Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Совершенствование линии термической обработки трубной заготовки на базе ТПЗ ТОО «KSPSteel»

Павлодар 2015

Содержание

Введение

1. Общая часть

1.1 Бесшовные трубы нефтяного сортамента

1.2 Предназначение и требования к бесшовным стальным трубам

1.3 Виды оборудования для термообработки труб

1.4 Физико-механические свойства бесшовных труб нефтяного сортамента

2. Технологическая часть

2.1 Обзор существующих методов термообработки

2.2 Термическая обработка концов труб

2.3 Термомеханическая обработка обсадных труб

2.4 ТОО «KSPSteel» - завод по производству бесшовных стальных труб

2.5 Технологический процесс производства участка термообработки К-1

2.6 Контроль качества труб после термической и термомеханической обработки

3. Конструкторская часть

3.1 Устройство закалки. Технические характеристики

3.2 Системы топлива

3.3 Горелки

4. Специальная часть

4.1 Термическая обработка. Способы и устройства

4.2 Способ охлаждения труб

5. Экономическая часть

5.1 Расчет численности рабочих, выполняющих модернизацию

5.2 Расчет годового фонда заработной платы

5.3 Расчет фонда заработной платы рабочих

5.4 Определение затрат на модернизацию

5.5 Расчет экономического эффекта от модернизации

6. Охрана труда

6.1 Выписка из Трудового кодекса Республики Казахстан

6.2 Вредные производственные факторы

6.3 Требования безопасности линий термообработки труб

6.4 Средства пожаротушения

6.5 Расчет вентиляции

Заключение

Список использованных источников

Введение

Актуальность темы. Развитие черной металлургии имеет важное значение в плане ускорения научно-технического прогресса в сфере создания новых и совершенствования существующих технологических процессов в области металлургического производства. Трубы применяют для решения разнообразных технических проблем и изготавливают их в соответствии как со специальными требованиями, изложенными в стандартах, так и в технических условиях, разработанных совместно с потребителями труб с учетом условий их дальнейшего применения.

Трубное производство непрерывно совершенствуется и развивается, для него характерны не только качественный рост, но и существенные качественные изменения в соответствии с требованиями потребителей. Расширяется сортамент труб по размерам и материалам, возрастает выпуск труб со специально, обработанными наружной и внутренней поверхностями (трубы для атомной энергетики, приборостроения), с защитными и гладкими покрытиями для магистральных газопроводов и нефтепроводов и т.д.

Бесшовные трубы получают поперечной и поперечно-винтовой прокаткой. Чистовая обработка труб предусматривает ряд отделочных операций, в том числе термическую обработку.

Новизна и практическая значимость.Создание технологических процессов настоятельно требует использовать в полной мере современные достижения науки в области теории, расчета и оптимального проектирования процессов термической обработки. Особенно высокие требования предъявляются к надежности труб для нефтегазовой промышленности, поскольку выход их из строя приносит не только большие убытки, но и может создать аварийные ситуации в экологическом плане.

Для повышения эффективности охлаждения труб осуществляют их продольное перемещение и подачу охладителя под углом к оси перемещения парами встречных друг относительно друга струйных потоков, при этом струи в парах встречных струйных потоков истекают относительно друг друга не пересекаясь, а углы подачи струй, совпадающих с направлением перемещения трубы, последовательно, от пары к паре встречных струйных потоков, увеличивают в этом направлении, а углы подачи струй встречного перемещению трубы направления последовательно, от пары к паре встречных струйных потоков, уменьшают в направлении перемещения трубы. Кроме того, в момент прохождения каждым из торцов трубы встречного из пар струйного потока расход охладителя в нем уменьшают на 70-90% с одновременным увеличением расхода охладителя в струйном потоке противоположного направления на 60-80%. Результатом работы является то что трубы соответствуют требуемым комплексам свойств и требуемым значениям геометрических параметров.

Оценка современного состояния решаемой проблемы. В отличие от других видов металлопродукции для труб характерны развитая поверхность, наличие внутренней полости, значительный сортамент по геометрическим размерам, способам производства и назначению. По способу производства трубы подразделяют на литые, бесшовные и сварные. Основной объем производства составляют бесшовные и сварные трубы. По назначению трубы подразделяют: на трубы для нефте- и газодобывающей промышленности, теплоэнергетики, магистральных газо- и нефтепроводов, трубы для производства подшипников, химической промышленности, строительства и т.д.

Вид термической обработки труб определяется способом их производства, составом стали и условиями эксплуатации. Трубы подвергают отжигу, нормализации с отпуском, закалке и закалке с отпуском.

Цель, задачи и объект дипломного проектирования. Целью дипломного проекта является совершенствование линии термообработки труб.

Задачи дипломного исследования:

- анализ существующих способов термической обработки труб;

- анализ оборудования для термической обработки труб;

-разработка новой технологии термообработки бесшовных труб нефтегазового сортамента для марок сталей Т1 - Т4;

- экономическая оценка предлагаемых решений.

Объектом дипломного исследования является термическая обработка бесшовных труб из малоуглеродистых и низколегированных марок сталей нефтегазового сортамента.

Теоретическая и методологическая основа дипломного проекта. Дипломный проект выполнен с использованием основных положений физического металловедения и теории термической обработки.

Практическая база написания дипломного проекта. Дипломный проект выполнен с использованием данных базового предприятия Павлодарского филиала ПФ ТОО «KSPSteel», собранных за время преддипломной практики.

1. Общая часть

1.1 Бесшовные трубы нефтяного сортамента

Бесшовные трубы находятширокое применение в нефтедобывающей промышленности, топливно-энергетическом комплексе, машиностроении. За последние 10-15 лет достижения в области научно-технического прогресса, особенно в сталеплавильном производстве, позволяют получать бесшовные трубы высокого качества, как по внутренней поверхности, так и по точности геометрических размеров, что приближает их к электросварным трубам. Широкое применение непрерывно-литой заготовки взамен катаной или литого слитка в сочетании с внепечной обработкой стали позволяет не только значительно улучшить качество труб, но и существенно снизить затраты на их производство. Как показывает мировой опыт (Япония, Германия), применение металлургических комплексов с установкой непрерывной разливки стали непосредственно на трубных заводах существенно снижает энергетические затратыщ на производство бесшовных труб за счет исключения целых переделов по производству трубной заготовки.

