МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

ИЗГОТОВЛЕНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ТРУБ ИЗ ОТДЕЛЬНЫХ ОБЕЧАЕК НА ОПЫТНОМ УЧАСТКЕ ХАРЦЫЗСКОГО ТРУБНОГО ЗАВОДА

Опытный участок по производству труб с многослойной стенкой введен в эксплуатацию на Харцызском трубном заводе в 1979 г. На участке предусматривалось выполнение работ по уточнению кон­струкции многослойных труб, технологии их производства и состава оборудования, а также изготовление партии труб с целью изучения особенностей сооружения из них трубопроводов в трассовых усло­виях.

Для ускорения строительства некоторые установки, обеспечиваю­щие, например, выполнение операций экспандирования обечаек и гидроиспытания готовых труб, не были включены в состав оборудо­вания опытного участка. Поэтому к трубам, изготавливаемым на этом участке, предъявлялись менее жесткие требования в отношении допустимой величины межслойных зазоров. Кроме того, вместо специализированных станков для механической обработки кромок использованы станки СПКМ-141 упрощенной конструкции, что предо­пределило относительно низкую производительность опытного участ­ка, а также не позволило обеспечить требуемую точность размеров разделки кромок и перпендикулярность обработанных торцов обе­чайки к ее оси. В эксплуатацию не была введена установка для сты­ковой сварки немерных отрезков полосы, образующихся при оконча­нии размотки рулона.

На первом этапе многослойные трубы изготавливали из седш мно­гослойных обечаек, причем на двух крайних обечайках участки ши­риной 60 мм у их торцов замоноличивали контактной сваркой. В свя­зи с изменением требований к трубам и недостаточным качеством за­моноличивания принято решение об использовании патрубков из металла сплошного сечения взамен двух крайних многослойных обечаек. В результате трубы, выпускаемые на опытном участке Хар - цызского трубного завода, представляли конструкцию, состоящую из пяти обечаек с многослойной стенкой длиной примерно 1,6 м и двух монолитных обечаек такой же длины. Кроме этих труб изготовле - но примерно 20 труб, скомплектованных из семи многослойных обе­чаек и двух колец шириной 250 мм из металла сплошного сечения. В ос­новном изготавливали трубы диаметром 1420 мм с суммарной толщи­ной стенки 10,4 мм (четыре слоя по 4,1 мм). Для концевых патрубков

использовались трубы этого же диаметра и толщины из стали Х-70. Общий объем многослойных труб указанного типоразмера со­ставил примерно 4 тыс. т. Сварены также опытные трубы с многослой­ной стенкой суммарной толщиной 24,6 мм (шесть слоев по 4,1 мм).

Технологический процесс изготовления многослойных труб со­стоял из следующих основных операций: размотки рулонов весом до 15 т; правки рулонной полосы на пятивалковой правильной машине; ультразвукового контроля рулонного металла; разрезки полосы на отрезки требуемой длины для получения обечаек с заданным числом слоев; навивки обечаек и их механической обработки на фаскообрез­ных станках; плазменной разрезки труб со сплошной стенкой на обе­чайки требуемой длины с последующей механической обработкой их торцов на тех же станках; сборки труб из обечаек и сварки кольцевых технологических швов; сварки последовательно внутренних, проме­жуточных (для труб с толщиной стенки более 16,5 мм) и наружных облицовочных кольцевых швов; рентгентелевизионного контроля кольцевых швов и вакуум-пузырькового контроля их пересечений с продольными швами; осмотра швов и исправления дефектов; меха­нической обработки торцов готовых труб, отбора проб для испытания механических свойств рулонного металла и сварных соединений; окончательной приемки труб.

Для выполнения операций размотки рулона, правки рулонной полосы и разрезки ее на мерные отрезки использовали оборудование^ аналогичное применяемому для этих целей в металлургической про­мышленности. Освоение этого оборудования не вызвало каких-либо

затруднений. Следует отметить необходимость повышения точности остановки полосы в момент реза на гильотинных ножницах с целью обеспечения разницы длин мерных отрезков в пределах не более 10 мм.

