PL443852A1 - Sposób wytwarzania rur spawanych ze szwem wzdłużnym obrobionych cieplnie ze stali wielofazowych - Google Patents

Abstract

Sposób wytwarzania rur spawanych ze szwem wzdłużnym obrobionych cieplnie ze stali wielofazowych, polega na uformowaniu z taśmy rury szczelinowej, jej zgrzaniu elektrycznie metodą prądów wysokiej częstotliwości, a następnie obrobieniu cieplnie rury lub jedynie jej zgrzewu przez dwa indukcyjne zespoły generatorów grzewczych i układy chłodzenia. Pierwszy generator grzewczy (7) ma za zadanie podgrzanie rury do temperatury przemiany eutektoidalnej, a następnie układ dysz chłodzących (9) ochładza rurę do temperatury 500°C - 550°C. Drugi układ kilku generatorów indukcyjnych (8) wygrzewa rurę w zakresie temperatur przemian strukturalnych w zakresie temperatur 500°C - 650°C w czasie od 10 do 120 sekund, po czym rura jest chłodzona do temperatury otoczenia przez dysze natryskowe (9) i w wannie (10). Tak otrzymana obrobiona cieplnie rura kalibrowana jest w rolkowych klatkach kalibrujących (11) i prostujących, a na końcu cięta na odcinki, które formowane są w paczki i pakiety na stołach odbiorczych (13).

Description

Opis wynalazku.

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania rur spawanych ze szwem wzdluznym obrobionych cieplnie ze stali wielofazowych.

Istnieje kilka metod wytwarzania rur ze szwem wzdluznym rózniacych sie rozwiazaniami konstrukcyjnymi a takze stosowanymi zródlami ciepfa spawania. Wyróznia sie miedzy innymi spawanie laserowe, spawanie lukowe czy spawanie pradami wysokiej czestotliwosci. Aktualnie najbardziej rozpowszechniona jest technologia wytwarzania rur zgrzewanych wzdluznie pradami wysokiej czestotliwosci, glównie z uwagi na mozliwe do stoso\vania duze szybkosci procesu oraz dobra jakosc zgrzewu. Proces uzyskania rury obejmuje formowanie tasmy w postac rury szczelinowej, zamkniecie szczeliny poprzez docisk krawedzi tasmy do siebie, ich zgrzanie i uzyskanie profilu rurowego. W nastc;pnych operacjach usuwane sa wyplywka zcwnc;trzna oraz niekiedy wyplywka wewnetrzna powstale w wyniku wyplyniecia nadmiaru materialu w procesie zgrzewania, rurze nadawany jest koncowy, zgodny z oczekiwanymi tolerancjami ksztah okragly lub profilowy, rura cieta jest na odcinki, które sa ukladane i pakowane w wiazki.

Proces wytwarzania rur stalowych ze szwem wzdluznym polega na zastosowaniu szeregu kolejnych zabiegów technologicznych, zaczynajacych sie od zalozenia kregu blachy wsadowej o odpowiedniej szerokosci, wynikajacej z zadanej do uzyskania srednicy zewnetrznej rury, na trzpieniu rozwijarki, z którego pasmo podawane jest do urzadzenia laczenia konców kolejnych kregów.

Urzadzenie laczy, zwykle droga spawania, koniec poprzedniego kregu z poczatkiem kolejnego kregu materialu, dzieki czemu uzyskuje sie pasmo tasmy w zasadzie „bez kol'1ca", co poprzez zastosowanie akumulatora pozwalajacego na tworzenie zapasu tasmy, mozliwe jest zapewnienie ciaglosci i nieprzerywalnosci procesu wytwarzania rur. Tasma z akumulatora przekazywana jest nastepnie do zestawu klatek formowania, który wyposazony jest w walce ksztaltowe umozliwiajacych uformowanie tasmy w postac rury szczelinowe_j. Tak uformowana rura szczelinowa podana jest do ukladu walców dociskowych i poddana procesowi zgrzewania indukcyjnego. Podczas zgrzewania, w miejscu styku krawedzi tasmy i tworzenia sie trwalego polaczenia, nadmiar materialu wyciskany _jest na zewnatrz tworzac wyplywke zewnetrzna, która usuwana jest zazwyczaj za pomoca plytek skrawajacych. Zgrzana/10rura jest nastepnie chlodzona do temperatury otoczenia, zazwyczaj poprzez przejscie rury przez wanne z emulsja chlodzaco-smarujaca. Po ochlodzeniu rura zostaje podana do czesci kalibrujacej i prostujacej z klatkami walcowymi, w których nadawany jest ostateczny ksztalt i wymiar rury. Po ukladzie walców kalibrujacych i prostujacych, rura cieta jest pila latajaca na odcinki o wymaganej dlugosci.