Бесшовные трубы нефтяного и геологоразведочного сортамента. Жидкие, твердые и газообразные полезные ископаемые разведываются и добываются из недр земли на ее поверхность через скважины, глубина которых может достигать 9 км. При этом используются трубы для бурения - бурильные, для крепления стенок скважин от обрушения - трубы обсадные и для доставки продуктов полезных ископаемых на поверхность - насосно-компрессорные трубы.

При бурении нефтяных скважин стальные трубы используют для передачи вращенияпородоразрушающему инструменту, для крепления стенок скважин в процессебурения и эксплуатации, для транспортировки нефтепродуктов на поверхность идругих целей. Стоимость труб в общей стоимости бурового оборудованиясоставляет около 60%.По своему назначению трубы нефтяного сортамента разделяют на бурильные,утяжелённые бурильные, рабочие (или ведущие) бурильные, обсадные и насосно-компрессорные трубы.

При бурении и эксплуатации скважин из труб этих видов составляют бурильные,обсадные и насосные колонны, в которых отдельные трубы соединяют между собойс помощью специальных резьбовых соединений.

Передачу вращения породоразрушающему инструменту (в случае роторногоспособа), транспортировку жидкости или газа для очистки забоя скважины отразрушенной породы осуществляют с помощью бурильной колонны.Для предохранения скважин от обрушения в скважину опускают колонну обсадныхтруб

Отечественные и зарубежные стандарты на трубы нефтяного сортамента определяют химический состав стали, за исключением содержания серы и фосфоране более 0,045 % каждого элемента по ГОСТ 631-75, а по стандартам американского нефтяного института АНИ: серы не более 0,030 % и фосфора не более 0,035 %.

Для коррозионностойких труб в стандарте указан химический состав стали, вид термической обработки и минимальная температура отпуска.

В зависимости от прочностных характеристик материала и условий эксплуатации трубы нефтяного сортамента подразделяют на группы:

Обычной прочности или общего назначения 276-551

Высокопрочные 724-965

Особо высокой прочности 858-1030

Для работы в сероводородных средах 590-652

Для работы в углекислых средах 549-652

С высоким сопротивлением смятия 652-752

Для работы при низких температурах 755-1030

Для изготовления труб нефтяного сортамента применяются в основном углеродистые и низколегированные стали после термического упрочнения (закалка плюс отпуск).

Обсадные трубы изготавливают с наружным диаметром 114-508 мм и толщиной стенки 6-14 мм.

Для соединения труб в колонны применяют резьбовые соединения различного типа, которые должны быть равнопрочными с телом трубы и обеспечивать герметичность колонн.

Обсадные трубы испытывают три вида нагрузок - растяжение, наружное(сминающее) и внутреннее давление. Растягивающие нагрузки вызываютсясобственным весом колонны обсадных труб. Обычно напряжения в обсадных трубахсоответствуют разности наружного и внутреннего давлений. Но в некоторыхслучаях трубы могут оказаться под действием только наружного или тольковнутреннего давления. В этом случае трубы находятся в наиболее тяжёлыхусловиях работы.Для транспортировки нефтепродуктов на поверхность используют колонны,составленные из насосно-компрессорных труб.

Насосно-компрессорные трубы изготавливают по ГОСТ 633-80, который предусматривает также изготовление насосно-компрессорных труб с муфтовыми резьбовыми соединениями. Резьба нарезается по телу трубы или на концах, имеющих наружную высадку. Трубы с гладкими концами изготавливают диаметром 33-114 мм и с высаженными концами диаметром 27-114 мм.

Увеличение глубины скважин, повышение агрессивности сред: увеличение содержания сероводорода, углекислого газа, хлоридов - вызвало необходимость применения для обсадных и насосно-компрессорных труб высоколегированных коррозионностойких сталей и сплавов на основе никеля и титана (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Прочностные характеристики обсадных и насосно-компрессорных труб по зарубежному стандарту АНИ для работы в средах, содержащих сероводород

Группа проч-ности	Трубы обсадные	Насосно-компрессорные трубы
	ув, МПа (не менее)	ут, МПа	HRC (не более)	ув, МПа (не менее)	ут, МПа	HRC (не более)
C - 75	655	517-621	-	655	517-621	-
L - 80	655	551-655	22	655	551-655	22
C - 95	724	655-721	25	-	-	-

1.2 Предназначение и требования к бесшовным стальным трубам

Бесшовные горячедеформированные трубы изготавливают из углеродистых и легированных сталей: 10, 20, 35, 45, Ст4кп, Ст5кп, 10Г2, 20Х, 40Х, ЗОХГСА, 15Х5М, ЗОХМА, 2ХН2 по ГОСТ 8731-87 и ГОСТ 8732-78 и из высоколегированныхщ сталей: 08X13, 08Х17Т, 12X13, 12X17, 15X28, 15Х25Т, 04Х18Н10, 10Х23Н18, 08Х17Н15МЗТ, 08Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Б, 0Х18Н12Т, 08Х20Н15С2, 10Х17Н13М2Т, 12Х18Н9, 12Х19Н10Т, 12Х18Н12Т, 09Х14Н19Б2СР, 17Х18Н9, 08Х22Н6Т по ГОСТ 9940-81 и ГОСТ 8732-78.

Сортамент (ГОСТ 8732-78) предусматривает возможность поставки труб диаметром 25-820 мм, толщиной стенки 2,5-75 мм и длиной от 4 до 12,5 м. В настоящее время на трубных заводах Казахстана изготавливают бесшовные трубы диаметром 42-550 мм и толщиной стенки 3,0-75 мм, в том числе трубы с толщиной стенки 3-10 мм с интервалом через 0,5 мм; трубы с толщиной стенки 10-20 мм - через 1 мм и трубы с толщиной стенки 20-75 мм - через 2-5 мм.

По длине поставляют трубы следующих размеров: немерные 4-9 м для диаметров до 114 мм и 4-12,5 м для диаметров более 114 мм; мерные, определенной длины, не выходящей из указанных пределов; кратной длины, не выходящей за пределы немерной длины с любым количеством кратностей.

