RU2478125C1

RU2478125C1 - Method of "tube-in-tube" tubing heat treatment

Info

Publication number: RU2478125C1
Application number: RU2011149444/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Калганов; Лик Анварович Зайнуллин; Дмитрий Владимирович Мехряков; Михаил Владимирович Калганов; Дмитрий Владимирович Калганов
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2013-03-27

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: proposed method comprises longitudinal blowing of tube surface by heat carrier flow, its direction being inverted periodically. Heat carrier flow is divided into two equal-temperature controlled-flow rate flows at tubing inlet, one being directed along outer surface of said tubing while another one - along its inner surface. In heat treatment, difference in mean temperatures, over tubing length, is kept equal to ±2.5°C per one running metre of tubing by controlling flow rate.

EFFECT: synchronous variation of linear sized of inner and outer tubes, ruled out deformation or collapse of weld joints.

1 dwg

Description

Изобретение относится к металлургической промышленности, в частности к производству труб нефтяного сортамента, и может быть использовано при термообработке лифтовых труб типа «труба в трубе» или аналогичных изделий в машиностроении, требующих вакуумирования межтрубного пространства.The invention relates to the metallurgical industry, in particular to the production of oil grade pipes, and can be used in the heat treatment of lift pipes of the pipe-in-pipe type or similar products in mechanical engineering requiring vacuum pipe annulus.

Эти изделия представляют собой длинномерные составные трубы, состоящие из наружной и внутренней трубы, находящейся внутри наружной. По торцам трубы соединены сваркой по типу «труба в трубе» с образованием замкнутой полости, из которой откачен воздух для создания вакуума. При нагреве (охлаждении) наружная и внутренняя составные трубы представляют собой два параллельных независимых тепловых канала, взаимный теплообмен между образующими поверхностями этих труб практически отсутствует, то есть имеет место эффект «термоса».These products are long composite pipes consisting of an outer and inner pipe inside an outer pipe. At the ends of the pipe, they are connected by “pipe in pipe” welding to form a closed cavity from which air is evacuated to create a vacuum. When heating (cooling), the outer and inner composite pipes are two parallel independent heat channels, the mutual heat exchange between the generatrix surfaces of these pipes is practically absent, that is, the “thermos” effect takes place.

Во время термообработки таких труб в результате линейного расширения при нагреве или линейного сужения при охлаждении происходит существенное изменение длины составных труб до 50-80 мм при нагреве до 400 град. С и длине труб 12 м. Нарушение синхронного во времени изменения средних по длине температур труб при нагреве (охлаждении) наружной и внутренней составных труб приводит к их непропорциональному линейному расширению (сужению), в результате чего в местах торцевых соединений возникают термические напряжения растяжения или сжатия.During heat treatment of such pipes as a result of linear expansion during heating or linear narrowing during cooling, a substantial change in the length of composite pipes to 50-80 mm occurs when heated to 400 degrees. C and pipe length 12 m. Violation of a time-synchronized change in the average pipe length temperatures during heating (cooling) of the outer and inner composite pipes leads to their disproportionate linear expansion (narrowing), as a result of which tensile or compression thermal stresses occur at the end joints .

Известен способ аэродинамического нагрева длинномерных изделий, реализуемый в установке (RU 2168128, опубл. 27.05.2001 г.) [1]. Установка содержит контур циркуляции теплоносителя, в котором последовательно установлены рабочий канал для размещения длинномерных изделий, вентилятор, соединительные каналы и регулирующие заслонки. Вдоль рабочего канала расположен нагнетательный канал, который по длине имеет ряд окон с регулирующими заслонками. Посредством заслонок теплоноситель подводят в ту или иную часть длинномерного изделия, достигая этим требуемое распределение температур по их длине. При таком способе термообработки невозможно подвести теплоноситель во внутреннюю полость лифтовых труб в таком количестве, чтобы линейные расширения внешних и внутренних составных труб были синхронными во все время их термообработки.A known method of aerodynamic heating of long products, implemented in the installation (RU 2168128, publ. 05.27.2001) [1]. The installation comprises a coolant circulation circuit in which a working channel for accommodating long products, a fan, connecting channels and control valves are installed in series. A discharge channel is located along the working channel, which along the length has a series of windows with control dampers. By means of dampers, the coolant is supplied to one or another part of the long product, thereby achieving the required temperature distribution along their length. With this method of heat treatment, it is impossible to bring the coolant into the internal cavity of the lift pipes in such an amount that the linear extensions of the external and internal composite pipes are synchronous throughout their heat treatment.