Taki proces technologiczny umozliwia uzyskiwanie rur o wlasciwosciach mechanicznych zblizonych do wlasnosci materialu blachy wsadowej . W przypadku wytwarzania rur z typowych niskoweglowych stali konstrukcyjnych, w procesie produkcyjnym nastepuje niewielkie zwiekszenie wlasnosci mechanicznych i pogorszenie plastycznosci materialu wynikajace z procesu formowania rur i przekroczenia granicy plastycznosci materialu, co jednak nie stanowi zazwyczaj problemu w procesach dalszego przetwarzania czy uzytkowania rur. Dla niektórych zastosowa11 rur, jak na przyklad do przesylania gazu lub ropy, stosuje sie obróbke cieplna zgrzewu - wyzarzanie normalizujace bezposrednio po procesie zgrzewania. Przy produkcji rur 7.e stali srednio weglowych, niskostopowych stali narzedziowych czy stali wielofazowych, a takze rur przeznaczonych do dalszej przeróbki plastycznej, na przyklad droga ciagnienia na zimno, stosowana jest niezalezna, dodatkowa obróbka cieplna rur po procesie ich wytwarzania w linii zgrzewania wzdluznego.

Sposób wytwarzania rur stalowych ze szwem ze stali wielofazowych jest procesem podobnym do sposobu produkcji rur ze stali niskoweglowych z tym, ze z uwagi na sklad chemiczny materialu wielofazo\vego, podczas nagrzania materialu stali wielofazowej i jego zgrzewaniu w temperaturach powyzej temperatury przemiany austenityczncj, a nastepnym szybkim chlodzeniu, w zgrzeinie rury tworzy sie struktura martenzytyczna. W konsekwencji uzyskuje sie rure o róznych wlasciwosciach wytrzymalosciowych na obwodzie; generalnie w~asciwosci materialu rury sa zblizone do wlasciwosci materialu wsadowego z wyjatkiem zgrzeiny, której struktura jest twarda i krucha struktura martenzytyczna. Duza róznica wlasciwosci mechanicznych na obwodzie rury jest powoduje trudnosci w dalszym przetwórstwie rur gotowych, szczególnie w zakresie jej podatnosci na zginanie czy formowanie. Dlatego tak uzyskane zgrzewane rury ze stali wielofazowej, uzytkuje sie zwykle w odcinkach prostych lub poddajt: sic; jt: dodatkowej obróbce cieplnej. Obróbke taka przeprowadza sie zazwyczaj w rolkowych piecach samotokowych lub w urzadzeniach laczacych operacje na przyklad tloczenia z operacjami grzania i chlodzenia. Przykladami takich zabiegów technologicznych jest znany z europejskiego opisu patentowego EP 3408416 sposób obróbki cieplnej elementów konstrukcyjnych wykonanych ze stali wielofazowej dla przemyslu samochodowego, zgodnie z którym proces obróbki prowadzi sie w niezaleznym urzadzeniu do wyzarzania. Rozwiazanie pozwala na uzyskiwanie wlasciwej struktury materialu, na przyklad ferrytyczno martenzytycznej czy ferrytyczno perlitycznej przy wykorzystaniu dwóch pieców wyposazonych w uklady nagrzewania i regulowanego chlodzenia.

Innym przykladem jest sposób obróbki cieplnej elementów blaszanych dla przt:myslu samuchuduwt:go - patent DE I 02014201259, wedlug którego obróbka cieplna elementów odbywa sie w n iezaleznym piecu wspólpracujacym z urzadzeniami do formowania ./10Sposób wytwarzania rur spawanych ze szwem wzdluznym obrobionych cieplnie ze stali wielofazowych wedlug wynalazku, polega na zalozeniu kregu blachy wsadowej na trzpien rozwijaka, odwijaniu jej i poprzez uklad laczenia konców kregów blach oraz akumulator, podanie jej do rolkowego ukladu formowania tasmy w postac rury szczelinowej . Tak uformowana rur szczelinowa zgrzewana jest elektrycznie metoda pradów wysokiej czestotliwosci, a po zgrzaniu usuwana _jest mechanicznie wyplywka zewnetrzna. Po usunieciu wyplywki rure poddaje sie obróbce cieplnej przez dwa indukcyjne zespoly generatorów i uklady chlodzenia, co umozliwia uzyskiwanie róznych wlasciwosci mechanicznych rur w zaleznosci od gatunku stali. Pierwszy generator indukcyjny ma za zadanie podgrzanie rury do temperatury przemiany eutektoidalnej i wytrzymanie w tej temperaturze w czasie 2 - 3 sekund. Nastepnie uklad dysz chlodzacych ochladza rure do temperatwy 500° - 550° C, a drugi uklad kilku generatorów indukcyjnych wygrzewa rure w zakresie temperatur 500° - 650° C w czas ie od I O do 120 sekund, po czym rura jest chlodzona do temperatury otoczenia przez dysze natryskowe i w wannie.

