Производство сварочных труб

Производство и повышение эксплуатации характеристик сварных труб занимают особое место в жизни и деятельности Бориса Евгеньевича и Института электросварки в целом.

Первые публикации, касающиеся трубосварочного производства, относятся к концу 1950-х гг. Тогда же был выполнен системный анализ процессов производства сварных труб, применявшихся в мировой практике в период до 60-х гг. прошлого столетия. Была показана перспективность применения сварки под флюсом при изготовлении труб с продольным (прямошовные трубы) и со спиральным швом (спиральношовные трубы), хотя на первом этапе в трубопрокатном производстве главенствующее положение занимала контактная сварка труб.

Одновременно развивается и производство труб со спиральным швом, сворачиваемых из рулонной полосы (ленты). При этом отмечалась необходимость усовершенствования формовочного оборудования, поскольку собираемые кромки труб имеют превышение, что затрудняет получение швов требуемого качества.

В работе описаны способ производства и области использования плоскосворачиваемых труб. Такие трубы диаметром до 300 мм с толщиной стенки до 4 мм, конструкция которых разработана по инициативе института, нашли применение для трубопроводов с относительно невысоким рабочим давлением.

В отделе, руководимом С.А. Мандельбергом, большое внимание уделяется также оптимизации технологических схем производства труб большого диаметра. Применительно к прямошовным трубам в качестве наиболее перспективного способа рассматривается формовка в прессах, которая до настоящего времени считается наиболее эффективной и производительной для получения трубных заготовок. Интересно отметить, что уже в 1960 г. в работе упоминалось о способе формовки труб посредством многооперационной гибки листа с шаговой его подачей в поперечном направлении. Этот метод в последние годы стал одним из основных технологических процессов формовки заготовок для толстостенных труб (с толщиной стенки 30...50 мм), используемых при сооружении сверхмощных, в том числе подводных, газопроводов. С целью улучшения технологических схем производства труб с продольным швом, применявшихся в рассматриваемый период, институт предложил рациональный способ сварки и последовательность сварочных операций. Принятая очередность выполнения двусторонних сварных соединений труб (вначале наружный шов, а затем внутренний или наоборот) не только обусловливает высокое качество швов, но и позволяет рационально решить конструктивное оформление сварочных станов и повысить их производительность. На ряде отечественных и зарубежных трубосварочных заводов трубы сваривали в следующей последовательности: сборка труб с предварительным соединением кромок отдельными прихватками, далее сварка внутреннего и наружного швов. В работе такая схема производства труб была подвергнута справедливой критике, в первую очередь из-за повышенной опасности образования горячих трещин в зоне прихваток. С целью оптимизации технологической схемы производства труб Борис Евгеньевич предложил использовать для сварки внутренних швов проходного типа стан оригинальной конструкции, обеспечивающей одновременно и сборку кромок трубных заготовок.

Анализ технологической схемы изготовления спиральношовных труб впервые приводит ученого к выводу о преобладающем влиянии взаимного перемещения свариваемых кромок на возникновение в швах труб кристаллизационных (горячих) трещин. Этот вывод в дальнейшем окажется определяющим в разработке оптимальной схемы производства труб большого диаметра как со спиральным, так и с продольным швом. Например, 1960-х гг. был предложен оригинальный способ производства спиральношовных труб с применением трехслойной сварки.

Новая технология изготовления спиральношовных труб и спроектированное для этой цели оборудование (станы разработаны ВНИИТМетмашем, а специализированные аппараты для сварки — ИЭС им. Е.О. Патона) введены в действие в 1963 г. на Ждановском металлургическом заводе им. Ильича. Сваривали трубы диаметром до 1220 мм с толщиной стенки до 15 мм. Технологический и рабочие швы выполняли под флюсом, причем для первого шва применяли одно-, а для остальных швов — двухдуговую сварку.

При строительстве в 1970-х гг. нового трубосварочного цеха на Харцызском трубном заводе идея трехслойной сварки была развита применительно к производству прямошовных труб диаметром 1420 мм из двух полуцилиндрических заготовок, формуемых из относительно узких листов. Для обеспечения высокой производительности сборочного стана технологические швы сваривали в защитном газе на двух многоголовочных станах одновременно шестью сварочными аппаратами, что обеспечило высокую производительность стана — до 40 труб в час.

