Трубы из нержавеющей стали и способ их изготовления
Изобретение относится к способу изготовления бесшовной трубы из нержавеющей стали. Способ изготовления бесшовной трубы из нержавеющей стали, включающий стадии: а) горячую обработку отливки из нержавеющей стали с получением заготовки предварительно трубчатой формы или цилиндрической болванки, б) закалку заготовки предварительно трубчатой формы или цилиндрической болванки, в) трепанирование цилиндрической болванки или механическую обработку внутреннего диаметра заготовки предварительно трубчатой формы с получением трубчатой заготовки и г) холодную обработку трубчатой заготовки для изготовления бесшовной трубы, где холодная обработка предусматривает одно из следующего: ротационное выдавливание, прокатку на пилигримовом стане. Технический результат заключается в создании способа, обеспечивающего изготовление труб, пригодных для эксплуатации в средах с напряженными условиями, максимально возможной длины для уменьшения количества соединений и дополнительных затрат на сварку труб и максимально эффективной производительности. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к изготовлению труб из сплавов на основе нержавеющей стали, в частности из сплавов на основе нержавеющей аустенитно-ферритной стали, таких как дуплексная и супер-дуплексная нержавеющая сталь, и к способу их изготовления.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
В области металлургии для изготовления компонентов из разных металлов и сплавов существует несколько технологий и способов. Выбор металла или сплава для использования в таких компонентах зависит от области их применения и условий эксплуатации.
Примером изделия, подвергаемого действию агрессивных условий, является труба, которая совместно с другими трубами образует трубопровод для транспортировки таких веществ, например, как нефть и газ, извлеченные из скважины. Таким образом, эти трубы должны обладать способностью выдерживать действие высокого давления и напряжения. Значения этих факторов могут быть еще больше, если трубы находятся под водой, например, в подводном оборудовании. Кроме высокого давления в морских условиях существуют коррозионные и эрозионные вещества, которые приводят к коррозии труб, нарушая тем самым их структурную целостность, что может приводить к повреждению труб. Другим примером среды с аналогичными экстремальными условиями являются скважины.
Трубы и трубопроводы, используемые или размещаемые в таких неблагоприятных средах, характеризуются, кроме прочего, высокой прочностью и высокой сопротивляемостью к коррозионному растрескиванию и точечному выкрашиванию. К металлам, обладающим такими свойствами, относятся сплавы на основе нержавеющей стали, более конкретно - сплавы на основе нержавеющей аустенитно-ферритной стали.
Однако не только трубы подвергаются таким изъянам, им также подвержены трубные соединения. В связи с этим большое значение имеет процесс сварки труб друг с другом с образованием трубопровода: некачественная сварка труб может привести к появлению таких дефектов, как осаждение фазы, приводящих к образованию дополнительных напряжений в трубах, которые, в свою очередь, отрицательно сказываются на сопротивляемости коррозии. Более того, процесс сварки труб является весьма дорогостоящим.
Распространенным способом изготовления труб является горячая экструзия. Однако длина получаемых труб существенно ограничивается максимальным значением мощности пресс-штемпеля, прижимающего заготовку к штампу, а экструзионный пресс является громоздким. Поэтому оборудование характеризуется низкой производительностью, а его эффективность снижается.
В патенте США №8479549 В1 раскрывается способ изготовления холоднодеформированных центробежнолитых трубчатых изделий, в ходе которого из внутреннего диаметра трубчатой заготовки, отлитой из коррозионно-стойкого сплава, удаляют материал, а затем посредством обработки давлением уменьшают толщину стенок трубчатой заготовки. Если обработка металлов давлением представляет собой ротационное выдавливание труб, толщина стенок заготовки может быть уменьшена за несколько пропусков, поскольку заготовка не рассчитана на значительное вытягивание за один пропуск, поэтому постепенное уменьшение толщины стенок может быть выполнено за счет последующих пропусков ротационного выдавливания.
Поэтому целесообразным будет изготовление труб, пригодных для эксплуатации в средах с напряженными условиями, максимально возможной длины, чтобы уменьшить количество соединений и дополнительно затраты на сварку труб. Также целесообразным будет использовать способ изготовления таких труб максимально эффективно с точки зрения производительности.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Трубы, изготовленные из сплавов на основе нержавеющей стали, и способ их изготовления, раскрытый в настоящем изобретении, предназначен для устранения недостатков труб и способов, известных из уровня техники.
В соответствии с первым аспектом настоящее изобретение относится к способу изготовления трубы из сплава на основе нержавеющей стали. Способ предусматривает следующие стадии:
а) горячая обработка отливки из нержавеющей стали с получением заготовки предварительно трубчатой формы или цилиндрической болванки;
б) трепанирование цилиндрической болванки или механическая обработка заготовки предварительно трубчатой формы с получением трубчатой заготовки; и
в) холодная обработка трубчатой заготовки.
Заготовка предварительно трубчатой формы представляет собой трубу или заготовку трубчатой формы, механически обработанную или соответствующим образом адаптированную для достижения конечных размеров трубы, причем цилиндрическая болванка представляет собой болванку с округлым поперечным сечением, например, круглой или овальной формы.
