина стенки листовых или рулонных штрипсов, мм; N - количество труб-заготовок i-го диаметра, которые можно изготовить из одного штрипсового рулона, шт.; h - длина затравочного конца листовых или рулонных штрипсов, заправляемого в паз барабана-шпули, мм, при этом после намотки штрипсов на барабан-шпулю производят сварку кромок штрипсов по радиусу от наружной поверхности трубы-заготовки к внутренней, а после снятия многослойной трубы-заготовки с барабана-шпули - продольную сварку наружного и внутреннего торцов штрипса с трубой-заготовкой, сварку производят под слоем флюса проволокой - электродом из стали, химический состав которой соответствует стали трубы-заготовки, или имеет класс выше, многослойные трубы-заготовки по отводному рольгангу передают на отделку для плазменной обработки концов с нанесением фаски под сварку, сварку труб-заготовок производят электродами из стали, химический состав которой соответствует стали трубы-заготовки или имеет класс выше, многослойные трубы-заготовки стыкуют и сваривают в трубы-плети длиной 12-18 м, производят экспандирование, УЗК, маркировку, приемку, комплектацию в партии и отгрузку заказчику, перед намоткой листовых или рулонных штрипсов на поверхность барабана шпули наносят смазку для снижения коэффициента трения при снятии многослойной трубы-заготовки.

Установка для производства длинномерных многослойных металлических труб большого диаметра для транспортировки углеводородов, содержит барабан-шпулю, привод вращения барабана-шпули, шестеренную клеть, стационарный кожух, рычаг для снятия труб-заготовок, перемещающийся по горизонтальной плоскости, привод для перемещения рычага с червячным редуктором, крышку с упорным подшипником, установку для радиальной и продольной сварки слоев труб-заготовок, подводящий рольганг с правильно-натяжным устройством, призму для установки рулонов штрипса, отводящий рольганг и средства для поперечной стыковой сварки труб-заготовок, при этом барабан-шпуля имеет приводную и холостую шейки, приводная шейка барабана-шпули через редуктор соединена с приводом, а холостая шейка - с крышкой, шарнирно прилегающей к стационарному кожуху, в которой установлен упорный подшипник, по наружному диаметру барабана-шпули, равному внутреннему диаметру многослойной металлической трубы-заготовки, выполнен паз с геометрическими размерами, определяемыми из выражений: , где L - длина паза, мм; В - номинальная ширина листовых или рулонных штрипсов, мм; Δ - припуск на ширину листовых или рулонных штрипсов, мм; l - ширина паза для заправки переднего конца листового или рулонного штрипса, мм; δ - номинальная толщина стенки листовых или рулонных штрипсов, мм; h - глубина паза, мм, по внутреннему диаметру стационарного кожуха, равному наружному диаметру многослойной трубы, выполнен паз для задачи в паз барабана-шпули листовых или рулонных штрипсов и перемещения рычага для снятия трубы-заготовки с барабана-шпули и выдачи из стационарного кожуха, при этом ширину паза стационарного кожуха определяют из выражения: , где В - толщина упора рычага, мм, рычаг для снятия многослойной трубы-заготовки с барабана-шпули выполнен в виде цилиндра с упором, размеры которого определяют из выражений: , где D_н - наружный диаметр цилиндра рычага, мм; D_в - внутренний диаметр цилиндра рычага, мм; D_б - наружный диаметр барабана-шпули, мм; δ - номинальная толщина листового или рулонного штрипса, мм; D_вн.к. - внутренний диаметр стационарного кожуха, мм; В - толщина упора рычага, мм; L - ширина упора рычага, мм; В_п - ширина паза стационарного кожуха, мм, холостой конец приводного барабана-шпули входит в упорный подшипник, установленный в крышке, шарнирно прилегающей к стационарному кожуху, которая крепится затвором при намотке листовых или рулонных штрипсов на барабан-шпулю.

Именно заявляемая установка для производства многослойных труб-заготовок, размещение и компановка механизмов обеспечивают согласно способу производство качественных длинномерных многослойных металлических труб большого диаметра с необходимыми (заданными) геометрическими размерами и тем самым достижение цели изобретений. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "изобретательский уровень".

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемые изобретения от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "изобретательский уровень".