Tak otrzymana obrobiona cieplnie rura kalibrowana jest w rolkowych klatkach kalibrujacych i prostujacych, a na korku cieta na odcinki, które formowane sa w paczki i pakiety na stolach odbiorczych.

Sposób wedlug wynalazku umozliwia wytwarzanie rur ze szwem z róznych gatunków stali wielofazowych obrobionych cieplnie w jednym cyklu technologicznym. Po uformowaniu tasmy w postac rury szczelinowej i zgrzaniu jej w rure ze szwem, rura poddana jest obróbce przez dwa niezalezne uklady grzewcze i realizowanie róznych cykli obróbki cieplnej, poprzez stosowanie róznych wielkosci temperatur, róznych czasów i uzyskiwanie dzieki temu róznych wlasciwosci wytrzymalosciowych w zaleznosci od gatunku stali. Pierwszy uklad nagrzewajacy ma na celu podgrzanie rury do temperatury przemiany eutektoidalnej, która w zaleznosci od gatunku stali powinna wynosic od 830° - 950° C, a drugi uklad wytrzymuje rure w zakresie temperatur wyzarzania izotermicznego materialów ze stali wielofazowych to jest w zakresie 500° - 650° C. Dzieki mozliwosci zmiany polozenia induktorów obu ukladów grzewczych wzgledem siebie oraz dzieki mozliwosci wydluzania lub skracania czasu wygrzewania w drugim ukladzie nagrzewajaco - wygrzewajacym, poprzez zmiane polozenia induktorów ukladu wygrzewajacego rure wzgledem siebie, mozliwa jest obróbka cieplna rury wedlug róznych charakterystyk przebiegów cyklu obróbki . Umozliwia to uzyskiwanie po procesie obróbki cieplnej róznych struktur materialu, takich jak struktura martenzytu z niewielkimi udzialami struktur ferrytu (stale wielofazowe martenzytyczne), struktura ferrytyczno - martenzytyczna (stale dwufazowe OP), mieszanina struktur ferrytycznej , bainitycznej i martenzytycznej (stale wielofazowe typu CP) i innych kombinacji skladników strukturalnych stali w róznych proporcjach. Poprzez zastosowanie grLewczych induktorów spiralnych - kolowych , mozliwa jest obróbka cieplna rury na calym jej przekroju a dzieki stosowaniu induktorów plaskich mozliwa jest obróbka cieplna jedynie zgrzewu rury.