По данным ультразвукового контроля количество полос, в кото­рых на участке, образующем внутренний виток обечайки, выявлены недопустимые дефекты, не превышало 0,7 % от общего числа про­контролированных полос.

Навивку обечаек (рис. 1) выполняли в следующей последователь­ности. Подающими роликами отрезок полосы требуемой длины задавали в трехвалковую гибочную машину, где осуществляли его предварительный изгиб. Затем полосу навивали на барабан навивоч - ной машины, прижимая ее к барабану гидравлическим роликовым захлестывателем и, используя натяжение полосы, получали задан­ное число слоев. Таким образом, в отличие от известных методов, при­меняемых при изготовлении многослойных сосудов, обечайки нави­вались без предварительного закрепления переднего конца полосы [1, 2]. Опыт работы убедительно показал эффективность и высокую производительность данного способа получения многослойных обе­чаек. При этом количество обечаек, имевших местные локальные участки с межслойными зазорами не более 0,5 мм, составило 39 %,- не более 1,0 мм — 63 % и не более 1,5 мм — 77 % общего числа на­витых обечаек. Средняя телескопичность таких обечаек равна 28 мм. Недостаточная плотность обечаек в сочетании с их сравнительно большой телескопичностью, помимо повышенной серповидности по­лосы в начале и конце рулона, связаны с некоторыми конструктив­ными недостатками навивочной машины, в том числе с отсутствием воз­можности точной ориентации полосы перед ее задачей в установку, изгибом оси консольно расположенного барабана навивочной ма­шины и недостаточной эффективностью работы роликового захлесты - вателя. Выявленные недостатки учтены при проектировании навивоч­ной машины для промышленного цеха по производству многослойных труб.

Закрепление концов рулонной полосы после навивки обечаек на опытном участке ХТЗ выполняли ручной дуговой сваркой. Наруж­ные и внутренние нахлесточные швы обечаек, как показано в работе [3], сваривали двумя дугами в раздельные ванны [11]. Разработанный способ и режимы сварки (табл. 1) обеспечивали получение швов с требуемой высотой усиления и плавным переходом к основному металлу. Результаты контроля швов неразрушающими методами под­твердили достаточную их стойкость против образования дефектов. Так, количество обечаек с дефектами во внутренних нахлесточных швах, приводящих к нарушению герметичности (данные вакуум - пузырькового контроля), не превышало 2,7 %, а с другими дефекта­ми, требующими исправления (данные рентген-телевизионного конт­роля) —4,7 %. В обоих случаях образование дефектов связано с отклонениями от заданных параметров сварочных процессов* в част-

ности, применением повышенных токов второй дуги или смещением электрода этой дуги от кромки нахлесточного слоя.

Следует отметить, что из-за повышенного зазора (до 1,0—1,5 мм) между кромкой замыкающего витка обечайки и ее предыдущим вит­ком имело место некоторое ухудшение формирования наружных на­хлесточных швов и уменьшение глубины их проплавления. Такие зазоры образуются в связи с тем, что после трехвалковой гибочной машины участки полосы у ее торцов, протяженностью ~ 100 мм, остаются прямолинейными. Зазоры могут быть устранены подгибкой этих участков полосы на специальном прессе.

Сварка наружных нахлесточных швов, несмотря на использова­ние режимов с небольшими тепловложениями, приводит к увеличе­нию межслойных зазоров, особенно в обечайках, имеющих повышен­ные зазоры после навивки. В последнем случае эти зазоры перераспре­деляются и концентрируются в участках, примыкающих к нахлесточ - ному шву. Как отмечалось ранее, для повышения плотности слоев обечаек предусмотрено их экспандирование после сварки наруж­ного нахлесточного шва. В связи с отсутствием на опытном участке необходимого оборудования исследования в этом направлении про­водили в ограниченном объеме с использованием гидромеханического экспандера, установленного в цехе, где изготавливаются прямошов­ные трубы. Исследования показали, что экспандирование обечаек на 0,5—0,6 % резко снижает межслойные зазоры, в том числе в обечайках, которые после сварки наружного нахлесточного шва имели локальные участки с зазорами до 3,0—3,5 мм.

