Способ и установка для производства длинномерных многослойных биметаллических труб большого диаметра для транспортировки углеводородов с повышенным содержанием серы

Способ и установка для производства длинномерных многослойных биметаллических труб большого диаметра для транспортировки углеводородов с повышенным содержанием серы

Реферат

Изобретения относится к трубопрокатному производству, а именно к способу производства длинномерных многослойных биметаллических труб большого диаметра для транспортировки углеводородов с повышенным содержанием серы и установке для его осуществления, т.е. к составу оборудования.

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 (авторское свидетельство 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 овализация 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)°С 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 проблему повышенной стойкости к обшей и язвенной коррозии, стойкости к сульфидному коррозионному растрескиванию, образованию водородных трещин и лавинных разрушений металла труб большого диаметра, предназначенных для строительства и эксплуатации нефтегазопроводов в условиях северной климатической зоны и морской воде, при температуре окружающей среды от минус 60° до плюс 40°С с температурой транспортируемых сред от минус 20°С до плюс 40°С. Лавинные разрушения выводят из строя трубопроводные системы, представляют серьезную опасность для обслуживающего персонала и окружающей среды. Для защиты от атмосферной коррозии и морской воды применяют многослойные полиэтиленовые покрытия.

В трубном производстве известен способ изготовления труб большого и среднего диаметров из хладостойких и коррозионностойких марок стали 20ФА, 13ХФА, 09Г2С, 06Х1НФА и др. с повышенными эксплуатационными свойствами против сульфидного коррозионного растрескивания и образования водородных трещин (патент РФ №2306992, кл. В21В 21/00, В21В 21/04, бюл. №27 от 27.09.2007 г. ).

Данный способ повышает стойкость труб к общей и язвенной коррозии, к сульфидному коррозионному растрескиванию и образованию водородных трещин, но не решает проблему предотвращения лавинных разрушений при увеличении мощности трубопроводов для транспортировки углеводородов не только в сложных климатических условиях, но и в обычных. Использование данных марок стали для изготовления сварных труб большого диаметра с повышенными толщинами стенок приводит к значительному повышению металлоемкости и их стоимости.

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, не решает проблему предотвращения лавинных разрушений при увеличении мощности трубопроводов для транспортировки углеводородов не только в сложных климатических условиях, но и в обычных, т.е. не решает технические, технологические и экологические вопросы транспортировки углеводородов с повышенным содержанием серы 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. В21В 21/00, бюл. №3, 27.01.2006 г. ).

Недостатком данного способа, так же 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 с повышенным содержанием серы под давлением на большие расстояния в морских агрессивных средах.

Задачей предложенного способа и установки для его осуществления является производство длинномерных многослойных биметаллических труб большого диаметра с повышенным ресурсом эксплуатации в агрессивных средах для транспортировки углеводородов с повышенным содержанием серы на большие расстояния с повышенными давлениями, исключение образования лавинных разрушений, снижение металлоемкости трубопроводов, повышение их экологической безопасности, снижение металлоемкости и энергоемкости оборудования для их производства, а следовательно, снижение их стоимости.