Umozliwia to uzyskiwanie po procesie obróbki cieplnej róznych struktur materialu rury na calym jej przekroju (induktory spiralne) lub róznej struktury jedynie zgrzewu rury (induktory plaskie)./10Sposób wedlug wynalazku jest blizej wyjasniony na rysunku - fig. I, przedstawiajacym widok linii do \.\')'twarzania rur ze szwem ze stali wielofazowych obrobionych cieplnie. W pierwszej kolejnosci krag tasmy wsadowej zakladany jest na rozwijak trzpieniowy l, na którym tasma jest odwijana i wprowadzana do ukladu spawania konców 2. kolejnych kregów blach, a nastepnie do akumulatora 1- Z akumulatora J_, tasma wprowadzana jest do rolkowego ukladu formujacego 1, w którym w klatkach walcowych tasma ksztaltowana jest w rure szczelinowa. Po docisnieciu krawedzi tasmy do siebie walcami dociskowymi, nastepuje ich nagrzanie i zgrzanie dzieki induktorowi, bedacego elementem generatora pradów wysokiej czestotliwosci 2,_ Po zgrzaniu uformowanej tasmy w rure, usuwana jest wyplywka zewnetrzna rury w nozowych suportach skrawajacych§_. Po wyjsciu rury z ukladu skrawania wyplywki zewnetrznej §., rura nagrzewana jest indukcyjnie do temperatury przemiany eutektoidalnej (powstawanie struktury austenitycznej) przez induktor generatora pradów wysokiej czestotliwosci 1- Naslepnie rura jest ochladzana przez uklad dysz chlodniczych 2. do temperatury 500° - 600° C, po czym kolejny raz nagrzewana i wygrzewana izotermicznie w zakresie temperatur 500° - 650° C w ukladzie kilku induktorów bedacych elementami generatorÓ',.v ~- Polozenie induktorów generatorów ~ wygrzewajacych rure w zakresie temperatur 500° - 650° C, moze byc zmieniane wzgledem polozenia induktora grzewczego generatoral- Induktory generatorów l moga takze zmieniac wzajemne polozenie wzgledem siebie, co umozliwia wydluzanie lub skracanie czasu wygrzewania w zakresie temperatur chlodzenia izotermicznego, to jest w temperaturach 500° - 650° C. Wytrzymanie rury w zakresie tych temperatur umozliwia przemiane struktury austenitycznej w struktury ferrytyczna, bainityczna czy mmtcnzytyczna i uzyskiwanie dzieki temu oczekiwanej ko1'1cowej struktury i oczekiwanych wlasciwosci mechanicznych. Ostatnim zabiegiem technologicznym obróbki cieplnej rury jest jej chlodzenie dyszami chlodzacymi 2. oraz w wannie chlodniczej !Q do temperatury otoczenia. Po obróbce cieplnej rura walcowana jest w ukladzie walców kalibrujacych 11, w których nadawany jest ostateczny ksztalt rury: okragly lub profilowy, a takze przeprowadza sie prostowanie rury. Nastepnie rura cieta jest pila latajaca ll na odcinki, które na stolach odbiorczych il sa pakowane w wiazki i paczki.

Zaleta wynalazku jest polaczenie technologii wytwarzania rur stalowych ze szwem metoda zgrzewania indukcyjnego z ich równoczesna ich obróbka cieplna. Pozwala to na wyeliminowanie koniecznosci przeprowadzania operacji wyzarzanill rur ze stali wielofazowych jako odn;:bncgo zabiegu technologicznego. Polaczenie procesu zgrzewania rur i obróbki cieplnej pozwala takze na eliminacje niedogodnosci i wad obróbki cieplnej realizowanej jako oddzielnej operacji technologicznej w piecach przelotowych lub komorowych. Obróbka cieplna rur w piecach powoduje ich krzywienie, co wymusza dodatkowe zabiegi technologiczne, takie jak prostowanie czy obcinanie ko11cóv,., rur.

Sposobem wedlug wynalazku wykonano partie rur o srednicy zewnetrznej 32 mm i grubosci 1,6 mm. Materialem wsadowym byla tasma o szerokosci 99 mm ze stali wielofazowej CP (complex phase) z gatunku HCT780C wedlug normy EN 10338. Struktura tasmy wsadowej byla struktura ferrytu o udziale ok. 25%, bainitu w ilosci ok. 40% i osnowy martenzytu w ilosci ok. 35%. Krag tasmy/10wsadowej, po zalozeniu na trzpien rozwijaka l byl odwijany i poprzez spawarke konców blach I i akumulator poziomy J., wprowadzony do ukladu klatek formujacych 1.- W osmiu klatkach formujacych :1 o osiach poziomych, tasma wsadowa zostala ufom10wana w rure szczelinowa i zgrzana przy pomocy generatora indukcyjnego wysokiej czestotliwosci i_w ukladzie walców sciskajacych, po czym usunieto mechanicznie wyplywke zewnetrzna powstala z ,.wycisnietego" materialu zgrzeiny. Nastepnie rure nagrzano przy pomocy generatora indukcyjnego z kolov.ym induktorem spiralnym 1 do temperatury 950° C w czasie 2 sek. Po nagrzaniu rure chlodzono dwiema dyszami ._do temperatury 5 00° C. Do chlodzenia zastosowano emulsje wodno olejowa. Kolej11a operacja by1o nagrzanie rury do temperatury 650 11 C i wytrzymanie jej w tej temperaturze w czasie 15 sek. Zastosowano 3 generatory indukcyjne~, zasilajace 3 grzewcze kolowe induktory spiralne. Pierwszy induktor zespolu generatorów ~ umieszczony byl w odleglosci 950 mm od induktora generatora I natomiast kolejne induktory generatorów .l!. zostaly rozmieszczone w równych odleglosciach od siebie wynoszacych po 800 mm. Po wygrzaniu izotennicznyrn induktorami zespolu generatorów ~, rura zostala chlodzona dyszami chlodzacym i 2. i kapiela w wannie .lQ z emulsja wodno olejowa do temperatury otoczenia. Tak obrobiona rura byla nastepnie walcowana w klatkach kalibrujacych lJ.., w których uzyskano srednice zewnetrzna 32 mm w tolerancjach+ - 0,5 mm. Po pocieciu rury na odcinki o dlugosci 6 m, zostaly one uformowane w wiazki i zapakowane. Predkosc linii wynosila 7 m/min.