Стандартом предусмотрен выпуск труб обычной и повышенной точности. Предельные отклонения по наружному диаметру и толщине стенки труб не должны превышать значений, указанных в таблице 1.2

Таблица 1.2 - Предельные отклонения по наружному диаметру и толщине стенки труб

Наружный диаметр, мм	Толщина стенки, мм	Предельное отклонение, %
		наружного диаметра	толщины стенки
42-57	3,0-10*1	±0,5 м / ±0,5 мм	±12,5 / ±12,5-15,0
60-102	3,0-20*2	±0,8 / ±1,0	±10,0 / ±12,5
108-219	4,0-50*3	-/-	±10,0 / ±10,0-12,5
245-426	50-75	±1,0 / ±1,25	-/-
450-550	10-75	-/-	-/-
Примечания: *1 Толщина стенки меньше или равно 15 мм; *2 Толщина стенки 15-30 мм; *3 Толщина стенки более 30 мм; в числителе - точность повышения, в знаменателе - обычная

Овальность и разностенность не должны выводить размер труб за предельные отклонения по диаметру и толщине стенки.

Кривизна любого участка трубыщ на 1 м длины не должна превышать 1,5 мм для труб с толщиной стенки до 20 мм; 2 мм - для труб с толщиной стенки свыше 20 мм до 30 мм; 4 мм - для труб с толщиной стенки свыше 30 мм. Трубы могут поставляться по внутреннему диаметру и толщине стенки, а также по наружному и внутреннему диаметру и по разностенности.

Бесшовные трубы находят широкое применение в нефтедобывающей промышленности, топливно-энергетическом комплексе, машиностроении. За последние 10-15 лет достижения в области научно-технического прогресса, особенно в сталеплавильном производстве, позволяют получать бесшовные трубы высокого качества как по внутренней поверхности, так и по точности геометрических размеров, что приближает их к электросварным трубам.

Широкое применение непрерывнолитой заготовки взамен катаной или литого слитка в сочетании с внепечной обработкой стали позволяет не только значительно улучшить качество труб, но и существенно снизить затраты на их производство. Как показывает мировой опыт (Япония, Германия), применение металлургических комплексов с установкой непрерывной разливки стали непосредственно на трубных заводах существенно снижает энергетические затраты на производство бесшовных труб за счет исключения целых переделов по производству трубной заготовки.

Транспортируют круглыезаготовки по железной дороге диаметром 180 мм и 270 мм, длиной от 4 до 9 м на склад заготовок вместимостью 10 тыс. т на стеллажи по маркам стали, номеру плавки и длине.

При поступлении заготовок на склад контролером отдела технического контроля производится проверка на овальность заготовки, проверка длины и соответствие марки стали.

Затем при помощи магнитного крана заготовки кладут на загрузочные столы, далее по рольгангу подают на пилы холодного реза номер один, номер два и номер три, на мерные длины 1,5-4,5 м. Пилы номер одини номер дваизмеряют длину одной краты мерным упором, а пила номер три измеряет длину лазерной установкой допуск по длине резки ± 5 мм, а косина среза ?. При резке заготовки диаметр 180-200 мм используют пилу с 72 зубом, диаметром 940 мм, толщина 8,5 мм и диаметром центрового отверстия 100 мм, а при резке заготовки диаметр 200 - 270 мм используют пилу с 54 зубом, диаметром 940 мм, толщина 8,5 мм и диаметром центрового отверстия 100 мм. После резки заготовки их взвешивают.

Далее заготовка транспортируется по рольгангу, перекладчиком передается на цепной шлеппер. После движения цепного шлеппера заготовка попадает на стол загрузки в печь.

Со стола загрузки с помощью механической руки заготовку сажают в печь. Ход этой машинызагрузки составляет - 7,5 м.

Совершает нагрев заготовки кольцевая печь (карусельная) с диаметром - 35 м, вместимость заготовок в печи - 261 шт, температура нагрева печи до 1300 °С, шаг печи - 421 мм, главных приводов - 4 шт, горелок - 102 шт, расход газа - 26250 м3/ч, рабочая длина около -100 м, ширина внутри печи - 5,24 м, ширинаподвижного пода - 4,8 м, заготовка до 2 м - в два ряда, более 2 м - в один ряд. Проектная мощность (125 т/ч) - 220,6 тысяч тонн в год, а после реконструкции мощность выросла до 350 тысяч тонн в год.

После нагрева заготовки температура 1250-1280єС с помощью разгрузочной машиныеё извлекают, кладут на стол выгрузки. Между осями загрузочной и разгрузочной машинами составляет 11є.

Со стола выгрузки снимаетзаготовку перекладчик и ложит её на цепной шлеппер, далее она попадает на рольганг, движется до неподвижного упора после перекладчика заготовка, попадает в приемный желоб.

Толкатель задает заготовку в прошивной стан, где происходит прошивка (процесс деформации) из заготовки получают гильзу. Прошивной стан грибовидного типа (валки) угол прокатки составляет 15°, а угол подачи - 12°. Также есть две боковые направляющие линейки. Из заготовки диаметром 180 мм получают гильзу диаметром 200 мм, а из диаметра 270 мм гильзу диаметром 304 мм. Длина гильзы составляет 5-10,35 м, толщина стенки - 14-36 мм.

На участке первой секции выхода прошивного стана установлены семь рам центрирующих роликов и подъемный рольганг состоящий из шести роликов. Центрирующие ролики удерживают оправку по линии прокатки и направляют гильзу по оправке.

На участке второй секции выхода прошивного стана установлены передвижная тележка для оправки, запирающий механизм тележки, механизм предварительного вращения оправки и два подъемных ролика для удержания оправки.

После прокатки гильзу снимает перекладчик с подъемного рольганга и ложит её на цепной шлеппер, там внутреннюю поверхность гильзы продувают азотом плюс бурой для предотвращения образования окалин. Далее гильзу передают на непрерывный стан;

Непрерывный стан на удерживаемой оправкой, также в него входит система циркуляции оправки. Система циркуляции оправки (СЦО) состоит из:

- обратного рольганга;

- аварийной стойки для оправки и гильзы;

- охлаждающая ванна;

- вращательныерычаги в зоне охлаждения;

- стойка для использованных оправок;

- стойка для новых оправок;

- смазочная станция графитом;

- подающийщ рольганг;

- малая зубчатая рейка для выравнивания оправки.

