Исследование и совершенствование процессов производства нефтяных труб диаметром 73-219 мм на трубопрокатных агрегатах с пилигримовым станом с целью улучшения их качества

Наша страна обладает огромным потенциалом по производству труб широкого сортамента — в целом производственные мощности трубных заводов имеют возможность выпуска до 15 млн. т труб в год. Еще совсем недавно, в 1990 году Советский Союз производил 21 млн. т, в том числе 10,5 млн. т изготавливалось на заводах России /1−4/. Но уже тогда наблюдалось некоторое отставание от наиболее развитых промышленных стран по качеству продукции и экономическим показателям.

Сегодня совершенно ясно, что экономическое и социальное возрождение России немыслимо без подъема трубного производства — базовой отрасли, от состояния которой зависит научно-технический уровень топливно-энергетического комплекса, машиностроения, строительства, производства товаров широкого потребления, оборонный потенциал государства /5/.

Только повышение качества труб, освоение новых ресурсосберегающих технологий их производства могут решить проблему полного обеспечения страны трубами широкого сортамента. Важную роль играет совершенствование структуры трубной продукции в результате расширения выпуска труб нефтяного сортамента (буровых, обсадных, насосно-компрессорных), труб из коррозионностойких сталей и сталей с повышенной хладостойкостью, экономичных сварных труб. Следует отметить, что развитие трубной индустрии возможно на основе теоретического и технологического наследия, оставленного нам основоположниками отечественного трубного дела и их продолжателями /6−38/.

Чтобы лучше понять проблемы сегодняшнего дня полезно обратиться к истории /1−4/.В России интенсивное промышленное производство труб началось в конце 19 века, когда на Юге страны возник новый металлургический район, развивавшийся в основном за счет иностранного капитала. Началу производства бесшовных труб в России положил Екатеринославский металлургический завод, где был установлен стан Фасселя. Затем трубопрокатные установки появились на Нижнеднепровском, Брянском и Ижорском заводах. В 1913 году заводами России было изготовлено 67 тыс. т стальных труб, из них 55 тыс. т сварных и 12 тыс. т бесшовных (это составило около 2% от всего производимого в стране проката).

Исторические нестроения начала прошлого века (революция, гражданская война, разруха) привели к тому, что в 1919 году было произведено только 4,1 тыс. т труб. В числе новостроек первых пятилеток было немало объектов трубного производства. Трубопрокатные агрегаты сооружались на заводах Юга, Урала и Центра. В первой пятилетке были построены Ждановский им. Куйбышева, Харцызский, Московский, Ленинградский трубные заводы, начато строительство Никопольского и Первоуральского заводов. Значительно расширено производство на Таганрогском заводе. Во второй пятилетке начали работать Первоуральский новотрубный и Никопольский южнотрубный заводы, построены новые цехи на заводах им. К. Либкнехта и им. Куйбышева, на Выксунском, Таганрогском и Московском трубных заводах и др. Трубное производство Советского Союза базировалось на новом отечественном оборудовании. Все эти годы опережающими темпами развивалось производство бесшовных труб и в 1934 году выпуск бесшовных труб превысил производство сварных. В 1940 году только предприятия Наркомата черной металлургии произвели около 1 млн. тонн труб. Накануне Великой Отечественной войны наша страна по производству труб вышла на второе место в Европе (после Германии). Около 94% всех труб давали заводы Юга и Центра, с началом войны ряд заводов были перебазированы с Юга на Урал, который стал основным производителем труб для оборонной промышленности. Интенсивно расширяют производство Первоуральский старотрубный, новотрубный и Синарский заводы. В Челябинске в кратчайший срок возводится мощный трубопрокатный завод. Уже в 1947 году был достигнут, а в 1948 годы превзойден довоенный выпуск труб.

В послевоенные годы одновременно с восстановлением старых заводов строятся новые в Баку и Закавказье, предназначенные для производства нефтяных труб в непосредственной близости к районам их потребления. Трубная промышленность развивалась значительно интенсивнее остальных подотраслей металлургии. По объему производства труб СССР в 1957 году выходит на второе место в мире (после США), а в 1962 году — на первое место в мире. Совершенствуется и структура производства труб: возрастает доля более экономичного вида труб — сварных. В 1982 году доля сварных труб составила 63%.

С развитием добычи нефти и газа возникла и стала быстро нарастать потребность в высокопрочных бурильных трубах и трубах дня магистральных нефтеи газопроводов.

К середине 80-х годов прошлого века наша страна обладала самой мощной в мире трубной индустрией, производившей около 20 млн. тонн самых разнообразных труб, обеспечивая все отрасли хозяйства. Общая протяженность подземных трубопроводов России (для газои нефтепродуктов, горячего и холодного водоснабжения и др.) в настоящее время составляет около 2 млн. километров.

Политический и экономический кризис, политика, так называемой, перестройки и последующие разрушительные дня страны новации привели к тому, что сегодня мы производим только 5 млн. тонн труб, импортируя при этом значительное количество труб, особенно труб большого диаметра (около 30% потребления труб приходится на импорт).