Технический результат достигается тем. что в известном способе производства длинномерных многослойных биметаллических труб большого диаметра для транспортировки углеводородов с повышенным содержанием серы, включающем поперечную сварку биметаллических труб-заготовок, отличающемся тем, что биметаллические трубы-заготовки производят намоткой на вращающийся барабан-шпулю биметаллических по длине листов-штрипсов с плакирующим наружным и/или внутренним слоями из коррозионностойких сталей, длину которых определяют из выражений: L=πn[D_i-(n-1)δ]+h - общая длина листа-штрипса для производства многослойной биметаллической трубы i-го диаметра, мм; L₁=1,1πD_вн.+h, где D_вн.=(D_i-2nδ) - длина переднего конца листа-штрипса из коррозионно-стойкой стали для образования внутреннего плакирующего слоя многослойных биметаллических труб, мм; L₂=L-L₁-L₃ - длина средней части биметаллического листа-штрипса из углеродистой стали при производстве многослойных труб с наружным и внутренним плакирующими слоями, мм; L₃=1,2πD_i - длина заднего конца листа-штрипса из коррозионно-стойкой стали для образования наружного плакирующего слоя многослойных биметаллических труб, мм; L₄=L-L₁ - длина углеродистой части листа-штрипса для производства многослойных биметаллических труб-заготовок с внутренним плакирующим слоем из коррозионно-стойкой стали, мм; L₅=L-L₃ - длина углеродистой части биметаллического листа-штрипса для производства многослойных биметаллических труб-заготовок с наружным плакирующим слоем из коррозионностойкой стали, мм; n - количество слоев при изготовлении многослойных биметаллических труб-заготовок, шт.; D_i - номинальный наружный диаметр многослойной биметаллической трубы-заготовки, мм; δ - номинальная толщина стенки биметаллического листа-штрипса, мм; h - длина переднего конца биметаллического листа-штрипса для заправки в паз барабана-шпули, мм, при этом после намотки листа-штрипса на барабан-шпулю производят сварку - сплавление концов слоев по радиусу, от наружной поверхности трубы-заготовки к внутренней, а после снятия многослойной биметаллической трубы-заготовки с барабана-шпули производят продольную сварку торца листа-штрипса из коррозионно-стойкой стали с наружной поверхностью трубы-заготовки и оплавление или фрезерование с последующей продольной сваркой внутренней кромки - затравочного конца листа-штрипса из коррозионно-стойкой или углеродистой стали, сварку производят под слоем флюса проволокой-электродом из стали, соответствующей стали плакирующего слоя, многослойную биметаллическую трубу-заготовку по отводному рольгангу передают в отделку и производят плазменную обработку слоев листа-штрипса с нанесением фаски под сварку, многослойные биметаллические трубы-заготовки стыкуют и сваривают в трубы-плети длиной 12-18 м, производят экспандирование, УЗК, маркировку и приемку, сварку производят электродами из сталей марок, соответствующих плакирующим слоям биметаллических труб-заготовок, перед намоткой листа-штрипса на поверхность барабана-шпули для снижения коэффициента трения при снятии многослойной биметаллической трубы-заготовки наносят смазку.

Установка для производства многослойных биметаллических труб-заготовок большого диаметра для транспортировки углеводородов с повышенным содержанием серы, содержащая барабан-шпулю, участок для сборки - сварки и фрезеровки сварных швов биметаллических по длине листов-штрипсов, привод вращения барабана-шпули, шестеренную клеть, стационарный кожух, рычаг, перемещающийся по горизонтальной плоскости, винтовой привод с червячным редуктором для горизонтального перемещения рычага, крышку с упорным подшипником и механизмом крепления к стационарному кожуху, установку для радиальной и горизонтальной сварки слоев биметаллических труб-заготовок, подводящий рольганг с правильно-натяжным устройством и отводящий рольганг, при этом барабан-шпуля имеет приводную и холостую шейки, а по наружному диаметру барабана-шпули, равному внутреннему диаметру многослойной биметаллической трубы-заготовки, выполнен паз с геометрическими размерами, определяемыми из выражений L=В+Δ, l=(1,1-1,2)δ, h=(0,8-1,0)δ, где L - длина паза, мм; В - номинальная ширина биметаллических листов-штрипсов, мм; Δ - припуск на ширину биметаллических листов-штрипсов, мм; δ - номинальная толщина стенки биметаллического листа-штрипса, мм; l - ширина паза для заправки переднего конца биметаллического листа-штрипса. мм; h - глубина паза, мм, приводная шейка барабана-шпули через редуктор соединена с приводом, а холостая шейка - с крышкой, шарнирно прилегающей к стационарному кожуху, в которой установлен упорный подшипник, холостой конец приводного барабана-шпули размещен в упорном подшипнике, установленном в крышке, шарнирно прилегающей к стационарному кожуху, выполненной с возможностью закрепления механизмом-затвором в момент намотки биметаллических листов-штрипсов на барабан-шпулю, по внутреннему диаметру стационарного кожуха, равному наружному диаметру многослойной биметаллической трубы, выполнен паз для задачи в паз барабана-шпули листов-штрипсов и перемещения рычага для снятия трубы-заготовки с барабана-шпули и выдачи из стационарного кожуха, при этом ширину паза стационарного кожуха B_n определяют из выражения: B_n=В+(0,2-0,5)δ, где В - толщина упора рычага, мм; δ - номинальная толщина листа-штрипса, мм, рычаг для снятия многослойной биметаллической трубы-заготовки с барабана-шпули выполнен в виде цилиндра с упором, размеры которого определяют из выражений: D_н=D_вн.к.-(1,0-1,5)δ, D_в=D_б+(1,0-1,5)δ, В=B_n-(0,2-0,5)δ, L=(200-250) мм, 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 листа-штрипса, мм; D_вн.к. - внутренний диаметр стационарного кожуха, мм; В - толщина упора рычага, мм; L - ширина упора рычага, мм; B_n - ширина паза стационарного кожуха, мм, сторона паза барабана-шпули по ходу вращения выполнена с шероховатостью R_z≤10 мкм, а противоположная сторона с R_z≥100 мкм.