Также в СЦО есть печь предварительного нагрева оправок на шесть штук, температура нагрева до 100єС, в цикле СЦО ходит пять штук оправок. Непрерывный стан, на удерживаемой оправки пятиклетьевой, двух валкового типа (три - горизонтальные, две - вертикальные), на выходе из непрерывного стана черновая труба имеет диаметр 173 мм и 266 мм, длиной - 10-26,9 м, толщинастенки - 4-24,8 мм.

Далее черновую трубу снимает с оправки экстрактор трехклетьевой трехвалкового типа. Черновая труба выходит длинной - 10,5-27,5 м, диаметром - 164-255 мм, толщина стенки - 4,1-25,1 мм, максимальный вес - 1910 кг.

Черновая труба движется по рольгангу и попадает на стол нормализации, в зоне стола нормализацииесть пилы - две штуки для резки дефектных концов. Диаметр полотнища - 1600-1800 мм, толщина - 10 мм, путь около - 400 мм, скорость - 40-80 мм/с, мощность электродвигателя - 135 кВт;

Далее черновая труба попадает по входному рольгангу в печь повторного нагрева, там она повторно нагревается до максимума 940єС, температура в печи - 700-1000єС;

После повторного нагрева черноваятруба движется по рольгангу на калибровочный стан 12-клетевой трехвалкового типа, только для черновой трубы серии диаметром 266 мм. Максимальное количество кассет - 12 шт, номинальный диаметрвалка - 530 мм, время смены кассеты - 12 мин, диаметр на выходе 247,8 мм (max) - 169,4 мм (min), толщина стенки - 6,55 - 25,2 мм, максимальная длина трубы - 32 м, скорость на входе - 0,6 - 1,2 м/с, скорость на выходе - 0,6-1,75 м/с, мощность - 80 шт/час, температура на выходе около 860єС;

Редукционный стан с натяжением 24-клетевой трехвалкового типа, только для черновой трубы серии диаметр 173 мм. Максимальное количество кассет - 24 шт, номинальный диаметр валков - 360 мм, время смены кассеты - 12 мин, диаметр на выходе - 060,35-160,24 мм, толщина стенки - 3,23-25,25 мм, максимальная длина трубы - 80 м, скорость на входе - 0,7-1,4 м/с, скорость на выходе - 0,7-4,3 м/с, мощность - 120 шт/час, температура на выходе примерно 850 єС.

Затем после прокатки калибровочного или редукционного станов труба двигается по рольгангу на стол охлаждения, где охлаждается до температуры 100 єС. Длина холодильника - 84 м, длина между балки - 500 мм, для серии диаметр 173 мм - один шаг равен 200 мм, для серии диаметр 266 мм - двойной шаг равен 400 мм.

Когда труба охладилась, её снимает опускающий перекладчик на подвижный рольганг до пил на мерный рез.

После резки на мерные длины перекладчиками передают на рольганг, транспортируют на закалочные печи, горячую правку, измерения толщины стенок с помощью дефектоскопии, покраску и упаковку.

1.3 Виды оборудования для термообработки труб

К основному оборудованию термических отделений трубных цехов относится оборудование термических печей проходного и камерного типа с механизмами загрузки и выгрузки, оборудование отделки труб, устанавливаемое в потоке. К вспомогательному оборудованию относятся системы утилизации тепла продуктов сгорания, дымососы и дымовые трубы, установки контроля и регулирования технологического процесса.

Печи камерного типа применяются для обработки труб по режимам, требующим длительной выдержки при заданной температуре или требующих замедленного охлаждения. В массовом производстве труб наибольшее распространение получили печи проходного типа: секционные, роликовые, с шагающими балками. Секционные печи применяются при режимах термической обработки, не требующих выдержки. Все эти агрегаты являются высоко-механизированными с автоматическим управлением теплового режима, обеспечивают равномерный нагрев труб по сечению и длине, имеют высокую производительность. Для нагрева труб под закалку и отпуск применяется индукционный нагрев токами высокой частоты.

Секционные печи состоят из секций (до 25), в зависимости от требуемой производительности и температуры нагрева труб. В разрыве между секциями (тамбурах), которые предназначены для отвода продуктов горения из секций в общий дымоход, расположены косо расположенные ролики, колесные пары или кольцевые рольганги для поддержания, вращения и перемещения труб. Вращение труб с частотой от 20 до 180 об/мин при скорости продольного перемещения в пределах 4-16 м/мин. обеспечивает стабильный нагрев и минимальное искривление. На транспортных и загрузочных рольгангах применяют электродвигатели постоянного тока, что обеспечивает регулировку скорости продвижения трубы через печь в широких пределах и реверс. Скорость задающего рольганга несколько больше скорости внутрипечного рольганга, что обеспечивает плотное прохождение труб через печь и исключает перегрев концов. Большая скорость нагрева труб в секционных печах создается за счет превышения температуры печи в сравнении с температурой нагрева металла. Так, при нагреве труб до 800-900 °C температура в секциях до 1300-1400 °С. Регулирование температуры нагрева металла достигается изменением температуры в рабочем пространстве, числом работающих секций, скоростью движения трубы через печь. Удельное время нагрева в секционных печах под закалку или нормализацию составляет 3-6 мин на 1 см толщины стенки, средняя скорость нагрева 2-10 град. С/с. Недостатком секционных печей являются сложности с нагревом труб с утолщенными концами, что требует предварительного подогрева в индукторах или пламенных печах, а также невозможность обеспечения технологической выдержки. Последнее не позволяет использовать секционные печи для отпуска труб из коррозионностойких сталей.

Проходные печи с роликовым подом обычно используются для нагрева под нормализацию (800-900 °С), под отпуск (600-850 °С) или отжиг (900-950 °С). Сортамент обрабатываемых труб по диаметру 86-325 мм и толщине стенки 5-57 мм. Эти печи широко используются для отжига труб из шарико-подшипниковых сталей. Проходные роликовые печи - универсальные агрегаты, так как могут работать по сложному режиму (нагрев, выдержка, охлаждение) или простому (непрерывному движению труб через печь). Удельное время нагрева при нормализации и отпуске закаленных труб составляет 8-10 мин на 1 см толщины стенки (при отпуске с выдержкой 15 мин). При отпуске легированных сталей удельное время такое же, но 50 % времени затрачивается на нагрев и 50 % на выдержку. Производительность проходных роликовых печей в зависимости от сортамента составляет при нормализации 17-35 т/ч и при отпуске 4-24 т/ч. Основным недостатком этих печей является пакетная загрузка, что затрудняет их применение в потоке производства, и отсутствие вращения трубы.