Известен способ конвективного нагрева или охлаждения металла в термической печи, реализованный в устройстве (RU 2301389, опубл. 27.12.2007 г.) [2]. Обрабатываемые изделия, в том числе трубы, размещают в рабочее пространство, содержащее газоход с нагревательным или охлаждающим устройствами и тягодутьевое реверсивное устройство, которые соединены в циркуляционный контур. Нагрев (охлаждение) изделий осуществляется за счет продольной обдувки их поверхностей газовым потоком. Для выравнивания температуры по длине изделий направление движения газовой среды периодически изменяют на противоположное. Известный способ характеризуется отсутствием возможности регулирования и распределения тепловых потоков, что не позволяет синхронизировать процессы нагрева или охлаждения длинномерных изделий. Этот недостаток приводит либо к существенному уменьшению производительности печного агрегата, либо к снижению качества обрабатываемых изделий (деформации или разрушению) вследствие возникновения в них значительных внутренних термических напряжений.A known method of convective heating or cooling of metal in a thermal furnace, implemented in the device (RU 2301389, publ. 12/27/2007) [2]. The products to be processed, including pipes, are placed in a workspace containing a gas duct with heating or cooling devices and a draft fan reversing device, which are connected to a circulation circuit. Heating (cooling) of products is carried out due to the longitudinal blowing of their surfaces with a gas stream. To equalize the temperature along the length of the products, the direction of movement of the gaseous medium is periodically reversed. The known method is characterized by the lack of regulation and distribution of heat flows, which does not allow to synchronize the processes of heating or cooling of long products. This drawback leads either to a significant decrease in the productivity of the furnace unit, or to a decrease in the quality of the processed products (deformation or destruction) due to the occurrence of significant internal thermal stresses in them.

Задача настоящего изобретения состоит в создании надежного, экономичного способа термообработки лифтовых труб типа «труба в трубе», с вакуумированием межтрубного пространства, при повышении качества обрабатываемых изделий.The objective of the present invention is to provide a reliable, cost-effective method of heat treatment of lift pipes of the pipe-in-pipe type, with evacuation of the annulus, while improving the quality of the processed products.

Заявлен способ термической обработки лифтовых труб типа «труба в трубе», включающий продольную обдувку поверхности труб теплоносителем, направление которого периодически изменяют на противоположное. Способ отличается тем, что на входе в лифтовую трубу поток теплоносителя разделяют на два регулируемых по расходу потока, имеющих одинаковую температуру, один из потоков направляют вдоль наружной, а другой - вдоль внутренней поверхности внутренней трубы, при этом в процессе термической обработки путем регулирования расхода потоков поддерживают разность средних по длине этих труб температур в пределах плюс-минус 2,5 град. С в расчете на один метр длины лифтовой трубы.The claimed method of heat treatment of lift pipes of the type "pipe in pipe", including longitudinal blowing the surface of the pipes with a coolant, the direction of which is periodically changed to the opposite. The method is characterized in that at the entrance to the elevator pipe the heat carrier flow is divided into two flow-controlled flows having the same temperature, one of the flows is directed along the outer and the other along the inner surface of the inner pipe, while during the heat treatment by controlling the flow rate maintain the difference in average temperatures along the length of these pipes within plus or minus 2.5 degrees. C per meter of pipe length.

Соблюдение условия, при котором разность средних по длине наружной и внутренней труб температур будет находиться в пределах плюс-минус 2,5 град. С в расчете на один метр длины лифтовой трубы, позволит обеспечить синхронное изменение линейных размеров внешних и внутренних труб во время нагрева (охлаждения), исключая их деформацию или разрушение сварных соединений. Для обеспечения этого условия в каждый момент времени нагрева (охлаждения) подбирают соотношение расходов этих двух потоков.Compliance with the condition under which the difference in average temperatures along the length of the outer and inner pipes will be within plus or minus 2.5 degrees. C per meter of the length of the elevator pipe, will allow for synchronous changes in the linear dimensions of the external and internal pipes during heating (cooling), excluding their deformation or destruction of welded joints. To ensure this condition, at each moment of heating (cooling) time, a ratio of the flow rates of these two flows is selected.

