способ производства холоднокатаных труб большого и среднего диаметров с повышенной точностью по стенке из сплавов на основе титана

Формула изобретения

Способ производства холоднокатаных труб большого и среднего диаметров с повышенной точностью по стенке из сплавов на основе титана, включающий формовку листовой заготовки на вальцах в трубную передельную заготовку для прокатки труб большего диаметра, сварку продольных кромок в защитной среде аргона расходуемым электродом той же марки сплава, термическую обработку передельной прямошовной трубной заготовки и прокатку на оправке в круглых калибрах, отличающийся тем, что прокатку передельной прямошовной трубной заготовки в трубу большего диаметра производят с вытяжкой не менее 1,4 и обжатием по стенке не менее 20%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к трубному производству, а именно к способу производства холоднокатаных труб большого и среднего диаметров с повышенной точностью по стенке из сплавов на основе титана из передельной сварной заготовки, и может быть использовано на станах холодной прокатки ХПТ 250 и ХПТ 450.

В практике трубного производства известен способ производства холоднокатаных труб большого и среднего диаметров (426-159) мм из сплавов на основе титана из горячекатаных передельных трубных заготовок большого диаметра, включающий отливку слитков диаметром 600-630 мм ЭШП, механическую обработку слитков (обточку и сверление центрального отверстия диаметром 100 мм), нагрев слитков в муфелях до температуры пластичности (1140-1180)°С, прошивку на косовалковом прошивном стане с коэффициентом вытяжки 1,4-1,8, прокатку на пилигримовом стане с коэффициентом вытяжки 2,8-3,8, правку и механическую обработку горячекатаных труб со съемом наружного и внутреннего дефектных слоев по 8-10 мм и последующую прокатку передельных заготовок на станах ХПТ 250 и ХПТ 450 в трубы с допуском по стенке от ±10 до ±12,5% в зависимости от толщины стенки (ТУ 14-3-1218-83 "Трубы бесшовные горячедеформированные обточенные и расточенные из сплава марки 14" и ТИ 158-Тр.ТБ1-64-2002 "Изготовление бесшовных горячедеформированных труб из сплава 14 по ТУ 14-3-1218-83 и ТУ 14-3-1236-83", г. Челябинск, 2002).

Недостатком данного способа является низкий выход годного (расходный коэффициент металла 2,2-3,0) вследствие образования поверхностных дефектов (рванин и трещин из-за альфированного слоя) на горячекатаных передельных заготовках, дополнительное использование уникального механического оборудования для обточки и расточки длинномерных передельных трубных заготовок, трудоемкость нагрева заготовок (слитков ЭШП) в специальных муфелях, исключающих вероятность возгорания заготовок из титановых сплавов при взаимодействии с окалиной, и прокатка холоднокатаных труб с допуском по толщине стенки, не превышающий повышенной точности труб по ГОСТ 9941 (±10%).

При производстве передельных бесшовных горячекатаных труб большого диаметра используются слитки больших масс, которые требуют продолжительного времени нагрева, в результате чего происходит газонасыщение поверхности слитка (возникновение альфированного слоя). В процессе поперечно-винтовой прошивки и прокатки на пилигримовом стане под действием растягивающих и сжимающих напряжений в альфированном слое возникают рванины и трещины, которые под воздействием попавшей в них воды и деформационных напряжений развиваются в глубь тела гильз и труб. Для удаления трещин с горячекатаных труб требуется механическая обработка (расточка и обточка) на глубину до 10 мм, что требует дополнительных затрат уникального станочного оборудования, а самое главное приводит к наведенной разностенности передельных заготовок и значительным потерям дорогостоящих титановых сплавов в виде стружки (В.В.Тетюхин, В.Г.Смирнов, Н.П.Карпенко, А.В.Сафъянов. "Производство труб из сплавов титана для геологоразведки и нефтедобычи на суше и морском шельфе" // Титан, №1 (9), с.41, 1996).

