Руководитель Горобченко С.Л.

РАБОТЫСЛУШАТЕЛЕЙ ИПК

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ШТАМПОВКИ ПОЛУКОРПУСОВ ШАРОВЫХ КРАНОВ

Слушатель Дудкинский А.В.

Руководитель Горобченко С.Л.

На сегодняшний день существует актуальная проблема увеличения производительности и снижения материальных и энергетических ресурсов в технологиях производства крупногабаритных деталей арматуростроения, а также внедрения в применение более надежных конструкций изделий. Особую важность данная проблема приобретает при изготовлении крупногабаритных деталей с проходными сечениями номинальных диаметров свыше DN 700. Производятся такие детали в настоящее время штампосварными, применяются при их изготовлении методы горячей штамповки.

Типичным представителем номенклатуры изделий арматуростроения является шаровой кран – элемент запорной и регулирующей арматуры. Крупногабаритные шаровые краны устанавливаются в магистральных нефте- и газопроводах, в местах подготовки и переработки природного газа и нефти. Нефтегазовая отрасль в экономике Российской Федерации имеет колоссальное значение. В настоящее время в нашей стране реализуются крупные проекты строительства новых нефтегазовых магистралей, что требует также и изготовления труб большого диаметра и соответствующей арматуры. Нефтегазовая отрасль выступает локомотивом развития и должна повлечь за собой увеличение выпуска отечественных изделий металлургии, котлостроения, арматуростроения. В связи с этим должны проводиться работы по импортозамещению, совершенствованию и развитию отечественных технологий выпуска необходимого оборудования, запорной арматуры и трубной продукции.

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

В связи с интенсивным строительством нефтегазопроводов: Североевропейский газопровод (СЕГ, вторая нитка), нефтепровод “Восточная Сибирь - Тихий океан” (ВСТО), газопровод “Голубой поток” в Турцию и нефтепровод в Европу через Болгарию по дну Черного моря требуется ввод новых металлургических мощностей для изготовления толстостенных труб большого диаметра (ТБД) и соответствующей арматуры: шаровых кранов, отводов, фланцев, задвижек, различных клапанов и др.

На трубопроводных трассах устанавливаются тысячи шаровых кранов и затворов. Полукорпуса шаровых кранов на D_у 1000, 1200, 1400 мм обычно изготавливают горячей объемной штамповкой из листов толщиной 75-100 мм.

Если потребность в поковках полукорпусов для шаровых кранов до D_у 500 в основном обеспечивается кузнечно-прессовым заводом “Уральская кузница”, г. Чебаркуль, то производство крупногабаритных поковок полукорпусов для шаровых кранов на D_у 1000, 1200 и 1400 мм на сегодняшний день отстает от потребности. В целях положительного решения этой проблемы Алексинский завод “Тяжпромарматура” в 2013 установил на строящемся заводе “Суходол-Спецтяжмаш” импортный (Германия) гидравлический пресс двойного действия силой 140 МН.

На новом предприятии устанавливается самое современное оборудование, которое позволит полностью обеспечивать штампосварными заготовками для производства запорной арматуры основной завод – ЗАО «Тяжпромарматура», - а также изготовлять широкую гамму поковок и штамповок для продукции в других отраслях машиностроения: АЭС, ТЭС, нефтехимии, транспорте и энергетике.

Основной агрегат в технологическом процессе – уникальный гидравлический пресс двойного действия усилием 140МН (14 000 тс) с возможностью свободной ковки изделий производства компании SCHULER SMG (Германия). Методом горячей штамповки на прессе будут изготавливаться детали из листового проката толщиной до 120 мм.

Освоение технологии отбортовки позволит на этом прессе вести изготовление цельноштампованных патрубков и отводов непосредственно на трубных заготовках диаметром от 1000 до 1400 мм с толщиной стенки до 42 мм методом отбортовки с использованием центрального выталкивателя пресса развивающего при ходе вниз силу до 30 МН.

На прессе планируется изготавливать штампованные поковки в основном из толстого листа в трехпереходных штампах. Пресс оснащен трехпозиционным подвижным столом шириной 4200 мм, длиной 10 000 мм. Открытая высота инструментального пространства пресса – 6000 мм. Диапазон скорости рабочих ходов внешнего и внутреннего ползунов при силе до 60 МН: 13 – 85 мм/сек, при усилии 140МН: 13 – 50 мм/сек. Усилие центрального выталкивателя при движении вниз до 30 МН.

