Бесшовная стальная труба: производство, стандарты и области применения

Как нетрудно догадаться по названию статьи, она посвящена тому, каким образом, по каким стандартам и для чего производится стальная бесшовная труба.

Стенка такой толщины — верный признак бесшовной трубы

Виды труб

Давайте начнем издалека.

По каким признакам вообще классифицируются трубы?

• Метод производства. Выделяются электросварные прямошовные трубы, электросварные трубы со спиральным швом, бесшовные горячедеформированные трубы, бесшовные холоднокатаные и теплодеформированные трубы.
  Впрочем, последние две категории объединяются общим стандартом, так что рассматривать их отдельно смысла нет.
• Толщина стенок. Выделяют особо толстостенные трубы, толстостенные, тонкостенные и особо тонкостенные. Отличие заключается в соотношении наружного диаметра и толщины стенок.

Важно: для труб диаметром меньше 20 миллиметров классификация по толщине стенок имеет несколько другой вид.

Трубы со стенками толщиной менее 1,5 миллиметра относятся к тонкостенным, а с толщиной менее 0,5 мм — к особо тонкостенным.

• Наличие или отсутствие антикоррозионного покрытия. Стандартами предусмотрено цинкование только водогазопроводных и прямошовных электросварных труб; однако оцинкованными могут производиться абсолютно любые стальные изделия, независимо от метода производства, размеров и формы.

Цинком можно покрыть любое стальное изделие

Герой нашей статьи — стальная труба бесшовная, без отбора по толщине стенок и без цинкового покрытия.

Методы изготовления

Если все электросварные трубы производятся из плоского листа, который на начальном этапе сворачивается в трубку, то сырье для бесшовных труб — штанга, цилиндрическая монолитная заготовка.

Горячедеформированная труба

Основные этапы производства горячедеформированной трубы таковы:

• Заготовка отправляется в печь, где разогревается до температуры примерно на 50 градусов выше точки рекристаллизации стали.
  При этом металл становится пластичным; однако до температуры плавления еще далеко.
• Раскаленная заготовка поступает на прошивной пресс, где она превращается в полый цилиндр.
  Металлурги называют его гильзой. Внешне гильза уже представляет собой трубу, но весьма неправильной геометрии и с размерами, далекими от целевых.
• Затем несколько групп вальцов осуществляют собственно горячую деформацию заготовки: она приобретает необходимые диаметр и толщину стенок, при этом несколько вытягивается в длину.
• Готовая  труба бесшовная стальная остужается водой и калибруется в последних в линии вальцах.
• После этого остается лишь разделать трубу на отрезки необходимой длины и отправить на склад.

Весь цикл производства горячедеформированная труба остается раскаленной и пластичной

Холоднодеформированная труба

Производство холоднодеформированной (холоднокатаной) трубы отличается от предыдущей всего двумя ключевыми моментами:

• После прошивного стана гильза охлаждается водой и все дальнейшие операции проходит при температуре ниже той, при которой сталь делается пластичной.
  Отсюда название — «холоднокатаная». Холодной заготовку, впрочем, можно назвать весьма условно: при деформации в вальцах сталь выделяет очень много тепла.
• Перед финальной калибровкой холоднодеформированная труба обязательно проходит отжиг.
  Она опять разогревается до температуры рекристаллизации и остывает. Зачем? Чтобы металл стал более пластичным и вязким и избавился от накопившихся при деформации внутренних напряжений.

Эти вальцы придают форму холоднокатаной трубе

Стандарты и сортамент

Трубы стальные бесшовные производятся по двум стандартам в зависимости от метода производства:

1. Горячедеформированные трубы производятся по ГОСТ 8732-78;
2. Холоднодеформированные трубы изготавливаются по ГОСТ 8734-75.

Что говорят стандарты об этих видах труб?

Горячедеформированные ГОСТ 8732-78

Сортамент стальных труб этого стандарта включает диаметры от 20 миллиметров до 550. Минимальная толщина стенок 2,5 миллиметра; самая толстостенная трубы имеет стенку толщиной 75 миллиметров.

Трубы могут изготавливаться немерной длины от 4 до 12,5 метра или мерной длины в тех же пределах. Возможно производство труб кратной мерной длины. Диапазон размеров — те же самые 4-12,5 метра; на каждый рез делается припуск 5 миллиметров.

Кривизна произвольного участка трубы обязана находиться в пределах полутора миллиметров для труб с толщиной стенок менее 20 миллиметров; двух миллиметров для стенок в диапазоне 20-30 мм и 4 миллиметров для стенок толще 30 мм.

Стандарт регламентирует предельные отклонения по наружному диаметру трубы и по толщине ее стенок. С полной таблицей сортамента и таблицей предельных отклонений при производстве труб можно ознакомиться в приложении к статье.

Наиболее толстостенные трубы производятся по этому стандарту

Холоднодеформированные ГОСТ 8734-75

Трубы  производятся диаметром от 5 до 250 миллиметров при стенках толщиной от 0,3 до 24 миллиметров.

В таблице сортамента (она тоже присутствует в приложениях) трубы четко разделены на четыре группы по толщине стенок.

• Трубы с отношением внешнего диаметра к толщине стенок больше 40 относятся к особо тонкостенным;
• Трубы, у которых отношение внешнего диаметра к толщине стенок в диапазоне от 12,5 до 40, стандарт относит к тонкостенным;
• Толстостенные трубы имеют это соотношение в диапазоне 6 —  12,5;
• Наконец, с отношением внешнего диаметра к толщине стенок менее шести трубы считаются особо толстостенными.

Кроме того, трубы диаметром 20 мм и меньше могут быть отнесены к двум категориям исходя из абсолютного значения толщины их стенок: трубы со стенками тоньше 1,5 миллиметров — тонкостенные, если же стенки тоньше 0,5 мм — трубы относят к особо тонкостенным.