Печь с шагающими балками предназначена для выравнивания температуры по сечению и длине трубы, а также для обеспечения технологической выдержки при отпуске. Печи с шагающим подом нашли широкое применение для термической обработки труб нефтяного сортамента. Они работают как отпускные в сочетании с секционными печами для закалки или как закалочные и отпускные. Преимущество печей с шагающим подом - равномерный нагрев труб, к том числе и с утолщенными концами, возможность осуществления технологической выдержки, предотвращение искривления труб в процессе нагрева за счет их вращения. Другим достоинством ПШБ является возможность варьирования длительностью выдержки и обеспечения поштучной выдачи труб, что удобно для компоновки с агрегатами, предназначенными для исправления размеров труб после термоупрочнения (калибровочными и правильными станами). Недостатком печей с шагающими балками является то, что они обеспечивают качественный нагрев труб только при ритмичной работе. В случаях снижения темпа, вынужденных остановок трубы начинают вращаться медленнее или полностью останавливаются, что приводит к искривлению труб и ухудшению равномерности нагрева.

Печи индукционного нагрева, обеспечивают более гибкое регулирование (без опасности перегрева тела трубы), а также позволяющий легко обрабатывать трубы разной длины. Индукционный нагрев имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с печным: более высокие скорости нагрева (возможность получения более мелкого зерна аустенита); ограниченное образование окалины; низкое потребление энергии; возможность высокой степени автоматизации; облегчение условий труда.

К недостаткам этого способа нагрева относятся влияние точности размеров труб, особенно разностенности, на точность нагрева; трудность обеспечения равномерного нагрева по длине трубы из-за эффекта перегрева концов труб.

При термообработке в печах с защитной атмосферой трубы охлаждаются в камерах, являющихся элементом конструкции печи. При термической обработке труб в печах без защитной атмосферы, трубы охлаждают на рольганге за печью на охладительных столах разных конструкций, в ванных с водой, маслом или другими жидкостями.

Для охлаждения труб на воздухе используют удлиненные рольганги. При необходимости ускоренного охлаждения применяют обдувку труб воздухом или водовоздушной смесью.

Толстостенные трубы после нагрева под закалку охлаждают в ваннах. Ванны часто снабжают устройствами принудительной продувки внутреннего канала воздухом, чтобы освободить их от пара и обеспечить бесперебойное прохождение воды или другой жидкости, а также механизмами вращения труб при погружении их в ванну для предотвращения искривления. Толстостенные трубы, нагретые под закалку, охлаждают в водяных или воздушных спрейерах.

1.4 Физико-механические свойства бесшовных труб нефтяного сортамента

К бесшовным трубам для термообработки труб предъявляются следующие требования по механическим свойствам указанных в таблице 1.3

Таблица 1.3 - Требования по механическим свойствам

Наименование показателя	Норма механических свойств для стали группы прочности
	Д	К	Е	Л	М	Р
	Исполнение
	А	Б
Временное сопротивление ук, не менее, МПа (кгс/)	655 (66,8)	638 (65,0)	687 (70,0)	689 (70,3)	758 (77,3)	823 (83,9)	1000 (101,9)
Предел текучести ут: - не менее, МПа (кгс/мм2) - не менее, МПа (кгс/мм2)	379 (38,7) 552 (56,2)	373 (38,0) - -	491 (50,0) - -	552 (56,2) 758 (77,3)	654 (66,8) 862 (87,9)	724 (73,8) 921 (93,9)	930 (94,9) 1137 (116,0)
Относительное удлинение д, %, не менее	14,3	16,0	12,0	13,0	12,3	11,3	9,5

2. Технологическая часть

2.1 Обзор существующих методов термообработки

Нормализация труб. При производстве труб нефтяного сортамента нормализацию как термическуюоперацию применяют в тех случаях, когда требуемые механические свойстваметалла труб (предел текучести до 539,4 МН/мІ (55 кг/ммІ) можнополучить из стали простой, дешёвой марки типа 36Г2С).Нормализацию труб следует производить после полного их потемнения послепрокатки. В этом случае крупнозернистая и неоднородная структура стали,полученная в результате высокого нагрева перед прокаткой, подвергается посуществу перекристаллизации в процессе охлаждения и последующего нагрева поднормализацию.Температура нормализации труб марки 36Г2С находится в пределах 830-890єC.Если после нормализации предел текучести или предел прочности нижеобусловленных ГОСТом норм, то температуру повторной нормализации следуетповысить на 20-30єC. Неудовлетворительные результаты испытаний поотносительному удлинению, относительному сужению или ударной вязкости можноисправить снижением температуры на 20-30єC.Заметное влияние на изменение механических свойств оказывает скоростьохлаждения труб. Для труб из стали 36Г2С применение ускоренного охлажденияобдувкой воздухом повышает предел прочности высаженных концов на 4,5%, пределтекучести на 5,4%, ударную вязкость на 13,7%, относительное удлинениепрактически остаётся без изменения.

Точные режимы термической обработки устанавливают при помощи лабораторных ицеховых экспериментов с учётом термической характеристики печи, условийохлаждения и специфичности свойств данной стали. Температура нормализации длястали данной марки должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить получениегомогенно-бейнитной структуры, являющейся основой для получения после отпускавысоких прочностных и пластических свойств.Если температура нормализации является универсальной для стали данной марки,то температуру отпуска часто устанавливают индивидуально для отдельной плавкив зависимости от её химического состава.

Контроль температуры труб при нагреве и выдержке в методических печах производяттермопарой, вставляемой в трубу. Температура печи контролируется по боковым исводовым термопарам, а температура выдаваемых труб - с помощью оптическогопирометра или других приборов. Боковые термопары устанавливают так, чтобы ихпоказания были выше температуры металла на 20-30єC.