При разности средних по длине этих труб температур более плюс-минус 2,5 град. С в расчете на один метр длины лифтовой трубы, термические напряжения будут сопоставимы или больше по величине с механической прочностью материала труб, что приведет к их деформации (искривлению) или разрушению сварных соединений. Новый технический результат заявленного изобретения заключается в синхронном изменении линейных размеров внешних и внутренних труб во время нагрева (охлаждения), исключении их деформации и/или разрушения сварных соединений.When the difference in average temperatures along the length of these pipes is more than plus or minus 2.5 degrees. C per meter of the length of the elevator pipe, thermal stresses will be comparable or greater in magnitude with the mechanical strength of the pipe material, which will lead to their deformation (distortion) or destruction of the welded joints. A new technical result of the claimed invention consists in synchronously changing the linear dimensions of the external and internal pipes during heating (cooling), eliminating their deformation and / or destruction of welded joints.

Изобретение иллюстрируется рисунком, где изображена схема установки для реализации заявленного способа. Лифтовые трубы 1 типа «труба в трубе» уложены через верхнюю крышку 2 в рабочий объем 3 установки, стенки которой покрыты теплоизоляцией 4. Каждая из труб 1 состоит из двух составных труб, внутренней 5, расположенной внутри наружной трубы 6. Торцы труб 5 и 6 соединены между собой сварным соединением 7 с образованием замкнутого пространства 8, из которого в процессе термообработки отводится воздух через трубопровод 9 с запорным органом 10. Внутренняя труба 5 с одного из торцов соединена с направляющим устройством 11, который снабжен регулирующими органами 12, работающими синхронно от одного исполнительного механизма. В нижней части установки расположен перепускной канал 13 с регулирующим органом 14, который служит для перепуска части теплоносителя (охладителя), минуя основной рабочий объем 3. Левая и правая часть рабочего пространства 2 соединена посредством каналов 15 с вентиляторами 16 и 17 и нагревателями 18 (например, электрического типа) с образованием замкнутого циркуляционного контура. При работе установки в режиме охлаждения труб подвод охладителя осуществляют через патрубки 19 и 20, которые снабжены регулирующими органами 21 и 22. Отвод отработанного охладителя из установки производят через патрубок 23 с регулирующим органом 24. Средние по длине наружной и внутренней труб температуры в процессе термообработки постоянно контролируют, например с помощью контактных термоэлектрических датчиков 25 и 26, сигнал от которых поступает в регулятор 27, где определяется текущая разность этих температур. Разность температур сравнивают с заданным предельным значением этой величины, которую устанавливают с помощью задатчика 28. Регулятор 27 управляет исполнительным механизмом органов 12.The invention is illustrated in the figure, which shows the installation diagram for implementing the inventive method. Lift pipes of the pipe-in-pipe type 1 are laid through the top cover 2 into the working volume 3 of the installation, the walls of which are coated with thermal insulation 4. Each of the pipes 1 consists of two composite pipes, an inner 5 located inside the outer pipe 6. The ends of the pipes 5 and 6 interconnected by a welded joint 7 with the formation of an enclosed space 8, from which air is removed during the heat treatment through a pipe 9 with a locking body 10. The inner pipe 5 is connected at one end to a guide device 11, which is equipped with regulating organs Anami 12, working synchronously from one actuator. In the lower part of the installation there is a bypass channel 13 with a regulating body 14, which serves to bypass part of the coolant (cooler), bypassing the main working volume 3. The left and right parts of the working space 2 are connected through channels 15 with fans 16 and 17 and heaters 18 (for example , electric type) with the formation of a closed circulation circuit. When the unit is operating in the pipe cooling mode, the cooler is supplied through pipes 19 and 20, which are equipped with regulating bodies 21 and 22. The spent cooler is withdrawn from the installation through the pipe 23 with regulating body 24. The average temperatures along the length of the outer and inner pipes are continuously processed they control, for example, using contact thermoelectric sensors 25 and 26, the signal from which enters the regulator 27, where the current difference of these temperatures is determined. The temperature difference is compared with a predetermined limit value of this value, which is set using the setter 28. The controller 27 controls the actuator 12.