Именно заявляемая установка для производства многослойных биметаллических труб-заготовок, размещение и компановка механизмов обеспечивают согласно способу производство качественных длинномерных многослойных биметаллических труб большого диаметра с повышенным ресурсом эксплуатации в агрессивных средах 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 биметаллических труб размером 1020×24×12000 мм из листовых биметаллических листов-штрипсов размером 4000×3 мм сталей 08Х18Н10Т и 17ГСУ. В соответствии с п. 1 формулы изобретения определяем длину листовых биметаллических штрипсов, необходимую для производства труб-заготовок размером 1020×24×4000 мм, L=πn[D_i-(n-1)δ]+h=3,14×8[1020-(8-1)×3]+3=25098 мм, L₁=1,1π(D_i-2nδ)+h=1,1×3,14(1020-2×8×3)+3=3416 мм, L₃=1,1πD_i=3,14×1,1×1020=3523 мм, длину листа из стали 17ГСУ определим из выражения 25098-3416-3523=18159 мм.

Для производства биметаллических труб-заготовок размером 1020×24×4000 мм используем биметаллические по длине листы-заготовки размером 4000×3×25098 мм, состоящие из стали 08Х18Н10Т длиной 3416 мм для внутренней плакировки, стали 17ГСУ длиной 18159 мм для формирования основной толщины стенки и стали 08Х18Н10Т длиной 3523 мм для наружной плакировки труб. Биметаллические листы сваривают и фрезеруют сварные швы на участке для сборки биметаллических листов-штрипсов.