На величину зерна и механические свойства нормализуемых труб, крометемпературы нагрева металла и скорости охлаждения, оказывает также влияниевремя нагрева и выдержки металла в печи. Для получения мелкозернистойструктуры время выдержки не должно превышать определённо величины.Общая продолжительность нагрева в методических печах с наклонным подом длятруб с толщиной стенки от 7 до 30 мм колеблется от 70 до 140 мин, времявыдержки от 10 до 25 мин. Меньшее время соответствует трубам меньшимистенкой и диаметром.Нормализация с охлаждением на воздухе труб из стали 36Г2С необеспечивает требований ГОСТа на трубы марки Е.

Микроструктура металла таких труб состоит из крупных, строчечно-расположенных выделений феррита и сорбитообразного перлита. Такая структурасвидетельствует о недостаточном охлаждении труб при нормализации. Пределыпрочности и текучести имеют низкое значение. Более сильное охлаждение впроизводственных условиях струёй сжатого воздуха повышает предел прочности иотносительное удлинение, однако предел текучести при этом находится награнице норм.

Макроструктура этой стали после охлаждения струёй сжатого воздуха имеет более мелкое зерно, направленность структурных составляющихотсутствует.Достаточносильное охлаждение по всей длине труб при условии ихвращения позволит наладить получение обсадных труб из стали 36Г2С марки Е.

Микроструктура обсадных труб после нормализации состоит из смеси троостита смелкопластинчатым перлитом и разорванной ферритной сетки. С повышениемтемпературы отпуска в структуре стали появляется сфероидизированный цементит.Нагрев поверхности трубы и прогрев её по сечению в современных печахскоростного нагрева протекает весьма интенсивно с высокойпроизводительностью. Однако в таких печах весьма трудно, а подчас невозможноосуществить технологическую выдержку, необходимую для протекания диффузионныхпроцессов и фазовых превращений в металле.

Поскольку скорость диффузионных процессов зависит не только от времени, но иот температуры, возникает возможность сократить во времени технологическуювыдержку труб при нагреве повышением температуры.

Закалка и отпуск труб. Наивысшие показатели прочностных и пластических характеристик труб можнополучить путём закалки с последующим отпуском.Применение закалки с отпуском позволяет улучшить свойства труб изуглеродистой или низколегированной стали до уровня или даже несколько вышесвойств нормализованных труб из стали, легированной марганцем, молибденом,ванадием и др. Внедрение закалки с отпуском вместо нормализации позволяетпри производстве высокопрочных труб нефтяного сортамента сэкономить большоеколичество марганца, молибдена, вольфрама и других легирующих элементов приодновременном улучшении свойств труб.

В промышленности имеют место следующие основные технологические приёмыулучшения стали: методический нагрев в проходных печах - закалка в ваннах -отпуск в методических печах, скоростной нагрев в секционных печах - закалка вспреере - отпуск в секционных или роликовых печах. Встречается также нагревпод закалку и отпуск в индукционных нагревательных устройствах и другиесочетания указанных способов нагрева.

Методический нагрев, закалка в ваннах. Закалка труб в ваннах не получила большого применения. Прочностные и пластические показатели при закалке труб в ванне, как ипри других способах закалки, в сильной степени зависят от температуры закалкии, особенно, от температуры отпуска. Температура закалочной среды такжеоказывает заметное, хотя и в меньшей степени, влияние на показателимеханических свойств.С увеличением температуры отпуска для всех режимов нагрева и температурзакалочной среды пределы прочности и текучести заметно снижаются, но ненастолько, чтобы при самых высоких температурах отпуска не удовлетворятьтребованиям, предъявляемым к трубам марки Е. Величина относительного удлиненияпри этом достигает наибольших значений при температуре отпуска 650єC.При повышении температуры закалки предел прочности после отпуска понижается.Такая же картина наблюдается и по пределу текучести.Наибольшие показатели относительного удлинения также зависят от температурызакалки и отпуска и, например, для стали 36Г2С могут быть получены притемпературе закалки 850єС, отпуска 650єС.

С увеличением температуры закалочной среды предел текучести стали после отпускапонижается, тогда как предел прочности почти не изменяется. Относительноеудлинение достигает максимальных значений при закалке в воде, подогретой дотемпературы 40-60єС.Подбирая режим термической обработки, можно получить при определенных условияхнаилучшие показатели механических свойств для стали данной марки. Так для стали36Г2С такими условиями являются: температура закалки 850єС, отпуска650єС, воды 40-60єС.

Структура закаленной и отпущенной стали в этом случае состоит из мелкодисперсного сорбита без свободных выделений феррита, чтосвидетельствует о переходе при нагреве за критическую точку Ас3,а, следовательно, о полной закалке стали.Высокие пластические и прочностные свойства, соответствующие требованиям марки Е, а по переделу текучести марки Л, обеспечивает полная термическаяобработка труб, полученных с автоматического стана из катаной заготовки сталимарки 36Г2С.В данном случае нагрев труб под закалку осуществляли в методической проходнойпечи с наклонным подом, а отпуск - в камерной печи с выдержкой порядка двух часов.

Закалку производят в ванне с водой, подогретой до температуры 40-60єС.Закалка в ванне труб (299Ч9мм) из сталей марок С, Д и К с температурой 840-850єС с последующим отпуском при 640-650єС обеспечиваетмеханические свойства более высокого класса, чем труб из этих же сталей, нотермически не обработанных.

