способ трафаретного нагрева в горячей объемной штамповке нефте-газо-тепло-водопроводных стальных тройников и система для осуществления способа

Формула изобретения

1. Способ трафаретного нагрева заготовки при горячей объемной штамповке стальных тройников для атомной и нефтегазовой отрасли и для тепловодопроводных сетей, характеризующийся тем, что поток плазмы сверху вниз направляют в зазор, образованный между поверхностью заготовки и накладкой, имеющей входное отверстие для потока плазмы и формирующей зону распространения потока плазмы и выхода остывшего потока плазмы при помощи закрепленных с ее внутренней стороны с двух сторон от входного отверстия ленточных теплоизоляционных проставок в соответствии с определенной под деформацию формой зоны заготовки, при этом с противоположной упомянутому зазору стороны внутри заготовки размещают зонообразующую подложку, которая в совокупности с накладкой представляют собой трафарет нагреваемой зоны.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что накладка со стороны зазора выполнена из теплоизоляционного материала, а с внешней стороны имеет металлическую основу.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что накладка в поперечном сечении имеет дугообразную форму.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из теплоизоляционного материала, закрепленного на металлическом каркасе.

5. Система трафаретного нагрева заготовки при горячей объемной штамповке стальных тройников для атомной и нефтегазовой отрасли и для тепловодопроводных сетей, характеризующаяся тем, что содержит газовоздушную горелку для образования потока плазмы в зазоре, образованном между поверхностью заготовки и накладкой, имеющей входное отверстие для потока плазмы и формирующей зону распространения потока плазмы и выхода остывшего потока плазмы при помощи закрепленных с ее внутренней стороны с двух сторон от входного отверстия ленточных теплоизоляционных проставок в соответствии с определенной под деформацию формой зоны заготовки, при этом с противоположной упомянутому зазору стороны размещена зонообразующая подложка, которая в совокупности с накладкой представляют собой трафарет нагреваемой зоны.

6. Система по п.5, отличающаяся тем, что накладка со стороны зазора выполнена из теплоизоляционного материала, а с внешней стороны имеет металлическую основу.

7. Система по п.6, отличающаяся тем, что накладка в поперечном сечении имеет дугообразную форму.

8. Система по п.5, отличающаяся тем, что входное отверстие накладки со стороны газовоздушной горелки по периметру выполнено с отбортовкой в виде тубуса из теплоизоляционного материала.

9. Система по п.5, отличающаяся тем, что подложка выполнена из теплоизоляционного материала, закрепленного на металлическом каркасе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к трафаретному нагреву (трубной заготовки или вальцованной обечайки и полуобечаек) в горячей объемной штамповке нефте-газо-тепло-водопроводных стальных тройников, и может быть использовано в качестве способа термоподготовки (нагрева) в составе различных технологий изготовления бесшовных, приварных тройников, тройников штампованных (ТШ) и тройников штампосварных (ТШС) для атомной и нефтегазовой отрасли и для тепло-водопроводных сетей.

Из уровня техники известен способ формирования Т-образной трубы, имеющей часть трубы с разветвлениями. Локальный элемент имеет нагретую увеличенную толщину необработанной подложки и основное отверстие. Верхняя часть трубы сформирована при помощи силы нагрузки, которая выполняет изгиб и отбортовку отверстия в горячем состоянии. Остальные части трубы выполнены таким же способом (JP 58212818, 10.12.1983).

Известен способ изготовления тройников из трубной заготовки, включающий вырезку овального отверстия в заготовке, местный нагрев кромок отверстия и отбортовку фланца проталкиванием конического пуансона. На внуреннюю поверхность трубной заготовки в зоне отбортовки фланца устанавливают технологическую шайбу с диаметром внутреннего отверстия, меньшим диаметра фланца на толщину стенки трубной заготовки, из металла, обеспечивающего малый коэффициент трения с поверхностью пуансона (RU 2122477, 27.11.1998).