Так как аналогичного способа и оборудования в мировой практике не существует, то пример конкретного выполнения в данный период времени привести не представляется возможным. Вместо примера конкретного выполнения приведена технологическая последовательность операций производства длинномерных многослойных металлических труб размером 1020×21×12000 мм из рулонных штрипсов размером 4000×3 мм стали 17ГСУ. В соответствии с п. 1 формулы изобретения определяем длину штрипса, необходимую для производства труб-заготовок размером 1020×21×4000 мм:

Рулон штрипса размером 4000×3 мм стали 17ГСУ устанавливаем на призму и правильно-натяжным устройством подаем через паз стационарного кожуха и заправляем в паз барабана-шпули. Внутренний диаметр стационарного кожура равен наружному диаметру многослойной трубы, а именно 1020 мм. Наружный диаметр барабана-шпули равен внутреннему диаметру многослойной металлической трубы-заготовки, а именно 1020-2×21=978 мм. После заправки штрипса в паз барабана-шпули закрываем крышку с упорным подшипником, включаем двигатель с предельным моментом привода барабана-шпули, который через редуктор приводит во вращение барабан-шпулю и начинает наматывать штрипс на барабан-шпулю. Процесс намотки производится до полного заполнения стационарного кожуха. При заполнении стационарного кожуха штрипсом процесс намотки приостанавливается. Пресс-ножницами, которые приводятся в действие гидравлическим приводом, обрубаем конец штрипса. После обрубки штрипса его конец вводим в стационарный кожух. Открываем крышку с упорным подшипником. Для сцепления листов многослойной трубы-заготовки установкой сварки производим сварку-сплавление концов листов по радиусу (по одной образующей) от наружной поверхности трубы-заготовки к внутренней. После выполнения данной операции рычагом, приводимым в движение двигателем через червячный редуктор и винтовой привод, начинаем снимать многослойную трубу-заготовку с барабана-шпули и производить продольную сварку торца листа с наружной поверхности трубы-заготовки под слоем флюса. После снятия и выдачи трубы-заготовки на рольганг производим сварку-сплавление второго торца трубы-заготовки, аналогично первому. Труба-заготовка по рольгангу поступает в отделочную часть цеха, где производится оплавление затравочного конца штрипса с последующей продольной сваркой внутренней кромки трубы-заготовки и фрезеровкой сварного шва. В отделочной части торцы труб-заготовок подвергают плазменной обработке с последующим нанесением фаски под сварку. Многослойные трубы-заготовки стыкуют и сваривают в трубы плети диной 12-18 м (в нашем случае 12 м). Затем проводят экспандирование, УЗК, маркировку, приемку, комплектацию труб в партии и отгрузку заказчику. Использование предлагаемого способа, расположение и конструкция оборудования позволят производить длинномерные многослойные металлические трубы большого диаметра, а применение их для изготовления трубопроводов для транспортировки углеводородов, по сравнению с прямошовными трубами, позволит исключить образование лавинных разрушений, значительно снизить металлоемкость трубопроводов, повысить экологическую безопасность и снизить стоимость труб. Использование данного способа и оборудования позволит впервые в мировой практике осуществить поточное производство многослойных металлических труб большого диаметра с заданными геометрическими параметрами, обеспечить потребность страны в трубах данного сортамента, производить конкурентоспособную продукцию и экспортировать ее в другие страны мира. Набор оборудования для производства многослойных труб менее металлоемок и энергоемок, менее сложен в изготовлении. Способ производства многослойных металлических труб большого диаметра не требует больших капитальных вложений в строительство металлоемких и энергоемких цехов для производства широкополосных листов с толстыми стенками, как станы 5000.

Изобретение относится к трубопрокатному производству. Способ включает поперечную сварку труб-заготовок. Поточное производство длинномерных многослойных металлических труб большого диаметра обеспечивается за счет того, что трубы-заготовки производят намоткой на вращающийся барабан-шпулю листовых или рулонных штрипсов, длину которых регламентируют математической зависимостью, после чего производят сварку кромок штрипсов по радиусу от наружной поверхности трубы-заготовки к внутренней, а после снятия многослойной трубы-заготовки с барабана-шпули - продольную сварку наружного и внутреннего торцов штрипса с трубой-заготовкой. Установка содержит барабан-шпулю, привод вращения барабана-шпули, шестеренную клеть, стационарный кожух, рычаг для снятия труб-заготовок, перемещающийся по горизонтальной плоскости, привод для перемещения рычага с червячным редуктором, крышку с упорным подшипником, установку для радиальной и продольной сварки слоев труб-заготовок, подводящий рольганг с правильно-натяжным устройством, призму для установки рулонов штрипса, отводящий рольганг и средства для поперечной стыковой сварки труб-заготовок, при этом барабан-шпуля имеет приводную и холостую шейки, приводная шейка барабана-шпули через редуктор соединена с приводом, а холостая шейка - с крышкой, шарнирно прилегающей к стационарному кожуху, в которой установлен упорный подшипник, по наружному диаметру барабана-шпули выполнен паз. Изобретение обеспечивает снижение стоимости труб и металлоемкости трубопроводов. 2 н. и 8 з.п. ф-лы.