В ходе горячей обработки отливку из нержавеющей стали пластически деформируют с получением заготовки предварительно трубчатой формы или цилиндрической болванки, подвергая при этом изменениям микроструктуру и, как следствие, свойства отливки.
Форма отливки может напоминать, например, кроме прочего, слиток или болванку. Ее форма может представлять собой правильную или неправильную геометрическую форму, например прямоугольную призму, шестиугольную призму, круглую призму, цилиндр и т.п.
Для того чтобы обработка была эффективной, отливку из нержавеющей стали нагревают до температуры, предпочтительно превышающей температуру рекристаллизации. Затем отливку подвергают пластической деформации для улучшения ее механических свойств с целью изготовления труб удлиненной формы со стенками уменьшенной толщины (т.е. тонких).
Во внутренней структуре отливки, как правило, присутствуют переменные пустоты, зерна разных размеров и сегрегации в сплаве на основе нержавеющей стали, возникающие во время ее литья. Таким образом, во время литья разные температуры, действующие по всему материалу, вместе с действием силы тяжести способствуют образованию равномерной внутренней структуры в виде указанных пустот, зерен разного размера и формы, а также макро- и/или микросегрегаций компонентов сплава.
В ходе горячей обработки микроструктура полученной в результате заготовки или болванки становится равномерной. Поэтому благодаря горячей обработке внутри отливка спрессовывается, вызывая изменения получаемой микроструктуры. В частности, заготовка или болванка может рекристаллизоваться, то есть может быть образована новая внутренняя структура из кристаллов, формирующая мелкие зерна, способствующие усовершенствованию механических свойств в результате снятия внутренних напряжений за счет деформации. Следствием горячей обработки является высокая пластичность заготовки или болванки, а также то, что за один пропуск в холодном состоянии можно добиться большего уменьшения толщины, тем самым обеспечивая возможность изготавливать трубы большей длины.
Результат воздействия горячей обработки на микроструктуру можно оценить по степени деформации. Степень деформации определяется как отношение исходного поперечного сечения отливки или заготовки к ее поперечному сечению после горячей обработки. Преимущественно при степени деформации, равной 3 или более, будет достигнуто увеличение вязкости и предела прочности на разрыв заготовки или болванки в продольном направлении.
Посредством процесса высверливания или трепанирования удаляют часть болванки с образованием отверстия, которое, в целом, проходит через всю болванку. Удаленная часть может по существу соответствовать центральной части по меньшей мере одного торца или стороны болванки. В случае заготовки предварительно трубчатой формы механической обработке будет подвергаться ее внутренний диаметр.
После трепанирования болванки или механической обработки внутреннего диаметра заготовки предварительно трубчатой формы получают трубчатую заготовку. За счет холодной обработки уменьшают толщину стенок секции или участка трубчатой заготовки для увеличения длины изготавливаемой трубы. Таким образом, в ходе обработки происходит перераспределение нержавеющей стали: часть стали, удаляемая из заготовки в радиальном направлении, которая обычно соответствует стенкам изготавливаемой трубы, прибавляется к заготовке в осевом направлении. Поперечное сечение уменьшается, а длина трубопровода или трубы увеличивается.
Поскольку заготовка или болванка была подвержена горячей обработке, ее в значительной степени тонкодисперсная внутренняя структура создает лучшие условия - в сравнении с условиями, создаваемыми отливкой до горячей обработки, - для холодной обработки. Как следствие, степень уменьшения толщины может быть больше, чем без выполнения горячей обработки. Уменьшение толщины напрямую связано с достигаемой длиной трубы.
В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения способ дополнительно предусматривает стадию г) закалки заготовки или болванки, причем стадию г) выполняют после стадии а).
Закалка заготовки предварительно трубчатой формы или цилиндрической болванки в жидкости сводит к минимуму фазовые трансформации, в частности, на ее поверхности. Жидкость может, например, уменьшить образование паровой фазы на поверхности заготовки или болванки, предотвращая тем самым ее быстрое охлаждение. Благодаря закалке заготовка или болванка может сохранять механические свойства, полученные, например, после горячей обработки или закалки на твердый раствор. Закалку выполняют после горячей обработки. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления заготовку или болванку закаляют после горячей обработки и термической обработки, например, закалки на твердый раствор.
В соответствии с этими предпочтительными вариантами осуществления закалку выполняют водой, температура которой не превышает 50°С, предпочтительно 35°С.
Жидкостью, используемой для закалки, может быть вода, температура которой меньше или равна 50°С, что необходимо для быстрого охлаждения заготовки или болванки. Предпочтительно температура жидкости даже ниже этого значения, например меньше или равна 35°С, поэтому охлаждение заготовки или болванки занимает меньше времени, а ее механические свойства подвергаются меньшим изменениям.