Известно устройство для изготовления тройников из листовых заготовок, содержащее плиту-основание, пуансон-прижим, отбортовочный пуансон, матрицу и боковые обжимные элементы. Пуансон-прижим снабжен установленным на его торцах с возможностью возвратно-поступательного движения от пружин рядом кольцевых секторов двумя клиновыми упорами и силовыми пружинами, зафиксированными на плите-основании, а отбортовочный пуансон снабжен подвижным упором, размещенным между отбортовочным пунсоном и плитой-основанием, и установлен на пуансоне-прижиме с возможностью вертикального перемещения. Боковые обжимные элементы жестко установлены на плите-основании (RU 893285, 30.12.1981).

Недостатком является дороговизна штамповой оснастки и высокий расход энергоносителей.

Из патента RU 551073, 25.03.1977, известен способ изготовления тройников из трубной заготовки, включающий вырезку овального отверстия в заготовке, местный нагрев ее и отбортовку патрубка. Зоны, прилегающие к малым радиусам овального отверстия, нагревают перед отбортовкой до температуры, близкой к нижнему температурному пределу горячей деформации металла заготовки, а зоны, прилегающие к большим радиусам отверстия, нагревают на 150-200°C выше температурного предела горячей деформации.

Недостатком является сложность в изготовлении, неравномерный нагрев и низкое качество готового изделия.

Наиболее близким аналогом по технической сущности заявленного способа трафаретного нагрева в горячей объемной штамповке нефте-газо-тепло-водопроводных стальных тройников и системы для его осуществления является способ нагрева, применяемый в способе безматричной горячей штамповки тройников, и устройство для осуществления данного способа (RU 2410180, 27.01.2011).

Недостатком наиболее близкого по технической сущности способа является отсутствие контура, позиционирующего плазму на поверхности заготовки, в связи с чем плазма распространяется по большой поверхности заготовки, разогревая зону обечайки, не участвующую в деформации. Это, в свою очередь, уменьшает контрастность нагрева, необходимую в технологиях, основанных на разнице пластичности материала заготовки, таких как способ безматричной горячей штамповки тройников и т.п. Кроме того, в связи с тем, что плазма не сформована и свободно распространяется в нагревающем зазоре вплоть до выхода за его пределы по всему периметру, отсутствует возможность направления плазмы вниз по окружности заготовки, исключив тем самым возможность нагрева заготовки сверху до половины диаметра, что необходимо при производстве равнопроходных тройников. Еще одним недостатком этого способа является тот момент, что поток плазмы направлен изнутри заготовки, через технологическое отверстие в ней, а при малых диаметрах размещение внутри заготовок газовой горелки проблематично, при этом еще необходимо обеспечить дистанцию между горелкой и нагревающим зазором для формирования полноценного факела. Кроме того, расположение горелки внутри заготовки подразумевает наличие отверстия в заготовке, что сужает круг способов штамповки, при котором возможен такой нагрев, так как существуют способы вообще без технологического отверстия в заготовке, для более полного использования в ответвлении металла зоны формообразования.

Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании способа трафаретного нагрева в горячей объемной штамповке нефте-газо-тепло-водопроводных стальных тройников и системы для его осуществления, которые исключали бы указанные выше недостатки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является:

- Исключение печей объемного нагрева из традиционного состава оборудования для горячей штамповки как наиболее дорогостоящих и энергоемких элементов технологической оснастки;

- Снижение объема расходования энергоресурсов исключительно до минимально необходимого количества для нагрева заготовки до заданной температуры, позволяющее обеспечить экономию, недоступную существующим на сегодняшний день способам нагрева;

- Исключение контакта плазмы с зонами, не участвующими в деформации, при помощи специальной (плазмоконфигурирующей) накладки, обеспечивает передачу основной массы калорий нагреваемой зоне. Недопущение излучения полученных заготовкой калорий в окружающее пространство с противоположенной стороны нагреваемой поверхности при помощи теплоизоляционной (зонообразующей) подложки обеспечивает накопление полученных калорий. Эти два основных элемента конструкции в совокупности представляют собой трафарет нагреваемой зоны и гарантируют 100% повторяемость результатов нагрева;

- Конструкция накладки обеспечивает направленное перемещения плазмы в процессе нагрева, создавая на входе избыточное давление плазмы, вынуждая ее перемещаться по направлению к областям с низким давлением, а именно к выходным отверстиям. Это определяет индифферентность системы к пространственной ориентации и позволяет производить нагрев заготовки как снизу или сверху, так и сбоку, что, в свою очередь, значительно расширяет область применения способа;