Под действием тепла, выделяющегося при сварке нахлесточных швов, особенно наружных, форма обечайки изменяется, что прояв­ляется в увеличении ее диаметра в плоскости расположения швов. С целью ограничения этих изменений, помимо применения процесса сварки с небольшими тепловложениями (табл. 1), обечайку специаль­ными прижимными устройствами, расположенными на установке для сварки наружных швов, предварительно овализировали таким обра­зом, чтобы ее вертикальный диаметр перед сваркой уменьшился на 30—40 мм.

Как показали последующие испытания, для повышения надеж­ности работы труб из обечаек, навиваемых, например в четыре слоя, необходимо обеспечить гарантированное проплавление внутренним и наружным нахлесточными швами на менее двух слоев. Однако из-за неудовлетворительной работы фаскообрезных станков механическая обработка торцов обечаек выполнялась на минимальную, не всегда достаточную величину. В результате в некоторых случаях у торцов обечаек отмечены участки швов небольшой протяженности с глуби­ной проплавления менее двух слоев.

Таким образом на опытном участке ХТЗ впервые освоено поточное производство многослойных обечаек для труб. Полученный опыт позволил определить пути повышения качества изготавливаемых обечаек, которые должны развиваться в направлении уменьшения межслойных зазоров и обеспечения гарантированного проплавления слоев нахлесточными швами. На Выксунском металлургическом за­воде эти задачи будут решены за счет подгибки полосы у ее торцов на специальном прессе, экспандирования обечаек, а также примене­ния усовершенствованных установок для навивки обечаек и специа­лизированных станков для обработки их кромок.

При сборке труб к обечайке из металла сплошного сечения с по­мощью сборочного (технологического) шва последовательно присое­диняли пять многослойных обечаек и одну (крайнюю) обечайку из металла сплошного сечения. Технологические швы сваривали в угле­кислом газе одной дугой проволокой Св-08Г2С диаметром 4 мм со ско­ростью 130—180 м/ч (табл. 1). Направление сварочной проволоки по стыку кромок осуществляли автоматически с точностью ±1,0 мм,: используя специальную копирную систему.

Для получения качественных соединений обечайки собирали так^ чтобы зазор в образующемся стыке был минимальным. Опыт произ­водства труб показал, что при зазоре не более 1,0 мм и не перпенди­кулярности («косине») торцов обечаек к их оси в тех же пределах, отклонение образующей собранных труб от прямолинейности («кри­визна») не превышала 16 мм, вполне удовлетворяя предъявляемым требованиям. Имевшие место случаи повышенной «кривизны» труб были связаны с недостаточно надежной работой фаскообразных стан­ков, в результате чего «косина» торцов некоторых обечаек достигала 2—3 мм.

Внутренние рабочие кольцевые швы сваривали одной дугой под флюсом АН-60 проволокой Св-08ГНМ диаметром 4 мм со скоростью 25—30 м/ч (табл. 1). Сварку осуществляли на установке, укомплекто­ванной двумя сварочными головками, расположенными на расстоя­нии, равном длине одной обечайки. При этом после выполнения первых двух внутренних швов трубу перемещали вдоль установки и сваривали последовательно третий и четвертый, а затем пятый и шестой швы. Для того чтобы направить сварочную проволоку по сты­ку кромок использовали дистанционную телевизионную систему.

Данные рентгенотелевизионного контроля соединений труб, сва­ренных внутренними кольцевыми швами, подтвердили их вполне удовлетворительную стойкость к образованию внутренних дефектов. Так, число труб с недопустимыми дефектами (главным образом, еди­ничными порами) в таких швах не превышало 12 %. Контроль герме­тичности соединений вакуум-пузырьковым методом, осуществляемый в местах пересечения внутренних кольцевых и нахлесточных швов, также выявил лишь ограниченное число дефектов. Однако, как сле­дует из результатов испытания участка газопровода, сооруженного из многослойных труб данной партии, с целью повышения надежности ' таких труб необходим контроль герметичности не только в местах указанных пересечений, но и внутренних кольцевых швов по всей их длине.