Скоростной нагрев, закалка в спреере. В настоящее время нет достоверныхданных о влиянии на механические свойства металла скоростного нагрева подзакалку при различных температурах.При нагреве стали 36Г2С со скоростью 8 град/сек с увеличением температурызакалки от 870 до 1000єС прочность и пластичность стали повышаются: пределпрочности с 961,0 (98) до 1098 МН/мІ (112 кг/ммІ), предел текучести с813,9 (82) до 1029,6 МН/мІ (105 кг/ммІ), относительное удлинение с 14до 16% и ударная вязкость с 7,84 (8) до10,8 МДж/мІ (11 кг·м/смІ).Закалка от температуры 800-1000єС при обычном нагреве с выдержкойпрактически не изменяет предела прочности и предела текучести.Ударная вязкость и относительное сужение достигают наиболее высоких значенийпосле закалки от 840єС. Дальнейшее повышение температуры закалки ведет кпонижению пластичности.Скоростная термическая обработка позволяет получать механические свойствадаже несколько более высокие, чем при обычной термической обработке, однакотемпература нагрева при скоростной закалке должна быть несколько болеевысокой.Гладкие обсадные и другие трубы при скоростной закалке подвергают тольконаружному струйному охлаждению.Из стали низколегированной марки 36Г2С путем скоростного нагрева в сочетаниисо струйным охлаждением можно получать трубы марок Л и М.Трубы размером 73Ч9Ч7000мм из стали 36Г2С химического состава С=0,38%, Mn=0,54%,Si=1,52%, P=0,028%, S=0,023%, Cr=0,09%, Ni=0,10% нагревали под закалку всекционной печи со скоростью 4,6-5,0 град/сек до температуры 860-870єС.Охлаждение водой осуществляли в спреере соплового типа. Длина спреера идавление воды обеспечивали охлаждение труб до комнатной температуры за времяпрохождения их через спреер.Скорость нагрева труб в секционных печах под отпуск 5,5-6,5 град/сек.Температура отпуска 660єС. Охлаждение после отпуска на воздухе.Все обработанные указанным способом трубы удовлетворяли требованиям стандартамарки М (95%) и марки Л (5%) по всем характеристикам механических свойств, заисключением предела прочности.У основной массы труб (75% из стали 36Г2С) предел текучести превышал 833,6МН/м2 (85 кг/мм2), а характеристики пластичности и ударной вязкости не толькосоответствовали требованиям стандарта для сталей Л и М, но в большинствеслучаев значительно превышали их.Относительное удлинение для 88% из стали 36Г2С было выше 16%, ударнаявязкость для 90% труб выше 8,82 Мдж/м (9кгм/см2).Типичной микроструктурой металла труб после термической обработки являетсясорбит отпуска. Вследствие недостаточного нагрева труб под закалку иногданаблюдалась структура сорбита с ферритной составляющей по границамаустенитных зерен.Высокая температура горячей деформации труб приводила к крупнозернистойструктуре металла труб (балл 2-3), представляющей собой перлит с ферритнойсеткой по границам аустенитных зерен. Такая исходная структура затрудняетаустенизацию стали при скоростном нагреве под закалку.

Для улучшения качестватермообработанных труб целесообразно горячекатаные трубы перед закалкойподвергать нормализации.Увеличение давления и расхода охлаждающей воды при одностороннем охлаждениине дает положительного эффекта.Двустороннееохлаждение в спреере обеспечиваетсквозную прокаливаемость концов обсадных труб и дает возможность получать изстали 36Г2С обсадные трубы марки Л и М, а из стали Д трубы марки Е и К.Уменьшение механических свойств высаженных концов термически обработанныхтруб объясняется не только изгибом волокон, что имеет место и в трубах простонормализованных, но также и возможной неполной прокаливаемостью стенок.

Однако, в условиях достаточного нагрева иохлаждения при скоростной термической обработке можно получить трубы, укоторых механические свойства тела трубы и высаженных концов будутравномерными и достаточно высокими. Этому в значительной мере способствуетнормализация обсадных труб перед окончательной термической обработкой,которая измельчает зерно стали, выросшее в процессе высадки. Более дисперснаяструктура металла, как известно, ускоряет его аустенизацию при нагреве, чтоособенно важно при скоростной термической обработке.

Предварительная нормализация повышает прочностные характеристики высаженныхконцов примерно на 10%, а характеристики пластичности - на 40-60%.

Нагрев токами высокой частоты, закалка в спреере. Установка для закалкисостоит из индуктора для нагрева движущейся трубы под закалку. Нагретый участоктрубы охлаждается в спреере вращающимся потоком воды, установленнымнепосредственно за индуктором. Отпуск закаленного участка трубы производитсятакже путем нагрева токами высокой частоты во втором индукторе, находящемся заспреером. Труба при термообработке движется горизонтально со скоростью примерно1 м/мин.Для уменьшения осевого искривления труб последние приваривают друг к другу внепрерывную полосу.Такой термической обработке подвергали обсадные трубы диаметром 168 и 141 ммс толщиной стенки 8-14 мм из стали марки 36Г2С. Скоростной нагрев проводили на частоте 2500 Гц.Температура нагрева под закалку составляла 850-950єС, температура отпуска500-725єС в зависимости от марки стали и толщины стенки трубы.

После термической обработки значительно повышаются не только запас прочноститруб, но их пластические свойства. Недостатком такой установки является низкая ее производительность.

2.2 Термическая обработка концов труб

Недостатком муфтовых резьбовых соединений труб является ослабленноетело трубы в нарезке.Одним из способов достижения равнопрочности является упрочнение концов самойтрубы при помощи термической их обработки.Технологию упрочнения концов труб ведут путем нагрева всей трубы споследующей закалкой концов в спреерной установке. В этом случае концы трубподвергают закалке, а всю остальную часть трубы - нормализации.По другой технологии нагревают только концы труб с последующей их закалкой.При нагреве под закалку только концов труб наблюдаются две переходные зоны:

- зона перехода от закалочного участка к нормализованному (температура вышеАс3) и зона с градиентом температур критического интервала и высокого отпуска;

- вторая переходная зона характеризуется снижением прочностных свойствпримерно на 5-12%, по отношению к исходным при одновременном повышенииотносительного удлинения и относительного сужения.

2.3 Термомеханическая обработка обсадных труб

В последнее время получают развитие новые технологические процессыкомбинированного термомеханического воздействия на структуру и свойстваобсадных труб, позволяющие значительно улучшить их эксплуатационныехарактеристики и обеспечить существенную экономию металла в народномхозяйстве.На линии для комбинированного высокотемпературного термомеханическогоупрочнения обсадных труб горячекатаные трубы - заготовкипосле прокатки наавтоматстане поступают на входную сторону раскатных станов и прокатываютсяздесь до необходимого по технологии размера. Существующие раскатные станы всоответствии с результатами проведенных ранее исследований заменяются болеемощными двухвалковыми с осевой выдачей раската для осуществления прокатки с обжатиями по толщине стенки до 20%(вместо 3-5%на существующих станах).