Ширина стола пресса – 4200 мм позволяет устанавливать двухсекционные штампы для осадки листовых заготовок с габаритом по диаметру до 4000 мм (для поковок диаметром свыше 3500 мм для полукорпусов D_у 1400 мм).

В феврале 2014 г. на этом прессе освоена технология штамповки поковок полукорпусов шаровых кранов на D_у 1400, в соответствии с патентом № 2281823 [1]. Способ включает нагрев цилиндрической трубной заготовки и формирование из нее днища и патрубка корпусной детали. К недостаткам данного способа следует отнести увеличенный расход металла: потери в результате окисления при нагреве (до 3-х % от объема металла) и увеличение толщины стенки поковки в нижней части полусферы на 3 % от исходной, что снижает коэффициент использования металла на 1 % – 1,5 %, а также ограничение применение способа для поковок больших габаритов.

Наиболее распространенными конструкциями шаровых кранов являются краны, имеющие штампосварной корпус, изготавливаемый из двух полукорпусов, имеющих сферическую часть с горловиной, свариваемых вертикальным швом (Рис. 1 и 2). Эта конструкция принята основной для шаровых кранов изготавливаемых на “Тяжпромарматура” и “Волгограднефтемаш”.

Рис. 1. Шаровой кран на Dу 1000 мм	Рис. 2. Шаровой кран со штампосварным корпусом (с горизонтальным швом)
Рис.3. Общий вид шарового крана конструкции Пензтяжпромарматура”	Рис.4. Схема конструкции шарового крана

Проблема изготовления поковок полукорпусов шаровых кранов заключается в необходимости сокращения количества сварных швов. Так, например, в конструкции “Самараволгомаш” между корпусом и воротниковыми фланцами вваривается концевое соединение и таким образом корпус с фланцевым соединением имеет 5 швов (рис. 2).

В настоящее время основной технологией изготовления поковок в виде полукорпусов шаровых кранов является способ, предлагаемый ЦНИИТМАШ. Технологический процесс, разработанный в ЦНИИТМАШ, включает следующие операции: вырезка из толстого листа (S = 45, 50, 60 и 100 мм) круглых заготовок с отверстием, вытяжку полуфабриката, обжим с раздачей и высадку горловины. Коэффициент использования металла остается низким, КИМ 0,65.

Относительно низкий КИМ при штамповке полукорпуса D_у 1000 мм обусловлен тем, что с целью предотвращения брака при потере устойчивости в области горловины во время высадки в случае использования листа толщиной 75 мм, приходиться применять лист толщиной 100 мм. Технологический процесс внедрен на Белгородском заводе “Энергомаш” (рис. 5).

Рис. 5. Поковки полусфер на D_у 1000мм

Штамповка ведется на гидравлическом прессе двойного действия силой 80/40 МН. Годовая потребность в крупногабаритных поковках полукорпусов от D_у 500 мм до D_у 1400 мм равна 10820 тонн.

Однако для штамповки полукорпусов шаровых кранов на D_у 1200 и D_у 1400 мм требуется более мощный гидравлический пресс двойного действия, например пресс фирмы “Devi-Maki” силой 130 МН восстановленный после десятилетнего простоя на Волгоградском заводе “Красный Октябрь” в 2009 году или на импортном (фирмы SCHULER, Германия) гидравлическом прессе силой 140 МН, который вошел в строй в 2013 году на Суходольском заводе специального тяжелого машиностроения.

ПРЕДЛАГАЕМЫЕ СПОСОБЫИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКОВОК ПОЛУКОРПУСОВ ШАРОВЫХ КРАНОВ

Выявленное отставание отечественного производства от потребностей рынка, увеличенный расход металла и энергии при производстве крупногабаритных изделий арматуростроения, применение конструкций с большим количеством сварных швов, необходимый в условиях неблагоприятной внешнеполитической обстановки курс правительства на импортозамещение – все это вынудило заняться проблемой совершенствования существующих и разработкой новых технологических процессов получения корпусных элементов шаровых кранов.