После укладки труб в рабочий объем 3 закрывают верхнюю крышку 2 и начинают процесс нагрева до необходимой температуры по заданному технологическому графику. Для этого включают в работу, например, правый вентилятор 17, а также нагреватель 18. Регулирующие органы 21, 22 и 23 в период нагрева находятся в закрытом положении. Под действием напора, создаваемым вентилятором 17, теплоноситель (воздух) проходит через нагреватель 18, остановленный неработающий вентилятор 16, трубопровод 15 и поступает в левую часть рабочего объема 3 на вход направляющего устройства 11, где благодаря регулирующему органу 12 разделяется на два потока: один из них обдувает наружную поверхность трубы 6, а другой - внутреннюю поверхность трубы 5. Обдувая эти поверхности, теплоноситель отдает им тепло и при этом охлаждается. По отводящему каналу 15 теплоноситель поступает во входное окно работающего вентилятора 17 для повторения теплообменного цикла. Вентиляторы 16 и 17 специального исполнения спроектированы так, что их проточная часть имеет незначительное гидравлическое сопротивление при движении теплоносителя (охладителя) в обратном направлении в период их остановки. На всех режимах термообработки труб: нагреве, выдержке и охлаждении - с помощью контактных термоэлектрических датчиков 25 и 26 измеряют текущие значения средних по длине внешней и внутренней труб температур, сигнал от которых поступает в регулятор 27. Регулятор сравнивает сигналы от этих датчиков и задатчика 28 и, в случае превышения разности температур от заданной величины, управляет исполнительным механизмом 12, корректируя распределение потока в рабочем объеме установки и удерживая разность средних по длине внешней и внутренней труб температур в пределах плюс-минус 2,5 град. С в расчете на один метр длины лифтовой трубы.After laying the pipes in the working volume 3, close the upper cover 2 and begin the process of heating to the required temperature according to the given technological schedule. To do this, include, for example, the right fan 17, as well as the heater 18. The regulatory bodies 21, 22 and 23 are in the closed position during the heating period. Under the action of the pressure created by the fan 17, the coolant (air) passes through the heater 18, the idle fan 16 is stopped, the pipeline 15 and enters the left side of the working volume 3 at the input of the guide device 11, where, thanks to the regulating body 12, it is divided into two streams: one of they are blown by the outer surface of the pipe 6, and the other by the inner surface of the pipe 5. By blowing these surfaces, the coolant gives them heat and is cooled. Through the discharge channel 15, the coolant enters the inlet window of the working fan 17 to repeat the heat transfer cycle. Fans 16 and 17 of a special design are designed so that their flow part has a slight hydraulic resistance when the coolant (cooler) moves in the opposite direction during their stop. In all modes of heat treatment of pipes: heating, holding and cooling - using contact thermoelectric sensors 25 and 26 measure the current values of the average temperatures along the length of the outer and inner pipes, the signal from which goes to the regulator 27. The regulator compares the signals from these sensors and the setter 28 and , in case of excess of the temperature difference from the set value, controls the actuator 12, adjusting the flow distribution in the working volume of the installation and keeping the difference of the average length along the length of the external and internal pipes tures within plus or minus 2.5 degrees. C per meter of pipe length.

В процессе нагрева и выдержки при определенной температуре в замкнутом межтрубном пространстве происходит возгонка (переход из твердого состояния в газообразное) следов прокатной смазки и других загрязнений, которые вместе с воздухом удаляются с помощью вакуумирования. При продольной обдувке теплоносителем теплообменных поверхностей труб их передние концы по ходу движения потока нагреваются быстрее, чем задние, в результате чего имеет место и неравномерный по длине процесс возгонки следов прокатной смазки. С целью снижения времени, необходимого для выравнивания температуры труб по их длине, создания наилучших условий для проведения процесса вакуумирования, а следовательно, повышения надежности, экономичности и качества предлагаемого способа термообработки, периодически изменяют движение теплоносителя (охладителя) на противоположное. Для этого останавливают вентилятор 17 и включают в работу вентилятор 16, вследствие чего нагретый теплоноситель поступает в рабочий объем 3 в обратном направлении, с большей скоростью нагревая более холодную часть трубы, выравнивая тем самым поле температур по длине труб.In the process of heating and holding at a certain temperature in a closed annular space, sublimation (transition from solid to gaseous) of traces of rolling grease and other contaminants occurs, which are removed together with air by vacuum. When longitudinally blowing heat transfer surfaces of the pipes with the heat transfer medium, their front ends heat up faster than the rear ones, as a result of which there is a process of sublimation of rolling grease traces uneven in length. In order to reduce the time required to equalize the temperature of the pipes along their length, to create the best conditions for carrying out the evacuation process, and consequently to increase the reliability, economy and quality of the proposed heat treatment method, the movement of the coolant (cooler) is periodically changed to the opposite. To do this, stop the fan 17 and turn on the fan 16, as a result of which the heated coolant enters the working volume 3 in the opposite direction, heating the colder part of the pipe with greater speed, thereby aligning the temperature field along the length of the pipes.