- Особенность конструкции накладки позволяет обеспечить нагрев заготовки по периметру образующей окружности, что позволяет термоподготовить заготовку для штамповки равнопроходных тройников. Нагрев значительной части заготовки, до половины по периметру образующей окружности, не допускает при этом нагрева зон, не участвующих в формообразовании, тем самым не изменяет их пластичности, а следовательно, сохраняет их жесткость, обеспечивающую сохранность исходной геометрии магистрали;

- Комбинирование геометрических форм накладки и подложки (варьирование размерами их форм друг относительно друга) позволяет при нагревании заготовки из толстостенного металла изменять размеры зоны нагрева металла снаружи заготовки относительно зоны нагрева металла изнутри. Это особенно полезно при оптимизации толщины стенки ответвления в толстостенных тройниках;

- Высокий коэффициент полезного использования энергоносителей в совокупности с величиной мощности применяемых горелок позволяют в широких пределах управлять скоростью нагрева, а конструкция подложки позволяет использование наиболее распространенных хромель-алюмелевых датчиков для контроля текущей температуры, с фиксированием ее значений во времени при помощи традиционных самописцев.

Указанный технический результат достигается в способе трафаретного нагрева заготовки при горячей объемной штамповке стальных тройников для атомной и нефтегазовой отрасли и для тепло-водопроводных сетей, в котором поток плазмы сверху вниз направляют в нагревающий зазор, образованный между поверхностью заготовки и накладкой, имеющей входное отверстие для потока плазмы и формирующей зону распространения потока плазмы и выхода остывшего потока плазмы при помощи закрепленных с ее внутренней стороны с двух сторон от входного отверстия ленточных теплоизоляционных проставок в соответствии с определенной под деформацию формой зоны заготовки, при этом с противоположенной нагревающему зазору стороны внутри заготовки размещают зонообразующую подложку, которая в совокупности с накладкой представляют собой трафарет нагреваемой зоны.

Накладка со стороны нагревающего зазора выполнена из теплоизоляционного материала, а с внешней стороны имеет металлическую основу.

Накладка в поперечном сечении имеет дугообразную форму.

Подложка выполнена из теплоизоляционного материала, закрепленного на металлическом каркасе.

Данный технический результат достигается в системе трафаретного нагрева заготовки при горячей объемной штамповке стальных тройников для атомной и нефтегазовой отрасли и для тепло-водопроводных сетей, содержащей газовоздушную горелку для образования потока плазмы в нагревающем зазоре, образованном между поверхностью заготовки и накладкой, имеющей входное отверстие для потока плазмы и формирующей зону распространения потока плазмы и выхода остывшего потока плазмы при помощи закрепленных с ее внутренней стороны с двух сторон от входного отверстия ленточных теплоизоляционных проставок в соответствии с определенной под деформацию формой зоны заготовки, при этом с противоположенной нагревающему зазору стороны размещена зонообразующая подложка, которая в совокупности с накладкой представляют собой трафарет нагреваемой зоны.

Накладка со стороны нагревающего зазора выполнена из теплоизоляционного материала, а с внешней стороны имеет металлическую основу.

Накладка в поперечном сечении имеет дугообразную форму.

Дополнительно внутри заготовки размещена под формирующей зоной подложка, сформированная в соответствии с геометрией нагрева.

Входное отверстие накладки со стороны газовоздушной горелки по периметру выполнено с отбортовкой в виде тубуса из теплоизоляционного материала.

Подложка выполнена из теплоизоляционного материала, закрепленного на металлическом каркасе.

Трафаретный нагрев заготовки в горячей объемной штамповке нефте-газо-тепло-водопроводных стальных тройников включает в себя накладку (плазмоконфигурирующую), имеющую входное отверстие для факела горелки и выполненную из теплоизоляционного материала (слоя), приподнятого над поверхностью нагреваемой заготовки ленточными теплоизоляционными проставками и образующего совместно с поверхностью заготовки нагревающий зазор, ограниченный ленточными теплоизоляционными проставками, формирующими зону распространения потока плазмы, поступившего через входное отверстие, и формирующими два выходных отверстия по бокам заготовки для выхода остывшей плазмы, передавшей основную часть калорий заготовке, накапливающей поступившие калории за счет недопущения излучения и передачи их окружающему пространству при помощи подложки (зонообразующей), расположенной с противоположенной нагревающему зазору стороны в заготовке.