В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения способ дополнительно предусматривает стадию д) литья отливки из нержавеющей стали. Кроме того, в соответствии с этими вариантами осуществления литье отливки из нержавеющей стали, - стадия д) - выполняют до горячей обработки отливки из нержавеющей стали с получением заготовки или болванки - стадия а).
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления для литья отливки, подвергаемой горячей обработке, сплав на основе нержавеющей стали расплавляют и заливают в литейную форму. Размеры полученной отливки, как продольные, так и поперечные, или ее диаметр, задают максимальные размеры трубы, которые могут быть получены, так как нержавеющая сталь в отливке будет перераспределен для формирования трубы, даже несмотря на то, что часть указанного сплава может быть потеряна во время изготовления трубы, например во время трепанирования, механической или холодной обработки заготовки. Следовательно, количество сплава на основе нержавеющей стали, необходимое для литья, зависит от размеров изготовляемой трубы.
В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения сплав на основе нержавеющей стали представляет собой сплав на основе нержавеющей аустенитно-ферритной стали.
Нержавеющая аустенитно-ферритная сталь, включая дуплексную нержавеющую сталь и супер-дуплексную нержавеющую сталь, характеризуется более высокой прочностью по сравнению с аустенитной нержавеющей сталью и ферритной нержавеющей сталью. Также нержавеющая аустенитно-ферритная сталь обладает большей сопротивляемостью точечному выкрашиванию, контактной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением по сравнению с аустенитной или ферритной нержавеющей сталью. За счет этого нержавеющая аустенитно-ферритная сталь подходит для использования в изделиях, эксплуатируемых в средах с неблагоприятными условиями, в частности в шахтах и под водой (например, на глубине в море), где наблюдается высокий уровень давления и высокое количество коррозионных веществ.
Однако нержавеющая аустенитно-ферритная сталь имеет низкую пластичность, поэтому для формовки из этого сплава изделий необходимы большие усилия, чем для формовки изделий из аустенитной или ферритной нержавеющей стали.
Важно отметить, что на стадии в) микроструктура сплавов на основе нержавеющей аустенитно-ферритной стали является контролируемой, так что в конце процесса в трубчатой заготовке или трубе присутствует соответствующий процент аустенитной или ферритной фазы, поскольку механические свойства и сопротивляемость коррозии сильно зависят от этих фаз. Компоненты сплава выбирают таким образом, чтобы альфаобразующие элементы (способствующие образованию феррита) и гаммаобразующие элементы (способствующие образованию аустенита) были сбалансированы. Помимо этого правильная температура термической обработки и быстрое охлаждение приводят к стабилизации обеих фаз и предотвращают образование нежелательных третьих фаз.
С учетом сказанного, расстояние между фазами также играет важную роль в защите от вызываемого водородом растрескивания под действием напряжения (HISC). В частности, целесообразно, чтобы расстояние между аустенитными зернами составляло самое большее 30 мкм (т.е. микрон или микрометров), а ферритная фаза составляла от 40% до 60% (предельные значения включены в диапазон возможных значений).
В соответствии с этими предпочтительными вариантами осуществления сплав на основе нержавеющей аустенитно-ферритной стали представляет собой дуплексную нержавеющую сталь. В соответствии с некоторыми другими предпочтительными вариантами осуществления сплав на основе нержавеющей аустенитно-ферритной стали представляет собой супер-дуплексную нержавеющую сталь.
В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения горячая обработка предполагает одно из указанного далее: прокатка, ковка и их комбинация.
Прокатка отливки из нержавеющей стали позволяет добиться равномерной внутренней структуры отливки по таким параметрам, кроме прочего, как размер зерен, пористость, пустоты. На прокатных станах отливку, в которой, как правило, зерна внутри больше, чем на поверхности- в части, контактирующей с литейной формой, - пластически деформируют. Прокатанная заготовка может иметь множество разных форм, например она может быть, кроме прочего, цилиндрической, прямоугольной, листообразной. Для пластической деформации отливки, например болванки или слитка, могут быть использованы известные из уровня техники непрерывные или реверсивные прокатные станы.
На стадии горячей обработки отливка из нержавеющей стали также может подвергаться ковке, когда на зафиксированную- что, впрочем, необязательно - клещами, прутками или чем-то подобным отливку ударно воздействуют молотом или штампом для ее деформации. Ковка может выполняться пользователем (например, кузнецом) или станком (например, свободная ковка). Также для деформации отливки можно использовать станки ротационной ковки.
Целесообразно выполнять процесс ковки постепенно (т.е. посредством последовательных воздействий, каждое из которых приводит к небольшой деформации), чтобы деформации вызывали кристаллизацию без образования трещин.
В некоторых случаях прокатка и ковка могут выполняться на отливке последовательно.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения способ дополнительно предусматривает стадию е) закалки на твердый раствор болванки или заготовки при температуре от 1030°С до 1120°С (предельные значения включены в диапазон возможных значений).