Исключительной важностью обладает повышение долговечности труб в результате нанесения защитных покрытий (наружных и внутренних, металлических и полимерных), наносимых в процессе производства. К сожалению, в России доля труб с покрытиями не превышает 10% от их общего производства. В развитых промышленных странах этот показатель в несколько раз выше.

Таганрогскому металлургическому заводу отводится особая роль в совершенствовании сортамента и повышении качества труб /40−41/. Сегодня ОАО «Тагмет» — стабильно работающее и интенсивно развивающееся предприятие. Прочное положение предприятия на рынке трубной продукции определяется следующими основными факторами: наличием собственного сталеплавильного производства, значительным производством бесшовных труб широкого сортамента по стандартам API, производством обсадных труб с эксклюзивными видами высокогерметичных резьбовых соединений, наличием значительных мощностей по производству сварных труб и по горячему цинкованию труб.

Удобное географическое положение Таганрога на берегу Азовского моря обеспечивает поставки труб с небольшими затратами как потребителям на внутреннем рынке, так и в страны СНГ (Украина, Белоруссия, Закавказье), страны Ближнего Востока и Европы.

В настоящее время бесшовные трубы на Тагмете получают на пилигри-мовых станах из мартеновской стали. Рост требований к качеству труб делает необходимым переход на более совершенные методы производства стали и обработки металла давлением, что возможно только при глубокой реконструкции сталеплавильного и прокатного производства. С 2000 года завод приступил к поэтапному техническому переворужению. Научной базой для технико-экономического обоснования всего комплекса работ явились проведенные нами исследования в области совершенствования процессов выплавки и разливки трубной стали, прошивки и прокатки заготовки, процессов производства сварных труб с защитным покрытием.

Актуальность работы вытекает из необходимости совершенствования современных технологий производства важнейшего вида металлопродукции — бесшовных труб, повышения их качества, что позволит значительно расширить возможности технического и технологического прогресса во многих ведущих отраслях человеческой деятельности. Применение труб с новым комплексом свойств инициирует развитие техники, решает ряд важнейших экологических проблем.

Крупную (по значению и объему производства) группу труб представляют трубы нефтяного сортамента, производство которых на отечественных предприятиях решает не только технические и экономические задачи, но и задачи политические, так как России принадлежит особая роль в обеспечении энергетическими ресурсами своих соседей и союзников — многих европейских и азиатских государств.

Наиболее эффективные способы их производства — прошивка непрерыв-нолитой заготовки на стане винтовой прокатки с последующей прокаткой гильзы на непрерывном или пилигримовом станах. Эти способы обладают высокой производительностью, хорошо поддаются механизации и автоматизации, обеспечивают высокое качество продукции и хорошие условия труда, почти безупречны в экологическом отношении.

Цель и задачи работы. Разработка и освоение промышленных технологий производства бесшовных труб нефтяного сортамента на трубопрокатных агрегатах с пилигримовым станом. Указанная цель достигается решением следующих задач:

— разработка математической модели процесса зацентровки и калибровки труб, позволяющей анализировать характер течения металла в очаге деформации, прогнозировать размеры и форму торцевой части заготовки и на основании полученных результатов предлагать технологические режимы, обеспечивающие минимальную разностенность передних концов гильз;

— совершенствование технологии прошивки слитков большого диаметра на основе исследования закономерностей износа инструмента прошивного стана и анализа деформационно-скоростных параметровразработка новой калибровки инструмента прошивного стана (валков и оправок) — исследование влияния технологической смазки на износостойкость дорнов и качество внутренней поверхности труб, а также исследование тепловых условий при пилигримовой прокатке;

— разработка и освоение промышленных технологий производства труб нефтяного сортамента из сталей марок 32Г2, 32Г2М, 15ХФА, 25ХГМА и др.

Научная новизна. С использованием вариационного метода на основе принципа минимума мощности пластической деформации и кинематически возможного поля скоростей разработана модель процесса зацентровки, создана программа для расчета параметров процесса зацентровки.

Экспериментально установлены закономерности износа инструмента прошивного стана винтовой прокатки (валков и оправок). Показано, что высокая износостойкость оправки может быть достигнута с помощью рационального выбора материала и наплавки рабочей поверхности инструмента жаропрочным сплавом, выбора режимов, обеспечивающих минимальное время прошивки, конструкцией и калибровкой инструмента, обеспечивающих интенсивный отвод тепла от оправки. Определено влияние технологической смазки на износостойкость дорнов и качество внутренней поверхности труб при пилигримовой прокаткеразработан смазочный состав, применение которого позволило повысить качество внутренней поверхности труб и снизить токовые нагрузки на двигатель пилигримового стана.