Биметаллический лист-штрипс размером 4000×3×25098 мм укладывают на рольганг правильно-натяжного устройства, подают через паз стационарного кожуха и заправляют в паз барабана-шпули. Внутренний диаметр стационарного кожуха равен наружному диаметру многослойной биметаллической трубы. Наружный диаметр барабана-шпули равен внутреннему диаметру многослойной биметаллической трубы-заготовки, а именно 1020-2×24=972 мм. После заправки биметаллического листа-штрипса в паз барабана-шпули закрывают крышку с упорным подшипником, включают двигатель с предельным моментом привода барабана-шпули, который через шестеренную клеть (редуктор) приводит во вращение барабан-шпулю и начинает наматывать биметаллический лист-штрипс на барабан-шпулю. Процесс намотки производят до полного заполнения стационарного кожуха, т.е. до входа заднего конца биметаллического листа-штрипса в стационарный кожух. При заполнении стационарного кожуха процесс намотки приостанавливают. Открывают крышку с упорным подшипником. Для сцепления листов биметаллической трубы-заготовки установкой сварки производят 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, начинают снимать многослойную биметаллическую трубу-заготовку с барабана-шпули и производить продольную сварку торца листа стали 08Х18Н10Т с наружной поверхностью биметаллической трубы-заготовки под слоем флюса. После снятия и выдачи трубы-заготовки на рольганг производят сварку-сплавление второго торца трубы-заготовки, аналогично первому. Биметаллическая труба-заготовка по рольгангу поступает в отделочную часть цеха, где производят оплавление или фрезерование затравочного конца листа-штрипса стали 08Х18Н10Т с последующей продольной сваркой внутренней кромки биметаллической трубы-заготовки. В отделочной части торцы труб-заготовок подвергают плазменной обработке с последующим нанесением фаски под сварку. После нанесения фаски для сцепления торцов биметаллических слоев труб-заготовок производят напыление сталью 08Х18Н10Т. Многослойные биметаллические трубы-заготовки стыкуют и сваривают в трубы плети длиной 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 биметаллические трубы большого диаметра из разных марок стали и сплавов, а применение их при прокладке трубопроводов с повышенным ресурсом эксплуатации в агрессивных средах по дну морей для транспортировки углеводородов с повышенным содержанием серы, по сравнению с прямошовными трубами с полиэтиленовым покрытием, позволит значительно повысить срок их эксплуатации, 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 длинномерных биметаллических 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 длинномерных многослойных биметаллических труб менее металлоемок, энергоемок и менее сложен в изготовлении. Способ производства длинномерных многослойных биметаллических труб большого диаметра не требует больших капитальных вложений в строительство металлоемких и энергоемких цехов для производства широкополосных листов с толстыми стенками, как станы 5000, и установок для многослойного полиэтиленового покрытия труб, которое требует бережного отношения при транспортировке, монтаже, прокладке труб в траншеи и по дну морей на больших глубинах.

1. Способ производства длинномерных многослойных биметаллических труб большого диаметра для транспортировки углеводородов с повышенным содержанием серы, включающий поперечную сварку биметаллических труб-заготовок, отличающийся тем, что биметаллические трубы-заготовки производят намоткой на вращающийся барабан-шпулю биметаллических по длине листов-штрипсов с плакирующими наружным и/или внутренним слоями из коррозионностойких сталей, длину которых определяют из выражений:L=πn[D_i-(n-1)δ]+h - общая длина листа-штрипса для производства многослойной биметаллической трубы i-го диаметра, мм;L₁=l,1πD_вн.+h, где D_вн=(D_i-2nδ) - длина переднего конца листа-штрипса из коррозионностойкой стали для образования внутреннего плакирующего слоя многослойных биметаллических труб, мм;L₂=L-L₁-L₃ - длина средней части листа-штрипса из углеродистой стали при производстве многослойных труб с наружным и внутренним плакирующими слоями, мм;L₃=1,2πD_i - длина заднего конца листа-штрипса из коррозионностойкой стали для образования наружного плакирующего слоя многослойных биметаллических труб, мм;L₄=L-L₁ - длина углеродистой части листа-штрипса для производства многослойных биметаллических труб-заготовок с внутренним плакирующим слоем, мм;L₅=L-L₃ - длина углеродистой части биметаллического листа-штрипса для производства многослойных биметаллических труб-заготовок с наружным плакирующим слоем, мм;n - количество слоев при изготовлении многослойных биметаллических труб-заготовок, шт.;D_i - номинальный наружный диаметр многослойной биметаллической трубы-заготовки, мм;δ- номинальная толщина листа-штрипса, мм;h - длина переднего конца листа-штрипса для заправки в паз барабана-шпули, мм, при этом после намотки листа-штрипса на барабан-шпулю производят сварку - сплавление концов слоев по радиусу, от наружной поверхности трубы-заготовки к внутренней, а после снятия многослойной биметаллической трубы-заготовки с барабана-шпули производят продольную сварку торца листа-штрипса из коррозионностойкой или углеродистой стали с наружной поверхностью трубы-заготовки и оплавление или фрезерование с последующей продольной сваркой внутренней кромки - затравочного конца листа-штрипса из коррозионностойкой или углеродистой стали.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сварку производят под слоем флюса проволокой-электродом из стали, соответствующей стали плакирующего слоя.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что многослойную биметаллическую трубу-заготовку по отводящему рольгангу передают на отделку и производят плазменную обработку слоев листа-штрипса с нанесением фаски под сварку.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что многослойные биметаллические трубы-заготовки стыкуют и сваривают в трубы-плети длиной 12-18 м, производят экспандирование, УЗК, маркировку и приемку.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что сварку производят электродами из сталей марок, соответствующих стали плакирующих слоев биметаллических труб-заготовок.