Для снижения твердости болванки или заготовки и повышения ее пластичности болванку или заготовку можно подвергнуть закалке на твердый раствор. Более того, закалка на твердый раствор также способна снизить внутренние напряжения в болванке или заготовке. Для этого болванку или заготовку нагревают до температуры, превышающей ее температуру рекристаллизации, в течение некоторого времени ее выдерживают при температуре, превышающей указанную температуру рекристаллизации, а затем быстро охлаждают (например, посредством водной закалки).
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения стадию е) выполняют на заготовке предварительно трубчатой формы или на цилиндрической болванке, то есть стадия закалки на твердый раствор может быть проведена после горячей обработки отливки и перед трепанированием болванки или механической обработки заготовки предварительно трубчатой формы, тем самым добиваясь еще большего увеличения пластичности, получаемой посредством пластической деформации. В соответствии с вариантами осуществления, где способ предусматривает закалку болванки или заготовки после горячей обработки, закалка на твердый раствор может быть преимущественнее закалки - стадия д).
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления стадию е) выполняют на трубчатой заготовке, то есть после трепанирования и перед холодной обработкой, поскольку с увеличением пластичности эффективность уменьшения толщины стенок и увеличения длины трубчатого изделия в ходе холодной обработки может повышаться, тем самым делая возможным большее уменьшение толщины за один пропуск, и/или изготовление заготовки или трубы большей длины с использованием таких же усилий, или заготовки или трубы такой же длины, что и при отсутствии закалки на твердый раствор, но с меньшим усилием.
Поскольку во время холодной обработки в трубчатой заготовке могут возникать напряжения, стадию закалки на твердый раствор можно также выполнять после холодной обработки, чтобы тем самым снять, по меньшей мере частично, эти внутренние напряжения.
В некоторых случаях после закалки на твердый раствор заготовку могут подвергать закалке в жидкости, такой как вода.
В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения способ дополнительно предусматривает стадию ж) нагрева отливки из нержавеющей стали до температуры выше 1000°С, предпочтительно выше 1200°С. Кроме того, в соответствии с этими вариантами осуществления стадию ж) выполняют до стадии а).
Отливку из нержавеющей стали нагревают до температуры, превышающей ее температуру рекристаллизации, в целом выше 1000°С, так что она может быть деформирована на стадии горячей обработки при высокой температуре. Целесообразно добиться температуры по меньшей мере 1000°С, поскольку в некоторых сплавах на основе нержавеющей стали (например, в дуплексной нержавеющей стали) при температуре в диапазоне от 600°С до 1000°С могут образовываться интерметаллические фазы (сигма дельта или феррит дельта). Такие интерметаллические фазы могут быть причиной или провоцировать образование в заготовке трещин. Предпочтительно температура в печи должна быть больше или равна 1200°С для более эффективного выполнения горячей обработки и устранения риска опускания температуры отливки - из-за переноса тепла на опору (например, наковальню), в окружающую среду и т.п. - ниже температуры рекристаллизации и/или ниже 1000°С.
В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения холодная обработка предусматривает одно из следующего: ротационное выдавливание и холодную прокатку на пилигримовом стане.
В соответствии с вариантами осуществления, где холодная обработка предусматривает ротационное выдавливание, станок ротационного выдавливания, содержащий, кроме прочего, оправку и несколько валков, как правило три или четыре валка, уменьшает толщину стенок заготовки и удлиняет заготовку. Трубчатую заготовку могут подвергать прямому ротационному выдавливанию или реверсивному ротационному выдавливанию.
Трубчатую заготовку закрепляют на оправке через отверстие, например, сформованное на стадии б) трепанирования или механической обработки. После закрепления заготовки ее можно перемещать с помощью оправки в направлении движения валков. Валки давят на заготовку в осевом, продольном и тангенциальном направлении. Сжимающее усилие, действующее в радиальном направлении, приводит к уменьшению толщины стенок, что в сочетании с усилиями, действующими в других направлениях, приводит к увеличению длины заготовки или трубы.
За счет ротационного выдавливания можно улучшить зернистую структуру трубчатой заготовки или трубы, улучшая равномерность внутренней структуры во всей заготовке, тем самым улучшив ее механические свойства.
В соответствии с вариантами осуществления, в которых холодная обработка предусматривает прокатку на пилигримовом стане, пилигримовый стан может изменять форму заготовки с получением удлиненной трубы с более тонкими стенками. Кольцевой калибр стана, который может иметь кольцевую форму, сжимает заготовку в радиальном направлении и, как следствие, уменьшает ее внешний диаметр. Оправка, которая может использоваться для закрепления заготовки через отверстие в заготовке, сформированное, например, на стадии б) трепанирования или механической обработки, перемещает и вращает заготовку, а также может приводить к изменению формы внутреннего диаметра заготовки или трубы.
Оправка последовательно подает и вращает заготовку, в то время как два кольцевых калибра деформируют заготовку, тем самым приводя к уменьшению как внешнего диаметра, так и толщины стенок. Сначала заготовка вращается резко (т.е. с большими изменениями угла, например, приблизительно 60°) для деформирования сечения, обрабатываемого в это время калибрами, а затем вращение становится плавным (т.е. с небольшими изменениями угла, например, приблизительно 20°) для подгонки формы сечения с получением полированного круглого сечения, то есть по существу округленного внешнего диаметра.