Ориентируясь на новые возможности, появившиеся в связи с приобретением гидравлического пресса двойного действия силой 140 МН на Суходольском Спецтяжмаше и освоением новой технологии изготовления кованых заготовок из центробежнолитых труб на ОАО “Тяжпрессмаш”, вполне приемлемым может стать новый вариант формообразования полукорпуса путем последовательного осуществления горячего выдавливания полуфабриката из кольцевой заготовки, полученной после раскатки центробежнолитой трубы, а затем нагрева - обжима полуфабриката в зоне горловины и незначительной раздачи нижней части на шарообразном пуансоне [9].

Выдавливание осуществляется в специальном штампе с целью получения мелкозернистой структуры в нижней части полуфабриката цилиндрической формы за счет уменьшения исходной толщины трубной заготовки с заданной относительной степенью деформации. После выдавливания полуфабрикат нагревают и ведут штамповку во втором штампе путем обжима верхней части с более толстой стенкой цилиндра (горловины) и раздачей нижней части с относительной степенью деформации не менее чем на 10%. При обжиме также измельчается столбчатая литая структура металла в верхней части полуфабриката. Выдавливание полуфабриката в первом штампе осуществляется с использованием составного пуансона. При выдавливании подвижная часть пуансона силами трения увлекается вниз, снижая необходимую силу выдавливания.

Таким образом, практически весь объем металла трубной заготовки подвергается пластическому деформированию без нарушений сплошности, что значительно повышает механические характеристики поковок и в целом позволяет использовать более дешевые исходные заготовки и сократить расход металла, а также повысить производительность труда. Технология рекомендуется в мелкосерийном и серийном производствах для полукорпусов на D_у 700, D_у 1000, D_у 1200, D_у 1400 мм.

Технология стала возможной в связи с тем, что ОАО “Тяжпрессмаш” в 2011 году разработал и начал изготовление машин центробежного литья труб с наружным диаметром до 1000 мм с толщиной стенки до 250 мм и длиной до 2800 мм.

Однако этот способ может быть усовершенствован, ликвидировав операцию выдавливания и сложный штамп, за счет получения полуфабриката методом раскатки центробежнолитой заготовки и её ковки с использованием четырехбойкового ковочного блока для получения утолщения в зоне будущей горловины. В целях получения качественного полуфабриката его следовало бы подвергнуть обдирке на расточном станке и ультразвуковому контролю, и только затем подвергнуть горячему обжиму и раздаче. Однако следует иметь ввиду, что при раздаче нижней части полукорпуса она быстро охлаждается на шаровом блоке, что повышает устойчивость операции обжима горловины.

Внедрению предлагаемой технологии должны предшествовать экспериментальные исследования с доказательством того, что деформирование литой структуры приведет к получению удовлетворительных прочностных характеристик, приближающихся к прочностным характеристикам толстолистового проката.

Также одним из предлагаемых процессов является технология по патенту № 2484915 [3] с использованием специального двухсекционного штампа. Предлагаемый технологический процесс включает последовательное выполнение операций вырезки круглых заготовок с отверстием из толстостенного листа, нагрева до температуры 1150-1200 С°, осадки периферийной зоны заготовки в первом штампе с одновременным формообразованием выступа. При этом на 20-25% уменьшается толщина исходной заготовки в периферийной зоне фланца, то есть в зоне последующего у формообразования сферической части поковки. Полуфабрикат после осадки за два хода ползуна пресса в первом штампе устанавливается во втором специальном штампе и при температуре 950-1000°С подвергается вытяжке и отбортовке за один ход ползуна пресса.

В предложенном техническом решении, благодаря выдавливанию бурта при осадке листовой заготовки, становится возможным путем операции вытяжки с одновременной отбортовкой получить окончательную форму изделия - полусферу с горловиной. При этом горячая штамповка в двух штампах ведется за один нагрев: осадка в два перехода при t=1150-1200°С и вытяжка с одновременной отбортовкой при t=950-1000°С.

Предлагаемая технология имеет существенное преимущество в сравнении с технологией “Энергомаш” (г. Белгород) при штамповке полукорпуса на D_у 1000 мм из листа толщиной 100 мм. По новой технологии толщина стенки в сферической части корпуса становится равной 75 мм, что позволяет экономить свыше 600 кг металла на каждой поковке.

Освоение предлагаемой технологии позволит распространить её на штамповку полукорпусов шаровых кранов на D_у 1200 и D_у 1400 мм. В настоящее время эти полукорпуса получают методом сварки кованой горловины со сферической частью, штампуемой методом горячей вытяжки.