В режиме выдержки установка работает аналогичным образом. Мощность нагревателей 18 компенсирует лишь тепловые потери через наружные стенки установки в окружающее пространство. В режиме охлаждения нагреватели 18 отключены, вентилятор 17 находится в рабочем состоянии и обеспечивает движение охладителя по циркуляционному контуру. Отвод тепла из установки осуществляется за счет регламентированного подмешивания окружающего воздуха через трубопровод 19 с регулирующим органом 21, который, охлаждая трубы, нагревается и удаляется через трубопровод 24 с регулирующим органом 23. Изменение необходимого расхода подмешиваемого воздуха в установку определяется технологическим графиком охлаждения обрабатываемых труб. Синхронизация процесса охлаждения внешней и внутренней составных труб производится аналогичным способом, что и в режиме нагрева и выдержки, описанном выше. Выравнивание полей температур по длине труб осуществляется также за счет периодического изменения движения охладителя на противоположное.In shutter speed, the setup works in a similar way. The power of the heaters 18 only compensates for heat loss through the outer walls of the installation into the surrounding space. In the cooling mode, the heaters 18 are turned off, the fan 17 is in working condition and provides the movement of the cooler along the circulation circuit. Heat is removed from the installation due to the regulated mixing of ambient air through a pipeline 19 with a regulating body 21, which, cooling the pipes, is heated and removed through a pipeline 24 with a regulating body 23. The change in the required flow rate of mixed air into the installation is determined by the technological schedule for cooling the pipes being processed. The synchronization of the cooling process of the external and internal composite pipes is carried out in the same way as in the heating and holding mode described above. Alignment of temperature fields along the length of the pipes is also due to the periodic change in the movement of the cooler to the opposite.

При термообработке труб с небольшим диаметром (60-80 мм и меньше) существенно снижается расход теплоносителя, движущегося в рабочем объеме 3 установки, вследствие большого гидравлического сопротивления, оказываемого этими трубами. Снижение общего расхода теплоносителя в циркуляционном контуре установки, а следовательно, уменьшение скорости обдувки нагревательных элементов (спиралей) нагревателей 18, приводит к их перегреву и снижению ресурса их работы. Для исключения этого отрицательного явления в установке предусмотрен перепускной канал 13 с регулирующим органом 14, который служит для стабилизации общего расхода теплоносителя в циркуляционном контуре установки независимо от диаметров обрабатываемых труб.When heat treating pipes with a small diameter (60-80 mm or less), the flow rate of the coolant moving in the working volume of the unit 3 is significantly reduced due to the large hydraulic resistance exerted by these pipes. Reducing the total flow rate of the coolant in the circulation circuit of the installation, and therefore, reducing the speed of the blowing of the heating elements (spirals) of the heaters 18, leads to their overheating and a decrease in the resource of their work. To eliminate this negative phenomenon, a bypass channel 13 with a regulating body 14 is provided in the installation, which serves to stabilize the total flow rate of the coolant in the circulation circuit of the installation, regardless of the diameters of the processed pipes.

Заявленный способ позволяет надежно, экономично и качественно осуществлять термообработку лифтовых труб типа «труба в трубе» с вакуумированием межтрубного пространства, исключая деформацию труб или разрушения сварных соединений.The claimed method allows reliable, cost-effective and high-quality heat treatment of lift pipes of the "pipe in pipe" type with the evacuation of the annulus, eliminating the deformation of the pipes or the destruction of welded joints.

Claims

A method of heat treatment of lift pipes of the pipe-in-pipe type, comprising longitudinally blowing the surface of the pipes with coolant, the direction of which is periodically reversed, characterized in that at the inlet of the lift pipe the coolant flow is divided into two flow-controlled flows having the same temperature, moreover one of the flows is directed along the outer, and the other along the inner surface of the inner pipe, while in the process of heat treatment the difference in average temperatures along the lengths is maintained f elevator pipes within plus or minus 2.5 ° C per meter of the length of the elevator pipe by controlling the flow rate.