Прокатка на пилигримовом стане представляет собой полунепрерывный процесс, который особенно эффективен в крупносерийном производстве. Скорость подачи трубчатой заготовки при движении вперед может составлять от 2 мм/с до 50 мм/с (предельные значения включены в диапазон возможных значений), при этом скорость подачи или скорость движения вперед на станке ротационного выдавливания может составлять от 0,5 мм/с до 10 мм/с (предельные значения включены в диапазон возможных значений). Несмотря на то, что скорость подачи на станке ротационного выдавливания может быть ниже, чем на пилигримовом стане, для изготовления трубы ротационным выдавливанием может понадобиться меньшее количество пропусков.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения ротационное выдавливание или прокатка на пилигримовом стане позволяет, по меньшей мере, уменьшить толщину стенок заготовки на 25-35% (предельные значения включены в диапазон возможных значений).
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения ротационное выдавливание или прокатка на пилигримовом стане позволяет, по меньшей мере, уменьшить толщину стенок заготовки на 35-50% (предельные значения включены в диапазон возможных значений).
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения ротационное выдавливание или прокатка на пилигримовом стане позволяет, по меньшей мере, уменьшить толщину стенок трубчатой заготовки на 50-75% (предельные значения включены в диапазон возможных значений).
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления холодная обработка предусматривает ротационное выдавливание, при этом ротационное выдавливание позволяет, по меньшей мере, уменьшить толщину стенок трубчатой заготовки на 70% за один пропуск.
Благодаря механическим свойствам, достигнутым после выполнения некоторых процессов или стадий некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения, заготовка может выдерживать уменьшение толщины стенок на 65-70% (предельные значения включены в диапазон возможных значений) за один пропуск. Благодаря такому уменьшению обработка заготовки на станке ротационного выдавливания занимает меньше времени и требуется меньшее количество пропусков для достижения требуемой толщины. Этот факт представляет еще большую важность, учитывая, что в ходе холодной обработки после каждого пропуска или деформации постепенно снижается пластичность заготовки, что, в свою очередь, увеличивает усилия, необходимые для дальнейшей деформации заготовки.
Другой аспект настоящего изобретения относится к трубам из нержавеющей стали, изготовленным способом, описанным выше со ссылкой на первый аспект настоящего изобретения.
Труба характеризуется перечисленными ниже параметрами:
- внешним диаметром, который больше или равен 152 мм, предпочтительно больше или равен 200 мм, и предпочтительно больше или равен 250 мм;
- средней толщиной стенок, которая больше или равна 2,8 мм и меньше или равна 70 мм, предпочтительно больше или равна 12 мм, предпочтительно больше 39 мм; и
- длиной больше 5 м, предпочтительно больше или равной 10 м, предпочтительно больше 12 м.
Труба предпочтительно содержит сплав на основе нержавеющей аустенитно-ферритной стали, более предпочтительно одну из дуплексной нержавеющей стали и супер-дуплексной нержавеющей стали.
Способ изготовления трубы из сплава на основе нержавеющей стали может использоваться для изготовления бесшовных труб, то есть труб, не имеющих швов и, как следствие, не содержащих каких-либо сварных соединений, которые могут повлиять на механические свойства.
В соответствии с некоторыми предпочтительными вариантами осуществления расстояние между аустенитными зернами в трубах составляет менее 30 микрон (микрометров).
Трубы из нержавеющей аустенитной-ферритной нержавеющей стали с расстоянием между аустенитными зернами менее 30 мкм (микрон) особенно устойчивы к HISC.
В соответствии с некоторыми предпочтительными вариантами осуществления содержание феррита в трубах больше или равно 40% и меньше или равно 60%.
Краткое описание фигур
Далее описание приводится со ссылками на фигуры, которые помогут лучше понять сущность настоящего изобретения. Указанные фигуры образуют неотъемлемую часть описания и наглядно иллюстрируют вариант осуществления настоящего изобретения, не ограничивающего его объем, а приведенного исключительно в качестве примера того, как настоящее изобретение может быть реализовано. На фигурах показано следующее.
На фиг. 1А-1D показаны блок-схемы способов в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 показан станок ротационного выдавливания, который может использоваться для холодной обработки в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3 показан другой вид станка ротационного выдавливания.
На фиг. 4 показана фотография микроструктуры трубы, изготовленной способом в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Описание осуществления настоящего изобретения
На фиг. 1А показана блок-схема 100, иллюстрирующая стадии осуществления способа в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
На стадии 101 способа отливку из нержавеющей стали подвергают горячей обработке с получением заготовки предварительно трубчатой формы или цилиндрической болванки, а именно, отливку пластически деформируют в среде с температурой, превышающей температуру рекристаллизации отливки, достигая изменения ее внутренней структуры. В целом, микроструктура отливка включает зерна разных размеров, сегрегации материала, и пустоты, которые появляются во время литья. За счет горячей обработки, то есть пластической деформации отливки уменьшают проявления указанных выше дефектов в полученной заготовке или болванке благодаря формированию новой кристаллической структуры. В этой структуре зерна могут быть распределены более равномерно, а пустоты и/или сегрегации сплава уменьшены. Как следствие, внутренних напряжений становится меньше, что приводит к улучшению некоторых механических свойств заготовки или болванки; например, на стадии 101 горячей обработки может быть увеличена пластичность.