Для повышения производительности процесса может применяться способ штамповки сразу двух деталей на одной рабочей позиции. В связи с тем, что металл быстро охлаждается, сделана попытка использования сразу двух заготовок, так как при этом в ходе осадки в результате охлаждения ожидается снижение силы деформирования на 40%.

Однако более прогрессивным процессом может стать технология штамповки в соответствии с заявкой на изобретение “Способ изготовления стальных крупногабаритных поковок полукорпусов шаровых кранов”. Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является улучшение качества поверхности изделия, включающее уменьшение шероховатости и дефектов, и сокращение металлоемкости технологии изготовления за счет минимизации окалинообразования и приближения, вплоть до совпадения формы и размеров поковки к детали.

Поставленная задача решается посредством того, что в предлагаемом способе штамповки, включающем операции обжима, высадки горловины и раздачи, используется зональный нагрев металла до температур в пропорциональной зависимости от степени деформации металла в данных зонах. Зона с максимальной степенью деформации – зона горловины, подвергаемая обжиму и высадке, нагревается до температуры 1150 – 1200 ºC. Для средней части заготовки, подвергаемой обжиму с меньшей степенью деформации, чем в зоне горловины, достаточной является температура нагрева до 950 ºC. Раздача нижней части заготовки с незначительной степенью деформации ведется при температуре 800 - 750 ºC.

Условие деформирования металла при таком способе штамповки, когда температура нагрева зависит от принятых степеней деформации, обеспечивается с использованием последовательного нагрева всей массы заготовки сначала в газопламенных печах до температуры 750 ºC, а затем локального высокоскоростного нагрева верхней части заготовки (с примерной зоной в 40% от общей высоты заготовки) с температуры от 750 ºC до температур 1150 – 1200 ºC (с использованием, например, индукционного нагрева). При нагреве до 750 ºC на поверхности заготовки начинает образовываться только окисная пленка без появления окалины. При этом в средней зоне в результате теплопередачи от верхней зоны нагрева металл будет иметь температуру в диапазоне от 950 ºC до 800 ºC, достаточной для осуществления требуемой степени деформации. И наконец, нижняя часть заготовки будет иметь температуру 800 – 750 ºC, также достаточную, чтобы осуществить операцию раздачи при незначительной степени деформации.

Предлагаемый способ штамповки полукорпусов с использованием операций горячего обжима, высадки и раздачи, с нагревом металла заготовки в пропорциональной зависимости от необходимых степеней деформации, имеет по сравнению с известными способами штамповки ряд преимуществ. Достигается меньший расход металла, благодаря использованию двухстадийного нагрева – сначала нагрев в газопламенной печи до tº = 750 ºC, а затем высокоскоростной локальный нагрев только верхней части заготовки от tº₁ = 750 ºC до tº₂ = 1150 - 1200 ºC, что позволяет на 2% уменьшить расход металла, возникающий от окалинообразования. Как известно, при газопламенном нагреве до tº = 1150 - 1200 ºC угарает до 3% металла за один нагрев. А при нагреве, например, индукционным способом от tº = 750 ºC до tº = 1200 ºC угарает не более 0,5% - 0,8% металла. За счет использования операции раздачи при температуре от 800 ºC до 750 ºC достигается уменьшение толщины стенки заготовки в нижней зоне поковки, что компенсирует возможное утолщение стенки при температуре 1150 - 1200 ºC, что позволяет уменьшить высоту исходной заготовки. За счет указанных преимуществ создается синергетический (суммарный) экономический эффект, позволяющий экономить не менее 5% металла при снижении энергетических затрат.

Такая технология может быть внедрена с определенным экономическим эффектом при установке на заводе нагревательного устройства для проведения скоростного нагрева индукционным способом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проблема совершенствования и создания новых технологий производства корпусных элементов трубопроводной арматуры является актуальной в связи с острой потребностью экономики в изделиях отечественного производства. Разработанные и предложенные новые технические решения способны дать экономический эффект от внедрения в промышленное освоение, снизив затраты на материальные и энергетические ресурсы и затраты труда, вместе с тем повышая качество и надежность изготавливаемых изделий. Перечисленные предложения по решению исследуемой проблемы требуют экспериментального моделирования с целью определения необходимых технологических сил, температурных режимов и отработки процессов в производственных условиях.