Нагревающий зазор создают между нагреваемой поверхностью и слоем теплоизоляционного материала, приподнимая его над поверхностью заготовки при помощи ленточных теплоизоляционных проставок, образующих разомкнутый в двух местах периметр, определяющий периметр зоны распространения плазмы. Места размыкания ленточных теплоизоляционных проставок и зазор между нагреваемой поверхностью и теплоизоляционным материалом образуют выходные отверстия.

Создают область избыточного давления плазмы на входе накладки для дальнейшего перемещения потока плазмы в нагревающем зазоре по направлению к выходным отверстиям.

Со стороны, противоположенной периметру зоны распространения потока плазмы, размещают подложку, служащую для предотвращения излучения и передачи в окружающее пространство накопленных металлом заготовки калорий.

Между подложкой и металлом заготовки размещают датчик измерения температуры нагреваемой зоны.

Управляют скоростью нагрева при помощи изменения калорийности (потока плазмы) нагревающей горелки.

Управляют контрастностью нагрева путем изменения размеров геометрических форм накладки и подложки друг относительно друга.

Система для осуществления заявленного способа содержит газовоздушную горелку с естественной или принудительной подачей воздуха, тубус, накладку, формирующую нагревающий зазор, и подложку.

Газовоздушная горелка формирует поток плазмы (факел), направляемый во входное отверстие через тубус.

Тубус выполнен из теплоизоляционного материала и служит для обеспечения дистанции между горелкой и входом в накладку. Выходное отверстие тубуса совмещено с входным отверстием накладки. Дистанция необходима для обеспечения максимума температуры плазмы факела в нагревающем зазоре. Теплоизоляционный материал тубуса не допускает излучения и передачи потоком плазмы калорий в окружающее пространство во время набора температуры по пути следования потока плазмы к входу в накладку. Допускается исключение тубуса из состава системы при использовании газовоздушной горелки с принудительной подачей воздуха, позволяющей в широком диапазоне управлять обогащением или обеднением газовоздушной смеси, тем самым в широком диапазоне управлять дистанцией от горелки до точки максимума температуры факела.

Накладка также выполнена из теплоизоляционного материала, закрепленного на металлической основе - металлической основой наружу. Накладка имеет входное отверстие по центру, с посадочным местом для крепления к ней снаружи тубуса. С внутренней стороны накладки расположены ленточные теплоизоляционные проставки, обеспечивающие необходимый по величине и равномерный по всей поверхности нагрева зазор между поверхностью заготовки и теплоизоляционным материалом. Ленточные теплоизоляционные проставки очерчивают необходимый для распределения потока плазмы периметр, обеспечивая места выхода плазмы из-под накладки наружу, определяя, таким образом, форму распределения потока плазмы по поверхности нагреваемой заготовки.

Поверхности составных частей накладки и тубуса пропитаны и скреплены между собой посредством жидкого стекла, обеспечивающего необходимую механическую и тепловую прочность системы в целом.

При поступлении потока плазмы в нагревающий зазор происходит переход калорий от плазмы к зоне заготовки, контактирующей с ней.

Принцип нагрева основан на накоплении калорий в определенной под деформацию зоне и недопущению передачи их окружающему пространству. С этой целью в систему дополнительно включена подложка. Она также выполнена из теплоизоляционного материала и так же, как и накладка, закреплена на металлическом каркасе, сформованном таким образом, чтобы обеспечить плотное прилегание подложки к внутренней поверхности заготовки в месте осевого совмещения с накладкой, но с противоположенной ей стороны заготовки.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен основной принцип трафаретного нагрева; на фиг.2 - вид накладки с внутренней стороны; на фиг.3 - общий вид трафаретного нагрева в сборе, вид с торца заготовки; на фиг.4 - подложка, вид снизу.