К некоторым неограничивающим примерам горячей обработки относится ковка, прокатка и протяжка.
После горячей обработки отливки с получением цилиндрической болванки на стадии 102 болванку трепанируют. С помощью сверлильного или токарного станка в цилиндрической болванке выполняют отверстие, предпочтительно сквозное отверстие круглого поперечного сечения. В соответствии с вариантами осуществления, в которых на стадии 101 горячей обработки получают заготовку предварительно трубчатой формы, на стадии 103 механически обрабатывают внутренний диаметр заготовки. После стадии 102 или стадии 103 получают трубчатую заготовку.
На стадии 104 трубчатую заготовку подвергают холодной обработке: заготовку пластически деформируют при температуре ниже ее температуры рекристаллизации. В частности, на стадии 104 толщину стенок заготовки уменьшают и увеличивают длину полученной трубы.
К некоторым неограничивающим примерам холодной обработки относится прокатка на пилигримовом стане и ротационное выдавливание. В этих случаях оправка станка ротационного выдавливания или пилигримового стана удерживает заготовку через отверстие, выполненное на стадии 102 или механически обработанное на стадии 103, так что трубчатую заготовку можно подвергать деформации.
На фиг. 1В показана блок-схема 110, на которой изображены стадии способа изготовления трубы в соответствии с другим вариантом осуществления.
Блок-схема 110 включает стадии 101, 102, 103 и 104, которые представляют собой горячую обработку, трепанирование, механическую обработку и холодную обработку, соответственно, как было описано выше со ссылкой на блок-схему 100.
Способ, показанный на фиг. 1В, дополнительно предусматривает стадию 105 - литье, для осуществления которого сплав на основе нержавеющей стали расплавляют и заливают в литейную форму. Нержавеющую сталь оставляют застывать с образованием отливки, которая может иметь форму, например, слитка или болванки. Объем нержавеющей стали в отливке может определять максимальное количество стали, которое можно использовать для изготовления трубы, так как, в целом, затем сталь уже добавляться не будет, скорее наоборот, некоторая часть стали будет удалена на одной или нескольких последовательных стадиях 101-104 способа.
Затем внутренний диаметр отливки, по меньшей мере, подвергают горячей обработке (стадия 101), трепанированию (стадия 102) или механической обработке (стадия 103) и холодной обработке (стадия 104).
Отливка и/или заготовка, подвергаемая обработке способами, описанными со ссылкой на блок-схемы 100, 110, содержит сплав на основе нержавеющей стали, причем сплав на основе нержавеющей стали представляет собой сплав на основе нержавеющей аустенитно-ферритной стали, то есть предпочтительно дуплексную нержавеющую сталь или супер-дуплексную нержавеющую сталь.
На фиг. 1С показана блок-схема 120, соответствующая способу в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Этот вариант осуществления предусматривает стадии 101, 102, 103 и 104, которые представляют собой горячую обработку, трепанирование, механическую обработку и холодную обработку, соответственно, а также дополнительно закалку - стадия 106, - которую выполняют после стадии 101 и до стадии 102 или стадии 103.
На стадии 106 заготовку предварительно трубчатой формы или цилиндрическую болванку быстро охлаждают, за счет чего внутренняя структура, полученная на стадии 101, существенно сохраняется. Таким образом, закалка позволяет уменьшить величину трансформации фаз, которая может произойти в заготовке или болванке, в частности на ее поверхности, после горячей обработки.
На фиг. 1D показана блок-схема 130 в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Сначала на стадии 105 отливают отливку из нержавеющей стали. Во время горячей обработки на стадии 101 отливку деформируют, тем самым меняя ее микроструктуру и, как следствие, ее механические свойства. Полученную заготовку закаляют на стадии 105 для сохранения измененных механических свойств, а затем трепанируют на стадии 102 для формирования внутри отверстия или механической обработки на стадии 103 для изменения формы отверстия изнутри. Затем полученную трубчатую заготовку деформируют посредством холодной обработки, уменьшая толщину стенок и увеличивая длину трубы - стадия 104.
Длина труб, изготовленных в соответствии с некоторыми из этих вариантов осуществления, составляет более 5 м. В соответствии с некоторыми из этих вариантов осуществления длина изготовленных труб составляет более 10 м. В соответствии с некоторыми из этих вариантов осуществления длина изготовленных труб составляет более 12 м. Внешний диаметр этих труб может быть больше или равен 252 мм, предпочтительно больше или равен 200 мм, предпочтительно больше или равен 250 мм; также средняя толщина стенок труб может быть больше или равна 2,8 мм, меньше или равна 70 мм, предпочтительно больше или равна 12 мм и меньше или равна 39 мм.