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

7. Установка для производства многослойных биметаллических труб-заготовок большого диаметра для транспортировки углеводородов с повышенным содержанием серы, отличающаяся тем, что она содержит барабан-шпулю, участок для сборки - сварки и фрезеровки сварных швов биметаллических по длине листов-штрипсов, привод вращения барабана-шпули, шестеренную клеть, стационарный кожух, рычаг, перемещающийся по горизонтальной плоскости, винтовой привод с червячным редуктором для горизонтального перемещения рычага, крышку с упорным подшипником и механизмом крепления к стационарному кожуху, установку для радиальной и горизонтальной сварки слоев биметаллических труб-заготовок, подводящий рольганг с правильно-натяжным устройством и отводящий рольганг, при этом барабан-шпуля имеет приводную и холостую шейки, а по наружному диаметру барабана-шпули, равному внутреннему диаметру многослойной биметаллической трубы-заготовки, выполнен паз с геометрическими размерами, определяемыми из выражений:L=B+Δ,l=(1,1-1,2)δ,h=(0,8-l,0)δ,где L - длина паза, мм;В - номинальная ширина биметаллических листов-штрипсов, мм;Δ - припуск на ширину биметаллических листов-штрипсов, мм;δ - номинальная толщина листа-штрипса, мм;l - ширина паза для заправки переднего конца биметаллического листа - штрипса, мм;h - глубина паза, мм.

8. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что приводная шейка барабана-шпули через редуктор соединена с приводом, а холостая шейка - с крышкой, шарнирно прилегающей к стационарному кожуху, в которой установлен упорный подшипник.

9. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что холостой конец приводного барабана-шпули размещен в упорном подшипнике, установленном в крышке, шарнирно прилегающей к стационарному кожуху, выполненной с возможностью закрепления механизмом-затвором в момент намотки биметаллических листов-штрипсов на барабан-шпулю.

10. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что по внутреннему диаметру стационарного кожуха, равному наружному диаметру многослойной биметаллической трубы, выполнен паз для задачи в паз барабана-шпули листов-штрипсов и перемещения рычага для снятия трубы-заготовки с барабана-шпули и выдачи из стационарного кожуха, при этом ширину паза стационарного кожуха B_n определяют из выраженияB_n=В+(0,2-0,5)δ,где В - толщина упора рычага, мм;δ - номинальная толщина листа-штрипса, мм.

11. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что рычаг для снятия многослойной биметаллической трубы-заготовки с барабана-шпули выполнен в виде цилиндра с упором, размеры которого определяют из выражений:D_н=D_вн.к.-(1,0-1,5)δ,D_в=D_б+(1,0-1,5)δ,В=B_n-(0,2-0,5)δ,L=(200-250) мм,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 листа-штрипса, мм;D_вн.к. - внутренний диаметр стационарного кожуха, мм;В - толщина упора рычага, мм;L - ширина упора рычага, мм;B_n - ширина паза стационарного кожуха, мм.

12. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что сторона паза барабана-шпули по ходу вращения выполнена с шероховатостью R_z≤10 мкм, а противоположная сторона - с R_z≥100 мкм.