В трубной промышленности известен способ производства передельных горячекатаных труб большого диаметра из титановых и ( + ) сплавов, содержащий ковку слитков с уковом У=(1-1,25)Ас/Аз, где У=2,7, механическую обработку заготовки (обточку) и сверление центрального отверстия, нагрев до температуры выше температуры полиморфного превращения, прошивку на косовалковом прошивном стане без подъема диаметра с вытяжкой в интервале 1,20-1,35, прокатку на пилигримовом стане, охлаждение в воде и механическую обработку наружной и внутренней поверхностей, при этом величину минимально допустимого съема при механической обработке определяют из выражения

где У - величина укова заготовок;

A _c - средняя величина зерна слитка, мм;

А_з - средняя величина зерна заготовки, мм;

Н - величина съема при механической обработке, мм;

D_тр - диаметр горячекатаной трубы, мм;

D_з - диаметр заготовки, мм;

- общий коэффициент вытяжки при прокатке;

К=0,5-1,5 - коэффициент, учитывающий глубину газонасыщенного слоя в зависимости от продолжительности нагрева, мм (Патент РФ №2094141, кл. В 21 В 23/00, 3/00. Бюл.№30, 1997).

Так как глубина газонасыщенного (H₂, O₂, N₂) слоя связана с величиной зерна, а величина зерна на обточенных слитках и заготовках при травлении хорошо просматривается невооруженным глазом, минимальный предел укова У=2,7 определен исходя из условий получения дефектного слоя на трубе глубиной не более 3,0 мм при определенных вытяжках на прошивном и пилигримовом станах, а максимальный предел - исходя из целесообразности затрат на ковку заготовки.

Недостатком данного способа является то, что он не учитывает отклонения геометрических размеров труб, а именно разностенность, овальность, кривизну, особенно концевую кривизну труб, а также включает нетехнологичные операции по определению величины зерна слитков и заготовок в цеховых условиях с последующим внесением данных в сопровождающую заготовки технологическую документацию (сертификаты). С другой стороны, производство труб на ТПА с пилигримовыми станами связано с большими суммарными вытяжками, что дает возможность вести процесс прокатки передельных труб из слитков ЭШП, т.е. исключить дополнительную операцию ковки слитков в заготовки.

В практике производства бесшовных холоднокатаных труб на станах ХПТ рекомендуется уменьшение наружного диаметра (редуцирование по диаметру) в пределах 26-40 мм, которое увеличивается с увеличением диаметра труб (В.Я.Осадчий, А.С.Вавилин, В.Г.Зимовец и А.П.Коликов. "Технология и оборудование трубного производства". Москва. "Интернет инжиниринг", 2001 г., с.481). Это говорит о том, что для прокатки труб диаметром 159 мм (средний диаметр) за один перекат необходима передельная заготовка диаметром не более 200 мм, а для труб диаметром 426 мм (большой диаметр) - заготовка диаметром не более 470 мм.

Известен способ прокатки холоднокатаных труб из титановых сплавов, включающий производство листовой заготовки, формовку листовой заготовки в трубную заготовку, сварку продольных кромок, поперечную раскатку сварной передельной заготовки на оправке в косовалковом стане и последующую прокатку (авт. свид. СССР №499907, кл. В 21 В 23/00, 1974 г.).

Недостаток данного способа заключается в том, что он трудоемок из-за выполнения операций прокатки труб на двух типах прокатного оборудования, не исключает образования дефектов на наружной и внутренней поверхности труб в виде рисок по границе сплавления сварного шва с основным металлом. Данный процесс приемлем только для производства труб из титановых сплавов малого размера, т.к. существуют промышленные установки по производству сварных труб данного сортамента в защитной среде аргона.

Наиболее близким по техническому решению является способ прокатки холоднокатаных труб из титановых сплавов, включающий производство листовой заготовки, подготовку кромок листа к сварке, формовку листовой заготовки в трубную заготовку, сварку продольных кромок, прокатку на цилиндрической оправке по спирали (угол кантовки менее 90°) с шагом, равным толщине стенки готовой трубы, со степенью деформации по стенке 30-50% (авт. свидетельство СССР №893280, кл. В 21 В 23/00, 1981 г.).

Недостаток приведенного способа производства холоднокатаных труб большого и среднего диаметров с повышенной точностью по стенке из сплавов на основе титана из сварной передельной трубной заготовки заключается в том, что он также трудоемок, т.к. рассчитан для изготовления передельной сварной заготовки только на 1-2 переката, требует больших капитальных затрат и не решает основную задачу, а именно получение труб большого диаметра с равнозначной структурой сварного шва и основного металла, а следовательно, с механическими свойствами, отвечающими требованиям ASTM В 862-02 с первого предъявления.

