Różnice w procesach produkcji rur stalowych bezszwowych i rur spawanych

Podstawowa różnica w metodach produkcji: przebijanie kontra kształtowanie i spawanie

Najbardziej podstawową różnicą między rurami stalowymi bezszwowymi a spawanymi jest ich odpowiednia metoda wytwarzania. Rury bezszwowe powstają z pełnego okrągłego pręta stalowego bez szwu podłużnego ani spiralnego. Proces produkcji rozpoczyna się od nagrzania pełnego pręta do temperatury około 1250 °C oraz przepchnięcia go nad pręt przebijający w celu utworzenia pustej obudowy. . Ten gorący, wydrążony wycinek jest następnie przepuszczany przez kolejne zestawy wklęsłych walców, które formują rurę o odpowiednim średnicy zewnętrznej i grubości ścianki . Wynikiem jest rura o ciągłej, jednorodnej strukturze – nie ma w niej słabych miejsc, takich jak te występujące w rurach spawanych. W przeciwieństwie do tego, rury spawane są wytwarzane poprzez kształtowanie blachy stalowej lub taśmy w formę rurową i połączenie krawędzi za pomocą spawania. Szew spawalniczy stanowi podstawową różnicę, ponieważ wprowadza strefę wpływu ciepła (HAZ), która może posiadać inne właściwości mechaniczne niż metal podstawowy .

Produkcja rur bezszwowych: toczenie na gorąco i wyciąganie na zimno

Produkcja rur bezszwowych dzieli się głównie na dwie kategorie: toczenie na gorąco oraz toczenie na zimno (wyciąganie na zimno), przy czym każda z nich nadaje się do produkcji rur o różnych specyfikacjach i przeznaczeniach . Metoda toczenia na gorąco stanowi około 80–90% całej produkcji rur bezszwowych i stosowana jest zwykle do rur o większych średnicach oraz grubszych ściankach . Proces obejmuje: przygotowanie prętów — dobór wysokiej jakości okrągłych prętów stalowych i nagrzanie ich do odpowiedniej temperatury; przebijanie — użycie maszyny przebijającej do wytworzenia pustej powłoki z nagrzanego pręta; walcowanie — użycie walcowni rur do przetworzenia powłoki w rurę stalową o pożądanych wymiarach; kalibrowanie i wyprostowanie — zapewnienie dokładności wymiarowej; obróbkę cieplną — taką jak normalizacja i odpuszczanie w celu poprawy właściwości mechanicznych; oraz końcową kontrolę i pakowanie . Gorąco-walcowane rury bezszwowe charakteryzują się wysoką wydajnością produkcji i niskimi kosztami, choć jakość ich powierzchni oraz dokładność wymiarowa są stosunkowo mniej precyzyjne . W przypadku zastosowań wymagających wyższej precyzji stosuje się zimne wyciąganie. Proces ten rozpoczyna się od gorąco-walcowanej powłoki jako pręta wyjściowego, który poddawany jest szczypaniu w celu usunięcia warstwy tlenkowej z powierzchni . Surotą stalową rurę przetwarza się następnie na walcowni zimnej lub wyciągarki zimnej w celu uzyskania pożądanych wymiarów, co znacznie poprawia dokładność wymiarową oraz jakość powierzchni . Rury stalowe wytwarzane metodą zimnego walcowania poddawane są zwykle odpuszczaniu w celu usunięcia naprężeń wewnętrznych oraz przywrócenia plastyczności, a następnie przetwarzane końcowo – np. wyginane, cięte i polerowane . Rury stalowe bezszwowe wytwarzane metodą zimnego walcowania charakteryzują się wysoką dokładnością wymiarową oraz gładką powierzchnią, co czyni je odpowiednimi do zastosowań w precyzyjnych urządzeniach mechanicznych oraz systemach hydraulicznych .