1. Способ производства длинномерных многослойных металлических труб большого диаметра для транспортировки углеводородов, включающий поперечную сварку труб-заготовок, отличающийся тем, что трубы-заготовки производят намоткой на вращающийся барабан-шпулю листовых или рулонных штрипсов, длину которых для производства многослойных труб-заготовок i-го диаметра определяют из выражений:

где n - количество слоев листовых или рулонных штрипсов при изготовлении многослойных труб-заготовок i-го диаметра, шт.;
D_i - номинальный наружный диаметр многослойной трубы-заготовки, мм;
δ - номинальная толщина стенки листовых или рулонных штрипсов, мм;
N - количество труб-заготовок i-го диаметра, которые можно изготовить из одного штрипсового рулона, шт.;
h - длина затравочного конца листовых или рулонных штрипсов, заправляемого в паз барабана-шпули, мм, при этом после намотки штрипсов на барабан-шпулю производят сварку кромок штрипсов по радиусу от наружной поверхности трубы-заготовки к внутренней, а после снятия многослойной трубы-заготовки с барабана-шпули - продольную сварку наружного и внутреннего торцов штрипса с трубой-заготовкой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сварку производят под слоем флюса проволокой - электродом из стали, химический состав которой соответствует стали трубы-заготовки или имеет класс выше.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что многослойные трубы-заготовки по отводному рольгангу передают на отделку для плазменной обработки концов с нанесением фаски под сварку.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что сварку труб-заготовок производят электродами из стали, химический состав которой соответствует стали трубы-заготовки или имеет класс выше.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что многослойные трубы-заготовки стыкуют и сваривают в трубы-плети длиной 12-18 м, производят экспандирование, УЗК, маркировку, приемку, комплектацию в партии и отгрузку заказчику.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед намоткой листовых или рулонных штрипсов на поверхность барабана шпули наносят смазку для снижения коэффициента трения при снятии многослойной трубы-заготовки.

7. Установка для производства длинномерных многослойных металлических труб большого диаметра для транспортировки углеводородов, содержащая барабан-шпулю, привод вращения барабана-шпули, шестеренную клеть, стационарный кожух, рычаг для снятия труб-заготовок, перемещающийся по горизонтальной плоскости, привод для перемещения рычага с червячным редуктором, крышку с упорным подшипником, установку для радиальной и продольной сварки слоев труб-заготовок, подводящий рольганг с правильно-натяжным устройством, призму для установки рулонов штрипса, отводящий рольганг и средства для поперечной стыковой сварки труб-заготовок, при этом барабан-шпуля имеет приводную и холостую шейки, приводная шейка барабана-шпули через редуктор соединена с приводом, а холостая шейка - с крышкой, шарнирно прилегающей к стационарному кожуху, в которой установлен упорный подшипник, по наружному диаметру барабана-шпули, равному внутреннему диаметру многослойной металлической трубы-заготовки, выполнен паз с геометрическими размерами, определяемыми из выражений:

где L - длина паза, мм;
В - номинальная ширина листовых или рулонных штрипсов, мм;
Δ - припуск на ширину листовых или рулонных штрипсов, мм;
l - ширина паза для заправки переднего конца листового или рулонного штрипса, мм;
δ - номинальная толщина стенки листовых или рулонных штрипсов, мм;
h - глубина паза, мм.

8. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что по внутреннему диаметру стационарного кожуха, равному наружному диаметру многослойной трубы, выполнен паз для задачи в паз барабана-шпули листовых или рулонных штрипсов и перемещения рычага для снятия трубы-заготовки с барабана-шпули и выдачи из стационарного кожуха, при этом ширину паза стационарного кожуха определяют из выражения:

где В - толщина упора рычага, мм.

9. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что рычаг для снятия многослойной трубы-заготовки с барабана-шпули выполнен в виде цилиндра с упором, размеры которого определяют из выражений:

где D_н - наружный диаметр цилиндра рычага, мм; Д_в - внутренний диаметр цилиндра рычага, мм; D_б - наружный диаметр барабана-шпули, мм; δ - номинальная толщина листового или рулонного штрипса, мм; D_вн.к. - внутренний диаметр стационарного кожуха, мм;
В - толщина упора рычага, мм;
L - ширина упора рычага, мм;
В_п - ширина паза стационарного кожуха, мм.

10. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что холостой конец приводного барабана-шпули входит в упорный подшипник, установленный в крышке, шарнирно прилегающей к стационарному кожуху, которая крепится затвором при намотке листовых или рулонных штрипсов на барабан-шпулю.