Установлен характер изменения температуры заготовки на всех этапах технологии: в печи слиток нагревается равномерно, существенной разницы в качестве нагрева в методической и кольцевой печах не обнаруженоснижение температуры на участке от печи до прошивного стана незначительнодлительная транспортировка гильзы от прошивного стана до пилигримового стана и процесс пильгерования вызывают большие теплопотери (снижение температуры металла до 150 °С), особенно на наружной поверхности гильз, что может вызвать перегрузку станов и ухудшение качества продукции.

Практическая значимость. Разработано устройство для калибровки и зацентровки слитков в виде трехвалковой рабочей клети. Устройство позволит обжимать непрерывнолитую заготовку диаметром 400 мм до диаметра 360 и 340 мм с одновременным нанесением зацентровочного отверстия диаметром 60−80 мм на глубину до 100 мм. Таким образом достигается уменьшение числа типороазмеров отливаемых заготовок и повышается эффективность работы MHJI3 (уменьшается число кристаллизаторов, сокращаются потери времени на переналадку машины при переходе на отливку заготовки другого диаметра). Внедрен метод точной порезки заготовки на пилах, позволивший значительно снизить неперпендикулярность торца заготовки и эксцентриситет центрирующего отверстия.

Разработана новая калибровка валков и оправок, позволившая уменьшить время прошивки на 12,5% (с 40 до 35 с) по сравнению с прошивкой на инструменте с заводской калибровкой.

Разработано и внедрено устройство для подачи смазочного состава на внутреннюю поверхность гильзы перед пилигримовым станом.

Усовершенствованы и освоены в промышленном производстве ресурсосберегающие технологии производства нефтяных труб (обсадных и магистральных) диаметром 73−219 мм из сталей марок 32Г2, 32Г2М, 15ХФА, 25ХГМА и др. для ведущих отраслей промышленности (нефтедобычи и нефтепереработки), позволившие решить актуальные технические, технологические и экологические проблемы как производителей, так и потребителей.

Внедрение разработанных технологий и получаемой в соответствии с ними продукции в промышленное производство позволило получить существенный технический и экономический эффект.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на: семинарах и совещаниях, проводившихся на ОАО «Тагмет», конгрессе прокатчиков, международных конференциях в г. Краматорске, г. Челябинске, г. Никополе, в институтах: МИСиС, ФГУП «ЦНИИчермет», ОАО «Институт цветметобработка», на ведущих трубных предприятиях.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 статьях.

Общие выводы по работе.

1. Разработана модель процесса зацентровки заготовки, выполненная вариационным методом, основанным на принципе минимума мощности пластической деформации и кинематически возможном поле скоростейэкспериментальные исследования процесса зацентровки подтвердили работоспособность созданной модели.

2. Применительно к условиям ОАО «ТАГМЕТ» разработано устройство для калибровки и зацентровки слитков в виде трехвалковой рабочей клети, которое позволяет устранять конусность слитков всех типоразмеров и зацентровывать заготовку бойком диаметром 60−80 мм на глубину до 100 мм.

3. В результате исследования износа инструмента прошивного стана установлено, что износ валков происходит в результате «высверливания» валка острыми кромками торца невращающейся в момент подачи в стан ь, заготовкиэто усугубляется также наличием окалины, действующей в качестве абразивного материала. Показано, что высокая износостойкость оправки может быть достигнута с помощью рационального выбора материала и наплавки рабочей поверхности жаропрочным сплавом, выбором режимов, обеспечивающих минимальное время прошивки, конструкцией и калибровкой, обеспечивающих интенсивный отвод тепла от оправки.

4. Разработаны рекомендации по калибровке рабочих валков и оправок прошивного стана. Установлено, что время прошивки с использованием валков новой калибровки уменьшилось на 12,5% (с 40 до 35 с) по сравнению с прошивкой на валках с заводской калибровкой, значительно снизился брак труб по внутренним пленам.

5. Установлено влияние технологической смазки на стойкость дорнов и качество внутренней поверхности труб при пилигримовой прокатке. Разработаны смазочный состав и установка для его нанесения на внутреннюю поверхность гильзы. Использование разработанного смазочного состава позволило снизить нагрузки на двигатель пильгерстанов в среднем на 1820%- при этом заметно повысилось качество внутренней поверхности труб, увеличилась стойкость дорнов и производительность стана.

6. Определен характер изменения температуры заготовки на всех этапах технологии: наиболее значительно снижение температуры на участке от прошивного до пилигримового стана и в процесс пильгерования (снижение температуры металла до 150 °С), что может вызвать перегрузку станов и ухудшение качества продукции. Для снижения потерь тепла предложено применить теплосохраняющие устройства.

В результате принятых рекомендаций по усовершенствованию процессов прошивки заготовки и прокатки труб нефтяного сортамента из легированных сталей на ОАО «ТАГМЕТ» получен значительный экономический и технический эффект. В частности, статистический анализ результатов работы завода за последние два года показал, что число рекламаций заказчиков по поводу несоответствия эксплуатационных свойств поставляемых нефтяных труб требованиям технических условий снизилось на 20%.