Совершенствование сварочных технологий и систем контроль для трубного производства постоянно входит в тематику института. В работе при исследовании двухдуговой сварки было установлено, что взаимодействие дуг, горящих в общую сварочную ванну, существенно влияет на их положение относительно жидкого металла сварочной ванны и, следовательно, на положение самой ванны относительно дуг. При трехфазном питании и сдвиге фаз магнитное взаимодействие приводит также к цикличным перемещениям дуг вдоль продольной оси ванны. Частота этих перемещений вдвое превышает частоту переменного тока. При комбинированном питании (одна дуга переменного тока, другая — постоянного тока) дуги перемещаются с вдвое меньшей частотой. Раскрытие механизма этих перемещений легло в дальнейшем в основу разработки новых процессов трех-, четырех- и пятидуговой сварки труб.

Новые технологии, предназначенные для применения при производстве труб большого диаметра, разрабатывали в ИЭС им. Е.О. Патона в комплексе со специализированным трубосварочным оборудованием. Описание образцов такого оборудования дано в работах, причем основное внимание уделено модульному принципу проектирования с использованием унифицированных узлов.

В работе ставится вопрос о совершенствовании средств контроля качества сварных труб большого диаметра магистральных трубопроводов с целью повышения надежности их эксплуатации. Подчеркивается необходимость широкого применения ЭВМ в системах неразрушающего контроля сварных соединений для обработки и визуализации результатов, а также включения таких систем в технологические линии массового поточного производства труб.

Выбор стали для труб является важнейшим звеном решения проблемы транспортных трубопроводов. Еще в ранних работах о трубном производстве Борис Евгеньевич провел сравнительный анализ стали, применяемой в отечественном трубосварочном производстве и за рубежом. Было отмечено, что при близком химическом составе указанных сталей отечественный трубный металл того периода отличался повышенными отклонениями по толщине и значительным разбросом механических свойств.

Требования к металлу для производства труб обобщены в работе. Указывается, что подход к решению этой проблемы, как и в случаях других сварных конструкций, должен состоять в применении материалов, специально разрабатываемых с учетом пригодности к сварке и требований сварочных технологий.

В 1963 г. были начаты интенсивные исследования с целью использования «чистых» сталей (с низким содержанием серы и в целом неметаллических включений) для сварных конструкций широкого назначения, в том числе труб большого диаметра. Эти исследования базировались на опыте создания стали высокой чистоты по содержанию вредных примесей в изделиях спецтехники, в частности полученных путем электрошлакового, плазменно-дугового и электронно-лучевого переплавов. В мартеновском и электросталеплавильном производстве начали применять рафинирование металла в ковше жидким синтетическим шлаком. Это расширило возможности применения чистого металла. В работе показано, что рафинирование (повышение чистоты) значительно улучшает пластические свойства и увеличивает энергоемкость вязкого разрушения стали, в том числе на стадиях зарождения и развития вязкой трещины.

Б.Е. Патон стал инициатором исследований, посвященных увеличению производительности (пропускной способности) магистральных трубопроводов, в частности за счет повышения давления транспортируемого продукта. Вопросы обеспечения трубопроводных систем сверхвысокого давления (10...12 МПа) соответствующими трубами рассматриваются в работах, опубликованных еще в начале 1980-х гг. К сожалению, в тот период его предложения в части строительства магистральных трубопроводов высокого давления по различным причинам не получили должного развития. Как показало время, реализация в последние годы ряда уникальных проектов сооружения подземных и подводных газо- и нефтепроводов с рабочим давлением до 12,5 МПа и перспективы создания трубопроводных систем давлением до 14 МПа полностью подтверждают его предвидение.