Z rur gotowych pobrano próbki do badar1 mikroskopowych. Badania wykazaly. ze struktura materialu rury jest zblizona do struktury materialu wsadowego, to jest struktura ferrytu (udzial ok. 24% calej objetosci), bainitu (ok. 25%) i martenzytu (reszta). Struktura zgrzewu jest takze struktura ferrytu o udziale ok. 20%, bainitu (ok. 36%) manenzytu (ok. 44%). Oznacza to, ze po procesie zgrzewania i obróbki cieplnej. powstaly niewielkie róznice pomiedzy struktura zgrzewu a struktura materialu na jego obwodzie, ale róznice te nie maja znaczacego wplywu na wlasciwosci uzytkowe rur.

Sposobem wedlug wynalazku wykonano takze partie rur o srednicy zewnetrznej 42,4 mm 1 grubosci 1,25 111111. Materialem wsadowym byla tasma o szerokosci 133,5 mm ze stali wielofazowej CP (complex phase) z gatunku HCT980C wedlug normy EN I 0338. Struktura tasmy wsadowej byla struktura ferrytu o udzialach ok. 20%, bainitu, ok. 40% i ma1tenzytu ok. 40%. Krag tasmy wsadowej. po zalozeniu na trzpien rozwijaka 1 zostal odwiniety i poprzez spawarke korków blach I i akumulator poziomy J. doprowadzony do ukladu klatek formujacych 1- Predkosc linii wynosila l O m/min. W klatkach formujacych , tasma wsadowa zostala ufonnowana w rure szczelinowa i zgrzana generatorem wysokiej czestotliwosci .l, po czym usunieto mechanicznie wyplywke zewnetrzna. Nastepnie zgrzew rury podgrzano w generatorze indukcyjnym 1 z plaskim induktorem do temperatury 940° C w czasie 2 sek. Nagrzana do temperatury przemiany eutektoidalnej rure, ochlodzono dyszami . do temperatury 550° C. Do chlodzenia zastosowano emulsje wodno olejowa. Kolejna operacja bylo nagrzanie rury do Lernperatury 600° C i wytrzymanie jej w tej temperaturze w czasie 12 sek. Zastosowano 3 generatory indukcyjne ~, zasilajace 3 plaskie induktory grzewcze. Pierwszy induktor zespolu generatorów _li/10umieszczony by l w odleglosci 900 mrn od induktora generatora]. nalominst kolejne induktory zespolu generatorów .li zosta ly rozmicszczone w równych od siebie odleglosciach wy1loszacyc l1 770 mm. Po wygrzani u izoterm icznym. rrn'a zostala chlodzona dyszam i chlodz<}cym i 2 i kapiel.! w wannie lQ z cnrnlsj ,1 wodno olejow,1 J o lempcrnlury otoczenia. Rura byla nastepnie walcowa na w klatkach k.ili bruj [Jcych il. w których uzyskano sredni c:<; zcwm;trznq 42,4 mm w tolerancji + - 0 mm. a po pocieciu jej na odcinki o dlugosci 5,5 111 , zostaly one ufonnowane w wi 11zki i zapakowane.

Z rur gotowych pobrano próbki do badtui m ikroskopow)'ch. Badania wykaza ly. ze struktura materialu rury jest strnkturq materialu \\Sadowego, 10 jest strukt mq ferrytu w ilosci ok. 20% calej obj9tosc i . bainitu ok. 40% i ma rtc nzyr u ok. 40%. Stru ktura zgrzewu jest takze slrukturq ferrytu o udziale ok. 18%, bainitu ok . 40% martenzytu ok. 42% . Oznacza lo \vys1 ,, pienie. po procesie zgrzewania i obró bk i ciepl nej. niewielkich róznic pom iedz.y struktura zgrzewu, a pozostala struktm:1 materialu na jego obwodzie. Wystepujace róznice w zawartosci faz slruklurnlnych. nie maja jednak znaczacego wp lywu na wlasci\vosci uzytkowe rur./10