На фиг. 2 показан станок 200 ротационного выдавливания. Заготовку 201 с трубчатой геометрией устанавливают на оправку 202 станка и фиксируют кулачковым патроном 203. Кулачковый патрон 203 приводит заготовку 201 во вращение в соответствии с вращательным движением оправки 202 - двигатель (не показан) создает указанное вращательное движение. Станок 200 дополнительно содержит держатель 204, в котором расположено несколько валков 205а-205d на равном расстоянии друг от друга с непрерывным сдвигом фаз 90° между валками 205а-205d.
И оправка 202, и валки 205а-205d совершают во время работы станка 200 вращательное движение, так что внешний диаметр заготовки 201 по мере ее продвижения через группу валков 205а-205d уменьшается, что, в свою очередь, приводит к уменьшению толщины ее стенок и увеличению длины по оси Y, как показано на фигуре.
Станок 200 ротационного выдавливания, имеет до 10 степеней свободы, которые регулируются и управляются во время изготовления труб: вращение оправки 202, вращение каждого из четырех валков 205а-205d, положение каждого из четырех валков 205а-205d относительно заготовки 201 или оправки 202 - корректировки горизонтального положения валков 205b и 205d и корректировки вертикального положения валков 205а и 205 с - и длина участка оправки между кулачковым патроном 203 и держателем 204.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления станок ротационного выдавливания содержит два, три, шесть или более валков и, как следствие, станок может иметь больше или меньше степеней свободы. В соответствии с такими вариантами осуществления валки также могут быть расположены с постоянными фазовыми сдвигами относительно воображаемой окружности, по которой распределены валки; постоянные фазовые сдвиги соответствуют 360°, деленным на количество валков в держателе.
Держатель 204 перемещают к кулачковому патрону 203, а валки 205а-205d, вращающиеся в направлении, противоположном вращательному движению оправки 202 и заготовки 201, оказывают усилия в осевом, радиальном и тангенциальном направлениях. Несмотря на то, что валки оказывают на заготовку 201 сжимающее усилие, держатель 204 должен не только выдерживать усилия, создаваемые валками 205а-205d, но и оказывать им сопротивление. Таким образом эти усилия - главным образом в осевом и радиальном направлениях, так как тангенциальная составляющая намного меньше указанных двух, - задает требования к конструкции держателя 204.
Валки могут быть смещены в осевом направлении относительно друг друга, обеспечивая возможность создания трех разных конфигураций из валков в зависимости от технологических требований. Осевое смещение к нулевой линии позволяет добиться более высоких скоростей подачи. Осевое смещение, отличающееся в четыре раза, для каждого валка позволяет добиться большей точности и идеальных свойств поверхности в сочетании с высокими скоростями уменьшения толщины. В оптимальном положении попарное осевое смещение позволяет добиться более интенсивного ротационного выдавливания, что означает большее уменьшение толщины, так как каждый формовочный валок из пары действует как противоположная опоры, воспринимающая нагрузку от другого валка. В результате достигается идеальное биение на высоких скоростях подачи.
На фиг. 3 показан двухмерный вид станка 300 ротационного выдавливания. Аналогично станку 200, показанному на фиг. 2, оправка 302 удерживает заготовку 301, а кулачковый патрон 303, также удерживающий заготовку 301, приводит ее во вращение в соответствии с вращательным движением оправки 302.
Когда держатель 304 перемещается к кулачковому патрону 303, валки 305а, 305b сжимают заготовку 301 и пошагово вытягивают трубу и уменьшают толщину стенок.
Такое большое количество степеней свободы в станке ротационного выдавливания, и соответственно в ходе соответствующего процесса, усложняет его работу. Из-за этого используется устройство числового программного управления, которое управляет всем процессом и работой, так что в изготовленных трубах по всему их объему необходимые механические и микроструктурные свойства достигаются за меньшее количество пропусков. В этом контексте устройство числового программного управления способно управлять параметрами, связанными с указанными выше степенями свободы, так что осевые и радиальные усилия, оказываемые валками 305а, 305b приводят к пластической деформации внутренней части заготовки 201, создавая сжимающие усилия внутри структуры.
Особенно актуальным становится определение соответствующего соотношения между скоростью 311, при которой держатель 304 перемещается к кулачковому патрону 303, и скоростью вращения 312 оправки 302. Если это соотношение будет слишком высоким, валки 305а, 305b не смогут должным образом деформировать заготовку 301. И наоборот, если это соотношение будет слишком низким, время обработки заготовки 301 будет неоправданно большим.
Целесообразным является регулировка угла 310 подачи валков 305а, 305b, то есть относительного угла между валками 305а, 305b и заготовкой 301, подвергаемой ротационному выдавливанию. Значения угла 310 подачи могут находиться в диапазоне от 6° до 45° (предельные значения включены в диапазон возможных значений). Слишком высокие углы подачи могут приводить к неравномерной деформации заготовки 301.