Важнейшим вопросом развития систем трубопроводного транспорта является обеспечение надежности их эксплуатации. Этой проблеме посвящено ряд основополагающих работ Бориса Евгеньевича. В статье, опубликованной в 1982 г., отмечается, что для обеспечения работоспособности прежде всего необходимо исключить возможность появления протяженных участков разрушения магистральных трубопроводов. Известно, что вязкость трубной стали оценивается по ряду показателей. Использование при оценке качества трубной стали и труб большого диаметра испытаний крупномасштабных образцов падающим грузом (DWTT) и обеспечение в изломе таких образцов 80 % вязкой составляющей при расчетной температуре эксплуатации трубопроводов исключают возможность появления хрупких лавинных разрушений. Нормативное значение ударной вязкости, достигаемое на образцах с острым надрезом, должно отражать сопротивление металла вязким разрушениям. Было показано, что для газопроводов диаметром 1420 мм на давление 7,5 МПа значение ударной вязкости 80 Дж/см2 еще не исключает полностью опасность разрушений. Чтобы гарантировать остановку развивающейся трещины в газопроводах на давление 10 МПа, металл труб должен иметь ударную вязкость при температуре эксплуатации не менее 180 Дж/см2, а на давление 12 МПа — не менее 210 Дж/см2. Обеспечить такой уровень вязкости трубной стали в указанный период не представлялось возможным. Поэтому в качестве одного из путей решения этого вопроса рассматривался конструктивный подход, в частности установка специальных гасителей протяженных разрушений. В случае локализации разрушений с помощью гасителей требования к стали в отношении ее сопротивления распространению трещины перестают быть определяющими.

Методы локализации вязких разрывов газопроводов, которые сооружаются из труб, исключающих хрупкие разрушения, изучались Б.Е. Патоном также в работах. В них подробно рассмотрены различные конструктивные решения стопорных устройств-гасителей, гарантирующих остановку движущейся вязкой трещины в пределах их длины. Распространение трещины в газопроводе происходит под действием освобождающейся упругой энергии стенки и энергии истекающего газа. При этом последняя значительно превышает упругую энергию стенки и оказывает решающее воздействие на процесс распространения и остановки разрушения. Поэтому погасить такую большую энергию известными способами, например установкой барьеров в виде накладок или увеличением толщины материала, весьма сложно. Было доказано, что более рационально останавливать разрушение путем изменения продольной траектории движения трещины на геликоидальную, что наиболее просто может быть достигнуто путем создания разрыва сплошности в стенке. С этой целью предложен новый тип барьера в виде многослойного пакета, в котором часть слоев имеет сквозные прорези, расположенные под углом к вероятному пути распространения трещины. Теоретический анализ и испытания показали, что наличие прорезей даже в части слоев стенки обеспечивает необходимые условия для остановки трещины во всех слоях. Прорезь в этом случае решает двойную задачу: останавливает трещину в том слое, в котором она выполнена, и обеспечивает создание «бандажа» для выше- и нижележащих слоев, не имеющих прорези, в виде неразрушенного участка стенки за прорезью.

Возрастающие требования к трубному металлу, значительное усложнение технологии его производства создали в 1980-е гг. предпосылки для поиска решений, при которых надежность газопроводов обеспечивается благодаря использованию специальных конструкций труб. Институтом предложена новая конструкция трубы с многослойной стенкой. В основу ее создания положены данные о снижении вероятности зарождения разрушения в многослойном металле и особенностях распространения зародившейся трещины, резко ограничивающих ее протяженность.

Принципы создания новых конструкционных материалов для производства труб большого диаметра были развиты в работах. Речь идет о получении так называемой квазислоистой (KCM) и армированной квазимонолитной (AKM) стали, получаемой горячей деформацией заготовок, состоящих из отдельных элементов одного химического состава или из литых заготовок, армированных твердыми вкладышами.

В последние годы достаточно широко обсуждаются различные проблемы старения металла работающих магистральных трубопроводов. Эти вопросы, которые имеют важнейшее значение для обеспечения длительной безаварийной эксплуатации трубопроводных систем, были детально рассмотрены в работе. Термин «старение» материалов трактуется достаточно широко: в него включают процессы, характеризующие изменения в материалах, связанные с длительностью эксплуатации конструкции, роль конструктивных факторов и т. п. Оглядываясь на полвека назад можно сказать, что в действующих и ныне строящихся магистральных трубопроводах различного назначения есть весомый вклад коллектива Института электросварки и постоянного руководителя этих работ Бориса Евгеньевича Патона.

В Институте электросварки предложен классификационный подход к оценке состояния материалов находящихся в эксплуатации трубопроводов. На основе большого массива экспериментальных данных показано, что во многих случаях материал несущих элементов трубопроводов (основной металл и сварные соединения) после длительных сроков эксплуатации сохраняет высокую работоспособность и, следовательно, может обеспечивать их эксплуатацию в безаварийном режиме. Предложенные подходы к оценке состояния материала широко используются при проведении диагностических обследований трубопроводов и определении их остаточного ресурса.