Задачей предложенного способа производства холоднокатаных труб большого и среднего диаметров повышенной точности из сплавов на основе титана является освоение производства холоднокатаных труб большого диаметра из титановых сплавов из сварной передельной трубной заготовки, изготовленной для прокатки холоднокатаных труб большего диаметра, вместо бесшовной горячекатаной механически обработанной, с гарантированными механическими свойствами и структурой сварного шва, равного структуре основного металла, изготовление холоднокатаных труб большого диаметра и сдачи их с первого предъявления в соответствии с ASTM В 862-02 и ТУ14-158-135-2003, снижение расхода сплава при переделе сварная передельная трубная заготовка - холоднокатаная труба, а следовательно, снижение стоимости холоднокатаных труб из сплавов на основе титана.

Технический результат достигается тем, что в известном способе производства холоднокатаных труб большого и среднего диаметров повышенной точности по стенке из сплавов на основе титана, включающем формовку листовой заготовки на вальцах в трубную передельную заготовку для прокатки труб большего диаметра, сварку продольных кромок в защитной среде аргона расходуемым электродом той же марки сплава, термическую обработку передельной прямошовной трубной заготовки и деформацию на оправке в круглых калибрах, прокатку передельной прямошовной трубной заготовки в трубу большего диаметра производят с вытяжкой не менее 1,4 и обжатием по стенке не менее 20%.

Сущность способа заключается в том, что для снижения расхода сплава, трудоемкости производства холоднокатаных труб большого и среднего диаметров из сплавов на основе титана с более жесткими допусками по стенке, замены бесшовных механически обработанных передельных труб на сварные, снижения брака труб по дефектам сварного соединения в виде рванин от альфированного слоя и производства труб большого диаметра с механическими свойствами и структурой сварного шва, равной структуре основного металла, передельную трубную заготовку изготавливают формовкой на вальцах для прокатки труб большего диаметра с последующей сваркой продольных кромок в защитной среде аргона расходуемым электродом той же марки сплава, термическую обработку передельной прямошовной трубной заготовки и деформацию на оправке в круглых калибрах, при этом прокатку передельной прямошовной трубной заготовки в трубу большего диаметра производят с вытяжкой не менее 1,4 и обжатием по стенке не менее 20%. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого способа не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Способ опробован на станах ХПТ 250 и ХПТ 450 ОАО "ЧТПЗ" при прокатке холоднокатаных труб размером 426×12-426×11-377×10-325×8-273×6-219×4,5-180×3,0-159×2,0 мм из передельных сварных трубных заготовок и механически обработанной (обточенной и расточенной) горячекатаной заготовки размером 470×14,5×4500 мм из сплава ВТ1-0. Передельные сварные заготовки размером 470×14,5×4500 мм были изготовлены на ЗАО "Завод ПСК", г.Новосибирск. Листы в трубные заготовки сформовали на вальцах с зазором 3,0 мм. Сварку продольных кромок проводили расходуемым электродом из сплава ВТ1-0 в защитной среде аргона. Передельная механически обработанная заготовка размером 470×14,5×4500 мм была изготовлена из горячекатаной заготовки размером 485×30×4500 мм, прокатанной из слитка ЭШП размером 630×100×1700 мм на ПТА 8-16" с пилигримовыми станами ОАО "ЧТПЗ". Заготовки были перекатаны на станах холодной прокатки ОАО "ЧТПЗ". Данные по механическим свойствам и геометрическим размерам холоднокатаных труб большого и среднего диаметров на станах ХПТ 250 и ХПТ 450 ОАО "ЧТПЗ" из передельных сварных и механически обработанной горячекатаной заготовки сплава ВТ 1-0 по существующей и предлагаемой технологиям приведены в таблицах 1 и 2. Из таблицы 1 видно, что сварная прямошовная заготовка по предлагаемой технологии сначала была перекатана в холоднокатаную трубу размером 426×12 мм с вытяжкой 1,33 и обжатием по стенке 17,3%. Результаты механических испытаний показали, что сварное соединение трубы имеет временное сопротивление разрыву значительно ниже основного металла, в результате чего разрушение образцов произошло по сварному соединению. Труба не выдержала технологического испытания на сплющивание. По границе сплавления шва с основным металлом произошло разрушение, а ударная вязкость сварного соединения значительно ниже основного металла. Ударная вязкость KCU при -40°С основного металла составила от 18,5 до 20,0 кгм/см², а сварного соединения от 11,3 до 15,2 кгм/см². Поэтому следующую передельную сварную заготовку размером 470×14,5×4500 мм прокатали сразу на трубу размером 426×11 мм с вытяжкой 1,45 и обжатием по стенке 24,1%. Труба данного размера выдержала все механические испытания и отвечала всем требованиям ASTM В 862-02. Затем трубы размером 426×12 и 426×11 мм были последовательно перекатаны в трубы размером 377×10-325×8-273×6-219×4,5-180×3,0 и 159×2,0 мм. Для того чтобы эксперимент проходил в одинаковых условиях, длины и размеры заготовок были идентичными. В конечном результате из опытных сварных заготовок размером 470×14,5×4500 мм получили 153,4 м труб размером 159×2,0 мм. Расходный коэффициент металла по переделам (перекатам) составил от 1,019 до 1,042, а суммарный от исходной заготовки до конечной трубы составил 1,195. Из механически обработанной бесшовной горячекатаной трубы получено 75,3 м труб размером 159×2,0 мм. Расходный коэффициент сплава по переделам составил от 1,022 до 1,042, т.е. они находятся на одном уровне. Расходный коэффициент сплава ВТ 1-0 от передельной заготовки до трубы 159×2,0 мм составил 1,216, а от слитка ЭШП до конечной трубы составил 2,768 (расходный коэффициент сплава при прокатке слитка ЭШП в горячекатаную трубу составил 1,125, а при переточке горячекатаной трубной заготовки в передельную трубу 1,999). Таким образом, при прокатке труб по предлагаемой технологии получили снижение расходного коэффициента сплава ВТ1-0 в 2,3 раза. По предлагаемой технологии трубы размером от 426×11 до 159×2,0 мм по механическим свойствам отвечали всем требованиям ASTM В 862-02.