После раскатки трубы подвергают закалке в спрейерных охлаждающих устройствах,совмещенных с оборудованием выходной стороны раскатных станов. Трубы, имеющиетемпературу на выходе в раскатные станы, более низкую, чем задано, после охлаждения автоматически исключаются от потокавысокопрочных труб и сбрасываются в карман. Закаленные трубы с выходнойстороны станов поступают на центральный рольганг и перекладывателем черезустройство для слива воды направляются на выходной рольганг отпускной печи сшагающими балками (с поперечным перемещением труб). Эта печь (с газовымобогревом) имеет две технологические зоны: нагрева и выдержки. Топливосжигают в специальных, вынесенных из рабочего пространства надсводовых топкахс рециркуляцией разбавленных продуктов сгорания в рабочем пространстве печи.

Конструкция шагающих балок предусматривает перекатывание труб не только нарабочем, но и на холостом ходу балок, что обеспечивает равномерный нагревтруб по периметру. Шагающие балки стационарные и не охлаждаются.

Далее нагретые до заданной температуры отпуска трубы поступают на рольгангвыдачи, а затем в калибровочный стан. Клети этого стана нерегулируемые, синдивидуальным приводом. Стан предназначен для тёплой и горячей калибровкитруб.

После калибровки трубы с температурой, близкой к температуре отпуска,подвергают тёплой правке на правильном стане и охлаждают на колёсномхолодильнике. При охлаждении благодаря быстрому вращению труб искривление ихпо длине почти отсутствует. Поэтому для высокопрочных труб холодную правку,как обязательную технологическую операцию можно не предусматривать. В концехолодильника есть обводной рольганг перед станами холодной правки, покоторому высокопрочные трубы направляются непосредственно для отделки. Втаблице приведены показатели механических свойств металла труб после ВТМО.

Таблица 2.3 -Механическиесвойства металла труб после ВТМО

Группа прочности по ГОСТ632-64	Температура тепловой деформации,єС	Временное сопротивление, кг/ммІ	Предел текучести, кг/ммІ	Относительное удлинение, %	Относительное сужение, %
Сталь 10
Л	600	81,0	74,1	17,5	72,0
Сталь 36Г2С
М	600	100,0	84,0	20,0	62,5

Внедрение новой технологии позволит улучшить качество труб, применить для ихизготовления исходную заготовку из более дешёвого металла и снизить эксплуатационные затраты.

2.4 ТОО «KSPSteel» - завод по производству бесшовных стальных труб

ТОО «KSP Steel» первое в Казахстане предприятие по производству стальных бесшовных труб, на рынке металлургии работает с 2007 года.

В сферу деятельности предприятия входит производство стальных бесшовных труб различного диаметра и назначения. Продукция компании с успехом используется при строительстве трубопроводов, широко применяется на объектах нефтегазодобывающих и геологоразведочных компаний, машиностроительными и промышленными предприятиями Казахстана. Продукция предприятия активно экспортируется в страны СНГ (Россия, Азербайджан, Туркменистан) и государства дальнего зарубежья, в том числе США.

В состав предприятия ТОО «KSPSteel» входят электросталеплавильный цех (ЭСПЦ), трубопрокатный цех (ТПЦ), а также вспомогательные участки: компрессорная станция, газонаполнительная станция, водоочистная и насосная станции.

Линия по производству готовой трубы начинается в ЭСПЦ. Там происходит переплавка вторичного черного металла в цилиндрические заготовки. После переплавки заготовки отправляются на зону складирования в ТПЦ. Это подготовительный этап при создании трубы, однако именно от поставок ЭСПЦ зависит деятельность трубопрокатного производства.

В ТПЦ будущая труба проходит два этапа: обработку на линии горячего проката, где из заготовки методом бурения отверстия и калибрования толщины стенкищ и диаметра получают черновую трубу, и чистовую обработку, при которой труба закаливается, тестируется на качество, маркируется и упаковывается для транспортировки.

Рассмотрим процесс изготовления черновой трубы на линии горячего проката. В зависимости от физико-химических свойств исходного материала, сортамента труб и требований к их качеству горячую деформацию осуществляют разными способами, каждому из которых присущи свои особенности, достоинства и недостатки. Независимо от способа производства горячедеформированных труб, технологическая схема включает следующие общие элементы: нагрев металла, получение полой заготовки (гильзы) и черновой трубы (раскатка гильзы), окончательное формирование стенки и диаметра трубы (редуцирование или калибрование).

Рисунок 2.1 - Обобщенная структурная схема технологического процесса получения готовой трубы

При этом перед каждой технологической операцией при необходимости проводят подогрев трубы. Таким образом, технологический процесс получения трубы можно представить в виде следующей структурной схемы (рисунок 2.1).

Технологические процессы производства горячедеформированных труб можно классифицировать по четырем основным способам: получения гильзы, черновой трубы, удержания и типу применяемых оправок раскатного стана, а также окончательного формирования геометрических размеров трубы.

Получение гильзы. В зависимости от вида и химического состава применяемой исходной заготовки (катаная, кованая, непрерывно литая, слиток) гильзы производят в станах винтовой прокатки, на прессах либо сочетанием двух процессов: получение толстостенного стакана прессованием или пресс-валковой прошивкой с последующей прошивкой донышка и раскаткой стенки гильзы в стане-элонгаторе.

Получение черновой трубы. Черновые трубы производят продольной прокаткой в автоматическом стане, непрерывном; периодической прокаткой в пилигримовом стане; винтовой прокаткой преимущественно в трехвалковом стане типа Асселя, реже - в двухвалковом стане типа Дишера или Акку-Ролл; проталкиванием стаканов через уменьшающиеся в диаметре калибры с роликовыми обоймами в реечном стане; выдавливанием металла в кольцеобразную щель в трубопрофильном прессе.

Удержание и тип применяемых оправок раскатного стана. В раскатных станах при прокатке черновых труб применяют длинные и короткие оправки. Короткие оправки удерживаются с выходной стороны автоматического стана. Длинные цилиндрические оправки применяют во всех остальных способах раскатки гильз. При этом оправка может быть неудерживаемая (плавающая), удерживаемая и частично удерживаемая. Подобного типа оправки применяют в непрерывном стане продольной прокатки или в стане винтовой прокатки типа Асселя, Дишера, Акку-Ролл. На станах периодической прокатки применяют оправки (дорны), имеющие возвратно-поступательное движение, согласованное с частотой вращения пилигримовых валков. Оправки реечного стана имеют принудительное осевое перемещение.

...