Для улучшения формирования внутренних кольцевых швов в местах их пересечений с нахлесточными швами сборку труб следует осуществлять таким образом, чтобы обеспечить совмещение внутрен­них нахлесточных швов смежных обечаек.

Наружные кольцевые швы выполняли двумя способами: за один проход однодуговой сваркой под флюсом (трубы с толщиной стенки

16.5 мм) и за два прохода с применением для первого промежуточного шва однодуговой сварки в углекислом газе, а для облицовочного шва Однодуговой сварки под флюсом (опытные трубы с толщиной стенки

24.6 мм). При сварке промежуточных швов использовали проволоку Св-08Г2С, а облицовочных — проволоку Св-08ГНМ и флюс АН-60. Швы сваривали одновременно двумя сварочными головками или, в случае двухпроходной сварки, четырьмя головками, две из которых осуществляли сварку в углекислом газе (рис. 2).

Вследствие чрезмерных ко­лебаний суммарной толщины стенки трубы и размеров раз­делки кромок, связанных, прежде всего, с наличием меж - слойных зазоров в неэкспанди - рованных обечайках, наружные кольцевые швы сваривали на режимах с повышенными, по сравнению с рекомендуемыми, тепловложениями (табл. 1). Это обусловило более частое обра­зование в таких швах пор и шлаковых включений. Даже в

этих менее благоприятных условиях очистка кромок полосы от окалины перед навивкой обечаек, выполненная иглофрезерованием для небольшого числа опытных труб* резко снизила число образую­щихся в швах дефектов.

Операции отделки многослойных труб практически не отличались от обычно применяемых при изготовлении труб со сплошной стенкой. Отметим, что применение для механической обработки торцов сварен­ных труб указанных ранее фаскообрезных станков СПКМ-141 не по­зволило полностью обеспечить предъявляемые требования к перпен­дикулярности торцов труб.

Многослойные трубы данной партии изготавливались из рулонной стали 09Г2СФ толщиной 4,1 мм, которая имеет следующий химсостав: Мп - 1,4-1,7 %; Si - 0,5-0,8; V - 0,06-0,09; А1 - 0,02-0,05; С, S, Р — не более 0,13; 0,015; 0,025 % соответственно. Как показали исследования, металл рулонной стали и изготовленных труб, в основ­ном, удовлетворял предъявляемым требованиям в отношении проч­ностных и пластических свойств, а также по результатам испытания

образцов DWTT (табл. 2). Однако некоторые плавки стали 09Г2СФ, вы­плавленные по данным ЦНИИчермет без дополнительного ее микролегиро­вания титаном, имели пониженные значения ударной вязкости, опреде­ляемые при температуре —20 °С на образцах с острым надрезом (рис. 3). Кроме того, значения прочностных характеристик стали 09Г2СФ различ­ных плавок изменялись в чрез­мерно широких пределах (разброс достигал 180 МПа), что ухудшает условия настройки гибочных валь - цев установки для и может привести трудностям при вании.

Сварные соединения труб, выполненные с применением указанных ранее сварочных материалов, практически полностью обеспечивали требуемый уровень их прочности и ударной вяэкости при температу­ре —40 °С:

Выполненные на опытном участке ХТЗ работы убедительно пока - вали, что разработанная технологическая схема производства много­слойных труб и ее основные положения, предусматривающие навивку обечаек без предварительного закрепления полосы, ограничение ве­личины межслойных зазоров навиваемых обечаек экспандированием, сборку труб и обечаек с обеспечением требуемой их прямолинейности, наряду с минимальными зазорами в образуемом стыке, и сварки коль­цевых швов труб без предварительной облицовки кромок многослой­ных обечаек, может эффективно применяться в промышленных усло­виях.

Опыт изготовления первой партии многослойных труб использо­ван для уточнения промышленной технологии и усовершенствования проектируемого оборудования для производства труб этого типа в це­хе Выксунского металлургического завода.