Фактические размеры и отклонения толщин стенок труб по переделам, прокатанных из сварных (предлагаемая технология) и механически обработанной передельных заготовок, приведены в таблице 2. Из таблицы видно, что поле допуска по толщине стенки (основной показатель качества труб), прокатанных по предлагаемой технологии, в зависимости от геометрических размеров труб (от 426×12 до 159×1,5 мм) плавно увеличивается от 2,4 до 9,5%, а их значения относительно ГОСТ 9941 и ASTM В 862-02 значительно ниже, а по сравнению с существующей технологией поля допусков ниже в 6,8-1,25 раза, в зависимости от диаметра, которые с увеличением количества перекатов, т.е. деформационных параметров, сближаются. При прокатке труб данного ряда по существующей технологии поле допуска сначала уменьшается от 16,5 до 11,3%, а затем начинает плавно расти. Это объясняется тем, что при прокатке труб размером 426×12 мм из механически обработанной (обточенной и расточенной) заготовки, которая из-за наведенной разностенности при механической обработке имеет значительно большую исходную разностенность по сравнению с катаным листом. По мере перекатов разностенность уменьшается до стенки 6,0 мм, а затем с утонением стенки труб менее 5,0 мм абсолютная разностенность уменьшается, а относительная начинает возрастать.

Таким образом, использование предложенного способа производства холоднокатаных труб большого и среднего диаметров из сплавов на основе титана по технологии в соответствии с формулой изобретения позволит производить трубы повышенной точности по толщине стенки при равных механических свойствах в соответствии с ASTM В 862-02 из сварной передельной трубной заготовки, изготовленной для прокатки труб максимального диаметра, вместо бесшовной передельной заготовки, снизить расходный коэффициент титановых сплавов в 2,25-2,5 раза, а первоначальная прокатка передельной прямошовной трубной заготовки в трубы большего диаметра с вытяжкой не менее 1,4 и обжатием по стенке не менее 20% позволит производить трубы, полностью отвечающие требованиям ASTM В 862-02 по механическим свойствам, а следовательно, снизить стоимость их производства.