Как видно из фиг.1 система трафаретного нагрева заготовки при горячей объемной штамповке стальных тройников для атомной и нефтегазовой отрасли и для тепло-водопроводных сетей состоит из газовоздушной горелки 1, расположенной сверху. Горелка 1 позиционирована таким образом, чтобы ее поток плазмы (факел) 2 имел направление сверху-вниз. Поток плазмы 2 через тубус 3 направляется во входное отверстие 10 накладки (фиг.2).

Через входное отверстие 10 поток плазмы 2 попадает в нагревающий зазор, образованный снизу поверхностью заготовки 7, а сверху - теплоизоляционным материалом 5, обеспечивающим накопление металлом заготовки калорий, путем недопущения излучения и передачи их в окружающее пространство (нагревание происходит за счет недопущения излучения и передачи калорий в окружающее пространство), и закрепленным на металлической основе 4, а по бокам ленточными теплоизоляционными проставками 6. Попав в нагревающий зазор, поток плазмы 2 заполняет все его пространство, двигаясь по направлению от входного отверстия 10 к выходным отверстиям 8 (выход остывшего потока плазмы 2), между концами проставок 6. В процессе перемещения по нагревающему зазору поток плазмы 2 передает свои калории заготовке 7 и выходит через выходные отверстия 8, оставив основную массу калорий на поверхности заготовки 7. Происходит передача калорий от потока плазмы 2 заготовке 7.

С целью оптимизации нагрева производится настройка режима работы горелки 1, сводящаяся к регулировке подачи воздуха в горелку для обеспечения минимального выхода потока плазмы за пределы нагревающего зазора через выходные отверстия 8. Такой режим обеспечивает максимальное сгорание газовоздушной смеси в периметре нагревающего зазора, а следовательно, и максимальную калорийность плазмы в зазоре.

Полученные заготовкой 7 калории на площади контакта ее с потоком плазмы со стороны накладки (фиг.2) сохраняются и дополнительно конфигурируются с противоположенной стороны подложкой (фиг.4), повторяющей форму нагревающего зазора и обеспечивающей аккумулирование заготовкой калорий в зоне будущей деформации. Подложка выполнена из теплоизоляционного материала 11, закрепленного на металлическом каркасе 12. Контроль температуры нагрева производится с помощью термопары, размещенной между подложкой и заготовкой.

Таким образом, происходит трафаретное распределение калорий по поверхности заготовки при помощи накладки с последующей трафаретной консолидацией на противоположенной стороне при помощи подложки.

Форма размещения проставок 6 на накладке находится в строгом соответствии с формой подложки и определяется зоной, необходимой для штамповки. Таким образом, при использовании системы трафаретного нагрева формируются технологические пары, состоящие из накладки и подложки для каждого типоразмера, независимо от толщины стенки заготовки.

Позиционирование проставок и изготовление подложек производится по заранее изготовленным лекалам, которые, как правило, представляют собой проекцию ответвления на магистраль конкретного типоразмера. Эти же лекала используются для восстановления износившихся технологических пар.

В качестве теплоизоляционного материала в системе применяются маты из базальтового волокна с рабочей температурой 1500 градусов. В качестве металлической основы и каркаса используется перфорированный листовой металл. Для скрепления элементов технологических пар и поверхностного упрочнения теплоизоляционного материала применяется жидкое стекло. С целью уменьшения износа теплоизоляционного материала при позиционировании накладки в конструкции применены ограничивающие болты 9, которые не допускают смятия проставок и дополнительно могут обеспечивать необходимый нагревающий зазор.

Трафаретный нагрев был опробован при производстве стальных тройников с диаметрами от 273 до 1420 мм. Поток (низкотемпературной) плазмы из газовоздушной горелки направляется в нагревающий зазор, образованный поверхностью заготовки и теплоизоляционным материалом, имеющий периметр в строгом соответствии с определенной под деформацию зоной, представляющей собой проекцию наружного диаметра ответвления на магистраль.

Заявленное изобретение обеспечивает плавный, равномерный, контрастный нагрев определенной технологической задачей области заготовки. Высокая степень повторяемости результатов нагрева обеспечивает высокую точность геометрии и температуры, что позволяет применять трафаретный нагрев (трубной заготовки или вальцованной обечайки) в широком спектре технологий горячей объемной штамповки нефте-газо-тепло-водопроводных стальных тройников.