Предпочтительно кромки отверстия на конце заготовки 301, который первым контактирует с валками 305а, 305b, скошены, исключая возможность неравномерной деформации заготовки валками, которая может приводить к непригодности трубы, так как механические свойства одной части трубы могут отличаться от механических свойств остальной трубы.
Ротационное выдавливание не только позволяет изменить форму заготовки, но также меняет ее микроструктуру: полученные в результате зерна создают необходимую текстуру и приобретают равномерный мелкий размер, что способствует улучшению механических свойств.
На фиг. 4 показана микроструктура трубы, изготовленной способом в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Труба содержит сплав на основе нержавеющей аустенитно-ферритной стали с аустенитной фазой 401 и ферритной фазой 402. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления сплав на основе нержавеющей аустенитно-ферритной стали представляет собой дуплексную нержавеющую сталь. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления сплав на основе нержавеющей аустенитно-ферритной стали представляет собой супердуплексную нержавеющую сталь.
В среднем расстояние между зернами аустенитной фазы 401 составляет приблизительно 30 микрон или менее, что подходит для сопротивления HISC. Такое расстояние может быть получено при использовании сегмента 403, который равен 30 мкм.
Используемый в настоящем документ термин «содержит» или «предусматривает» и его производные (такие как «содержащий», предусматривающий» и т.п.) не следует рассматривать в исключающем смысле, то есть эти термины не следует толковать как такие, которые исключают возможность того, что предмет описания и определения может включать другие элементы, стадии и т.п.
Само собой разумеется, что настоящее изобретение не только не ограничивается одним или несколькими характерными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе, но и охватывает любые изменения, которые могут быть внесены специалистом в области техники (например, что касается выбора материалов, размеров, компонентов, конфигурации и т.п.), в пределах общего объема правовой защиты настоящего изобретения, определенного прилагаемой формулой этого изобретения.
1. Способ изготовления бесшовной трубы из нержавеющей стали, включающий стадии:
а) горячую обработку отливки из нержавеющей стали с получением заготовки предварительно трубчатой формы или цилиндрической болванки,
б) закалку заготовки предварительно трубчатой формы или цилиндрической болванки,
в) трепанирование цилиндрической болванки или механическую обработку внутреннего диаметра заготовки предварительно трубчатой формы с получением трубчатой заготовки и
г) холодную обработку трубчатой заготовки для изготовления бесшовной трубы, где холодная обработка предусматривает одно из следующего: ротационное выдавливание, прокатку на пилигримовом стане.
2. Способ изготовления трубы по п.1, дополнительно включающий стадию д) литья отливки из нержавеющей стали, причем стадию д) выполняют до стадии а).
3. Способ изготовления трубы по п.1 или 2, в котором трубу выполняют из нержавеющей аустенитно-ферритной стали.
4. Способ изготовления трубы по п.3, в котором трубу выполняют из дуплексной нержавеющей стали или супердуплексной нержавеющей стали.
5. Способ изготовления трубы по п.1 или 2, в котором горячая обработка предусматривает одно из следующего: прокатку, ковку, их комбинацию.
6. Способ изготовления трубы по п.1 или 2, дополнительно включающий стадию е) закалки на твердый раствор заготовки предварительно трубчатой формы или цилиндрической болванки при температуре от 1030 до 1120°С.
7. Способ изготовления трубы п.1 или 2, дополнительно включающий стадию е) закалки на твердый раствор трубчатой заготовки, причем стадию е) выполняют по меньшей мере в одном из указанных случаев: после стадии в) и до стадии г), после стадии г).
8. Способ изготовления трубы по п.1 или 2, дополнительно включающий стадию ж) нагрева отливки из нержавеющей стали до температуры выше 1000°С, предпочтительно выше 1200°С, причем стадию ж) выполняют до стадии а).
9. Способ изготовления трубы по п.1, в котором закалку заготовки предварительно трубчатой формы или цилиндрической болванки выполняют водой, температура которой не превышает 50°С, предпочтительно не превышает 35°С.
10. Способ изготовления трубы по п. 1, в котором холодная обработка предусматривает ротационное выдавливание, причем в ходе ротационного выдавливания толщину стенок заготовки уменьшают по меньшей мере на 70% за один пропуск.
11. Способ по п.1, в котором изготавливают бесшовную трубу, характеризующуюся следующими параметрами:
внешний диаметр больше или равен 152 мм,
средняя толщина стенок больше или равна 2,8 мм и меньше или равна 70 мм и
длиной более 5 м.
12. Способ по п. 11, в котором внешний диаметр бесшовной трубы больше или равен 200 мм,
средняя толщина стенок бесшовной трубы больше 12 мм и
длина бесшовной трубы больше 10 м.
13. Способ по п.11, в котором изготавливают бесшовную трубу, выполненную из нержавеющей аустенитно-ферритной стали, характеризующейся следующими параметрами:
среднее расстоянием между аустенитными зернами меньше или равно 30 микрон и
содержание феррита больше или равно 40%, меньше или равно 60%.