Таблица 1 Результаты механических испытаний холоднокатаных труб размером 426×12, 426×11,377×10, 325×8,273×6, 219×4,5,180×3,0 и 159×1,5 мм, прокатанных из сварной передельной заготовки размером 470×14,5×4500 мм
Нормативная документация	Размеры труб (мм)	Испытание на растяжение					Технологические испытания	Ударная вязкость KCU-40 (кгм/см)
		Основного металла (продольный образец)			Сварного соединения (поперечный образец)
		Предел текучести 0,2 (МПа)	Временное сопротивление разрыву в (МПа)	Относительное удлинение 2"(%)	Временное сопротивление разрыву в (Н/мм2)	Место разрушения образца	Сплющивание положение шва 90°	Основной металл	Сварное соединение
ASTM В 862-02	Передельная труба 470×14,5	340	443	30	337	По сварному шву	Н=256,2 (неуд.)	18,5-20,5	10,2-12,5
	426×12	355	450	32	408	По сварному шву	Н=212,0 (неуд.)	18,5-20,0	11.3-15.2
	426×11	357	452	32	458	По основному металлу	Н=194,4 (удов.)	18,5-21,0	18,5-20,0
	377×10	360	455	33	460	По основному металлу	Н=176,7 (удов.)	20,5-23,2	20,0-23,0
	325×8	365	450	34	470	По основному металлу	Н=141,3 (удов.)	-	-
	273×6	370	445	35	457	По основному металлу	Н=106,0 мм (удов.)	-	-
	219×4,5	365	451	34	487	По основному металлу	Н=79,5 мм (удов.)	-	-
	180×3,0	366	448	30	-	-	Н=61,8 мм (удов.)	-	-
	159×2,0	359	457	42	-	-	Н=44,2 мм (удов.)	-	-
Норма по ASTM В 862-02		275-450	не менее 345	не менее 20	не менее 345	По основн. металлу	Удов.

Таблица 2 Фактические размеры и отклонения толщин стенок труб большого и среднего диаметров, прокатанных на станах ХПТ 250 и ХПТ 450 из передельных заготовок сплава ВТ1-0 по существующей и предлагаемой технологиям
Вид технологии	Значения толщин стенок труб	Размеры труб (мм)
	(мм)	426×12	426×11	377×10	325×8	273×6	219×4,5	180×3	159×2,0
Предлагаемая технология	S max	12,37	11,32	10,69	8,42	6,24	4,25	3,34	2,25
	S min	12,08	11,07	10,30	8,12	6,0	4,07	3,16	2,05
	S ном	12,20	11,20	10,5	8,20	6,10	4,10	3,20	2,10
	S	0,29	0,25	0,39	0,30	0,24	0,18	0,18	0,20
	Разброс S (%)	+1,4/-1,0	+1,1/-1,2	+1,8/-1,9	+2,7/-1,0	+2,3/-1,6	+3,7/-0,7	+4,3/-1,2	+7,1/-2,4
	Поле допуска (%)	2,4	2,5	3,7	3,7	3,9	4,4	5,5	9,5
Существующая технология	S max	12,5	11,82	11,4	8,8	6,8	4,5	3,40	2,25
	S min	10,6	10,02	9,7	7,7	5,9	4,0	3,05	2,0
	S ном	11,5	10,9	10,5	8,2	6,2	4,2	3,20	2,1
	S	1,9	1,8	1,7	1,1	0,9	0,6	0,35	0,25
	Разброс S (%)	+8,7/-7,8	+8,4/-8,1	+8,6/-7,6	+7,3/-6,1	+6,5/-4,8	+7,1/-4,8	+6,3/-4,7	+7,1/-4,8
	Поле допуска (%)	16,5	16,5	16,2	13,4	11,3	11,9	11,0	11,9
Поле допуска по ГОСТ 9941	-	±10 (20,0)	±10 (20,0)	±10 (20,0)	±10 (20,0)	+12,5/-10,0 (22,5)	+12,5/-10,0 (22,5)	±12,5 (25,0)	±12,5 (25,0)
Поле допуска по ASTM В 862-02	-	±12,5 (25,0)	±12,5 (25,0)	±12,5 (25,0)	±12,5 (25,0)	±12,5 (25,0)	±12,5 (25,0)	±12,5 (25,0)	±12,5 (25,0)