Produkcja rur spawanych: ERW, LSAW i SSAW

Rury stalowe spawane wytwarzane są trzema głównymi metodami: spawaniem oporowym prądem elektrycznym (ERW), spawaniem łukowym pod warstwą topnika wzdłużnym (LSAW) oraz spawaniem łukowym pod warstwą topnika spiralnym (SSAW); każda z tych metod różni się surowcami wejściowymi, sposobem formowania oraz zakresem zastosowań . Rury ERW wytwarzane są z gorąco-walcowanych taśm szerokich, które poddawane są wstępnej obróbce kształtującej, formowaniu, spawaniu, obróbce cieplnej, kalibrowaniu, wyginaniu oraz cięciu . Wysokoczęstotliwościowe nagrzewanie indukcyjne lokalnie topi powierzchnie stykające się, a ciśnienie powoduje ich zgrzanie bez użycia elektrod spawalniczych. Rury ERW charakteryzują się wysoką precyzją wymiarową, jednolitą grubością ścianki, dobrą jakością powierzchni oraz zdolnością do wytrzymywania wysokiego ciśnienia, choć są ograniczone do mniejszych średnic i cieńszych ścianek . Są szeroko stosowane w przewodzeniu gazu miejskiego, surowej ropy naftowej oraz gotowych produktów naftowych . Rury LSAW powstają z pojedynczych blach stalowych, które są kształtowane w matrycach lub maszynach formujących przy użyciu dwustronnego spawania łukowego pod warstwą topnika oraz rozszerzania metoda UOE tłoczy blachę stalową w kształt litery U, następnie w kształt litery O, spawuje szew z wnętrza i z zewnątrz oraz rozszerza rurociąg mechanicznie. Proces JCOE stopniowo formuje blachę za pomocą serii pras. Rury LSAW oferują szeroki zakres specyfikacji produktu przy dobrej odporności udarowej, plastyczności, jednorodności oraz gęstości spoiny, wykazując się szczególnie przy dużych średnicach, grubych ścianach, wysokiej odporności na ciśnienie oraz odporności na niskie temperatury . Rur SSAW powstają poprzez ciągłe podawanie cewki ze stali taśmowej pod kątem, tworząc spiralny szew spawany metodą automatycznego dwuprzewodowego, dwustronnego spawania łukowego pod topionym żużlem. Ta metoda pozwala na produkcję rur o dużej średnicy (Ф1016–3200 mm) przy użyciu węższych i tańszych cewek proces spawania spiralnego umożliwia produkcję rur o dużej średnicy, odpowiednich do transportu dużych ilości ropy naftowej i gazu. Rury SSAW są powszechnie stosowane w przesyłach ropy naftowej, gazu ziemnego i wody, a także w zastosowaniach palowych i konstrukcyjnych.

Różnice w wydajności i kosztach

Różne procesy produkcyjne prowadzą do odmiennych charakterystyk wydajnościowych, kosztowych oraz wymiarowych. Rury bezszwowe, pozbawione szwu spawanego, uznawane są za silniejsze i bardziej niezawodne . Zapewniają one doskonałą jednorodność w kierunku obwodowym i dlatego są bardzo odporno na ciśnienie wewnętrzne oraz skręcanie. Jednak nowoczesne metody produkcji oraz testy zapewnienia jakości zminimalizowały różnicę w odporności między tymi dwoma typami . W praktyce nowoczesne techniki spawania – zwłaszcza ERW/HFW – pozwalają uzyskać połączenia o wytrzymałości równej lub większej niż podstawa metalu . Rury spawane są gładziej, bardziej jednolite i tańsze w produkcji niż rury bezszwowe . Rury bezszwowe są zwykle o 20–40% droższe od rur spawanych i mają dłuższy czas realizacji zamówień w przypadku dużych średnic . Formalnie przyjmuje się, że wytrzymałość rur spawanych jest o ok. 20% mniejsza niż odpowiednich rur bezszwowych (zgodnie z wymaganiami norm) . Jednolitość ścianki również się różni: rury spawane osiągają zwykle tolerancję ±10% lub lepszą, podczas gdy rury bezszwowe charakteryzują się typową mimośrodowością ±12,5% .

Zakresy zastosowań: kiedy wybrać każdy z tych typów

Wybór między rurami bezszwowymi a spawanymi zależy od wymagań dotyczących ciśnienia, średnicy rury, budżetu oraz czasu realizacji zamówienia . Rury bezszwowe są obowiązkowe lub wyraźnie preferowane w zastosowaniach wysokociśnieniowych – w tym w przemyśle węglowodorowym, rafineriach, eksploracji i wierceniu ropy naftowej oraz gazu ziemnego oraz w cylindrach hydraulicznych – a także w warunkach wysokiej temperatury powyżej 400°C, niskiej temperatury poniżej −46°C oraz w środowiskach kwasowych (sour service), gdzie należy zminimalizować ryzyko pęknięcia strefy wpływu ciepła (HAZ) . Są one również preferowane w małych rurach (NPS 2 i mniejsze), gdzie stosowanie rur bezszwowych jest standardową praktyką . Typowe specyfikacje rur bezszwowych obejmują ASTM A106, A335 oraz API 5L . Rury spawane są zwykle dopuszczalne – a często nawet preferowane – w przypadku dużych rurociągów o średnicy (NPS 24+), gdzie rury bezszwowe są niedostępne lub nieopłacalne , do zastosowań konstrukcyjnych zgodnie z ASTM A500 lub EN 10219 oraz do przesyłu wody i sieci komunalnych niskiego ciśnienia . Rury spawane są powszechnie stosowane w instalacjach budowlanych do wody niepijalnej, np. wody niskociśnieniowej, ogrzewania, chłodzenia i gazu . Typowe specyfikacje rur spawanych obejmują ASTM A53 typ E, API 5L oraz ASTM A671/A672 . Współczynnik wydajności połączenia spawanego (E) w normie ASME B31.3 określa, czy rura spawana spełnia wymagania dotyczące ciśnienia roboczego: dla rur ERW badanych zgodnie z odpowiednią normą, E = 0,85–1,0; dla rur bezszwowych E = 1,0 zawsze . Dzięki zrozumieniu tych podstawowych różnic w procesach technologicznych inżynierowie i specjaliści ds. zakupów mogą wybrać rodzaj rury, który optymalnie łączy wymagania techniczne z rozważaniami ekonomicznymi w każdym konkretnym zastosowaniu.