О чем еще говорит стандарт?

• Трубы с соотношением диаметра к стенке более пятидесяти при диаметре больше 100 мм и трубы с отношением внешнего диаметра к толщине стенок менее четырех поставляются исключительно после согласования технической документации с заказчиком;
• Допустимы незначительные овальность и разностенность труб. Ограничение — допуски по диаметру и толщине стенок (они тоже приведены в приложении): если разностенность и овальность не выводят трубу за пределы этих допусков, то все в порядке.
• Кривизна произвольного участка трубы на погонный метр не должна превышать 3 миллиметров для труб от 4 до 8 миллиметров, 2 миллиметров для труб в диапазоне диаметров 8 — 10 мм и полутора миллиметров для труб свыше 10 миллиметров.
• По соглашению с заказчиком возможна поставка труб без финальной термообработки. Но ТОЛЬКО по соглашению: в общем случае отжиг является обязательным.

Холоднодеформированные тонкостенные трубы имеют высочайшую прочность при небольшой массе

Области применения

То, где применяются  бесшовные стальные трубы, определяется их качествами: отсутствием шва, огромной прочностью на разрыв, невозможностью утечек (сварные трубы, несмотря на обязательную дефектоскопию, через некоторое время эксплуатации иной раз грешат этим) и возможностью производить их с очень толстыми стенками.

Обратите внимание: 75-миллиметровая стенка для стандартных горячедеформированных труб — не предел.

Могут поставляться трубы вне стандартов, с толщиной стенок, ограниченной лишь размерами заготовки. Такие трубы получаются продольным сверлением откалиброванной болванки.

Однако, назвать их дорогими будет крайне толерантным преуменьшением.

• Гидравлические системы. Что такое гидравлический цилиндр, поднимающий, к примеру, кузов БелАЗа? Это поршень, в оболочку которого под кошмарным давлением нагнетается масло и выдавливает его наружу.

Сам поршень обычно изготавливают из нержавеющей стали и полируют: он контактирует в атмосферным воздухом, черная сталь может заржаветь. А вот сам гидравлический цилиндр — ничто иное, как толстостенная бесшовная труба.

Представляете, какое давление в этот момент внутри гидравлического цилиндра?

• Энергетика. Тепло мало произвести — его еще нужно отобрать у котла и превратить во вращение турбины или в нагрев воды в теплотрассе.
  Теплосъемники в котле — так называемые экраны и ширмы — изнутри пытается разорвать перегретый пар; снаружи же бушует пламя.

Здесь от толщины стенок зависит не только способность трубы противостоять разрыву внутренним давлением, но и то, за сколько лет эта труба прогорит. Остановка котла и его вскрытие для ремонта — удовольствие долгое и очень дорогое: дорог и сам ремонт, и прекращение подачи тепла. Здесь применение толстостенной бесшовной трубы более чем окупается.

• Что такое добыча нефти? Это последовательно: бурение скважины; установка в нее обсадной трубы; откачка нефти; ее трансфер по нефтепроводу.

Глубина скважин исчисляется сотнями метров; бур проходит скальные породы, обсадная труба должна противостоять подвижкам толщ грунта, а насосно-компрессорные трубы должны выдерживать давление в сотни атмосфер. Как вы думаете, какие трубы там применяют?

Чтобы выкачать нефть с глубины в сотни метров, труба должна быть впечатляюще прочной

• Химическая промышленность использует на только толстостенные, но и тонкостенные бесшовные трубы. Зачем?
  Если на некоторых этапах переработки нефти или полимеризации газов требуются огромные давления ( и там безраздельно властвует толстостенка), то экспериментальные лаборатории порой имеют дело с высокотоксичными препаратами.

Вспомните хотя бы оборонные предприятия. Особая прочность на разрыв не нужна, однако утечка даже нескольких молекул абсолютно недопустима.

И тут, все в белом и на белом коне, появляются стальные бесшовные трубы: нет шва — нет и возможности утечки.

• В авиации, автомобильной промышленности и судостроении востребована прочность тонкостенной бесшовной трубы при ее минимальном весе.
  Логично: там ведь лишние килограммы означают перерасход топлива, а углеводороды совсем недешевы…

Соединение бесшовных труб

Есть ли какие-либо особенности у методов, которыми стыкуются бесшовные трубы?

Принципиальной разницы с электросварными трубами нет.

А вот толщина стенок в некоторых случаях влияет на выбор метода.

• Особо тонкостенные трубы без катанной резьбы соединяются исключительно газовой сваркой. Виртуозы ухитряются варить их электричеством, но если такого опыта у вас нет — труба будет раз за разом прогорать насквозь.

Тонкостенка варится только газом. Кстати, людей, ставящих тонкостенные стальные трубы на отопление, тоже можно познакомить поближе с газовой горелкой

• Трубные резьбы замечательно нарезается как вручную, так и на токарном станке. При этом отсутствие сварного шва избавляет от опасений за его целостность.
  Разумеется, это не касается особо тонкостенной трубы: плашка или резец просто прорежут ее насквозь.
• Толстостенные трубы варятся только после снятия фаски. В противном случае прочность труб будет сведена на нет слабым сварным швом. Фаска же позволяет проварить трубу по всей ее толщине.
• Разумеется, в случае толстостенки о газовой сварке речь не идет: горелка ее просто не прогреет. Только и исключительно электросварка с электродами не тоньше четверки.

Для толстостенных труб — только электросварка с обязательным снятием фаски

Заключение

Будем считать наше знакомство с этим видом труб состоявшимся. Не забудьте: сортамент и допуски труб можно найти в приложении к статье. Удачи в строительстве!

Приложение