Poznaj rodzaje rur stalowych

Wyroby ze stali są podstawowymi częściami większości maszyn, urządzeń, konstrukcji i instalacji. Na potrzeby różnych zastosowań są produkowane w takich rodzajach, które ułatwiają ich późniejsze wykorzystanie przy możliwie niewielkiej dodatkowej obróbce.

Do najczęściej stosowanych wyrobów hutniczych należą pręty stalowe o różnych przekrojach, które zwykle są używane jako materiał do obróbki skrawaniem – frezowania, toczenia czy dłutowania - i produkcji części do maszyn i urządzeń m.in. kół zębatych lub wałków, a także wykuwania bardziej skomplikowanych elementów. Dużą popularnością cieszą się także blachy służące na ogół do obróbki termicznej i spawania obudów czy osłon, lecz również obróbki plastycznej np. tłoczenia bądź wycinania detali. Szeroko stosowane są wszelkiego rodzaju płaskowniki i kształtowniki, zarówno w postaci profilów otwartych – m.in. kątowników, ceowników, teowników, dwuteowników, zetowników – jak i zamkniętych o zróżnicowanych przekrojach, głównie prostokątnym lub okrągłym, a zatem wszelkiego rodzaju rur. Rury stalowe są jednym z najbardziej wszechstronnych półproduktów, ponieważ mogą być częściami składowymi konstrukcji, maszyn lub urządzeń jako elementy nośne albo wsporniki, a także jako elementy instalacji przesyłowych – rurociągów do cieczy, gazów i materiałów sypkich. Przyjrzyjmy się bliżej zastosowaniom rur, ich rodzajom oraz technologiom, dzięki którym są wytwarzane.

Zastosowania rur stalowych

Rury stalowe mogą być używane na wiele różnych sposobów, w zależności od tego, czy w grę wchodzi wykorzystanie faktu, że z uwagi na swój kształt powodują bardzo niskie opory przepływu i świetnie nadają się do przysyłania różnych substancji objętościowych – cieczy, gazów oraz materiałów sypkich, czy też ze względu na ich wysoką wytrzymałość. W pierwszym przypadku okrągły przekrój ułatwia tworzenie dłuższych odcinków zmieniających kierunek w niemal dowolny sposób, a przy tym, również dzięki kształtowi, gwarantuje dobrą wytrzymałość na wysokie ciśnienie. To, że substancja znajdująca się w rurze przy odpowiednim przepływie i ciśnieniu może stykać się z całą jej powierzchnią, bywa też użyteczne przy wymianie ciepła – chłodzeniu oraz grzaniu. Pod względem wytrzymałości rury oferują wysoką odporność na zginanie, a także ściskanie poprzeczne i wzdłużne. Ponieważ jednocześnie mają o wiele mniejszą masę, niż elementy znoszące porównywalne obciążenia zrobione z litego metalu np. pręta nadają się znakomicie na konstrukcje, które muszą sobie radzić ze znaczną masą. Z rur wykonuje się m.in. kratownice stanowiące strukturę nośną słupów, dźwigarów i bele, a także fragmenty rozmaitych stelaży, obudów czy ramy urządzeń i pojazdów. Z rur konstrukcyjnych korzysta się w budownictwie, przemyśle motoryzacyjnym, maszynowym i lotniczym oraz w różnych zastosowaniach inżynieryjnych w innych branżach. Rury w charakterze przewodów to przede wszystkim rurociągi używane do przesyłu wody, gazu, ropy naftowej, w instalacjach przemysłowych oraz maszynach. Rury są również używane w wierceniach geologicznych przy badaniach oraz poszukiwaniu i eksploatacji złóż, a także inżynierskich np. do przewiertów.

W zależności od zastosowania rury wykonuje się nie tylko w różnych średnicach, ale także z odmienną dokładnością wymiarową i wykończeniem powierzchni, jeśli chodzi o gładkość czy zabezpieczenie antykorozyjne. Rozmaite są także rodzaje ich zakończeń i ukształtowanie powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej, podobnie jak gatunek stali, z którego są wykonane. W zastosowaniach precyzyjnych używa się rur, których średnica wewnętrzna i grubość ścianki wynosi nawet poniżej 1 mm, typowe rozmiary rur przesyłowych to jednak od DN 6, a zatem 10 mm i 1/8″ aż po DN 1000, co odpowiada 40″ i 1016 mm. W przypadku rur konstrukcyjnych w większości sytuacji używane są rury w podobnych rozmiarach i grubościach ścianek od 2 do kilkudziesięciu milimetrów, w zależności od normy, która ma zastosowanie przy konkretnym wyrobie. Wytwarza się również rury o kilkumetrowych średnicach, gdy mają one być używane jako osłony dla rozmaitych instalacji czy budowli.

Końcówki rur mogą być zakończone gładko, ale także nagwintowane, formowane w postaci kielichów oraz kołnierzy potrzebnych przy łączeniu instalacji wysokociśnieniowych o większych średnicach. Poza rurami o gładkich powierzchniach wewnętrznych i zewnętrznych powstają także rury żebrowane. W przypadku żeber zewnętrznych najczęściej służą one lepszemu odprowadzaniu ciepła, gdy w grę wchodzą żebrowania wewnętrzne, to zwykle służą one nie tylko zwiększeniu przepływu ciepła, ale także zmniejszaniu obciążeń termicznych. Jeśli chodzi o zabezpieczenie powierzchni rury przed korozją, to wykorzystuje się zarówno rury niezabezpieczone z wysokowęglowej stali czarnej, jak i te wykonane ze stali stopowych – np. nierdzewnych lub kwasoodpornych. Do zabezpieczania rur przed utlenianiem stosuje się także rozmaite powłoki, najczęściej są to nanoszone warstwy metali – głównie cynku, ale nierzadko także chromu, aluminium lub nawet tytanu, zwłaszcza gdy są przeznaczone do instalacji przemysłowych, w których występują dodatkowe wymagania.

Rury bezszwowe

Rury mogą być wytwarzane w dwóch głównych odmianach, jeśli chodzi o technologię produkcji – jako rury bezszwowe oraz rury ze szwem. W przypadku rur bezszwowych można uzyskać bardzo wysoką dokładność wymiarową oraz niezwykle precyzyjne wykończenie powierzchni. Mają one również lepszą wytrzymałość na wysokie ciśnienie oraz większą wytrzymałość temperaturową i mechaniczną. Ograniczeniem jest jednak zakres możliwych do wyprodukowania średnic – największe produkowane rury tego rodzaju mają na ogół 508 mm średnicy zewnętrznej oraz w zależności od potrzeb od 11 do 40 mm grubości ścianek. Rury ze szwem mogą natomiast być produkowane także w bardzo dużych średnicach, a ich dodatkowym atutem jest znacznie niższa cena oraz fakt, że w wielu zastosowaniach ich parametry są zupełnie wystarczające.

Rury bezszwowe są produkowane w dwóch technologiach, jako rury gorącowalcowane oraz jako rury zimnociągnione. W przypadku walcowania na gorąco proces produkcyjny rozpoczyna się od stalowych kęsisk, które są formatowane na rozmiar zbliżony do wielkości końcowego wyrobu, najczęściej w postaci bloków o przekroju kwadratowym. Kęsiska są następnie rozgrzewane do temperatury, w której można je poddawać obróbce plastycznej przy użyciu mniejszych sił, niż byłoby to konieczne podczas obróbki na zimno. Rozgrzane kęsiska są stopniowo rozwalcowywane tak, aby uzyskały przekrój okrągły oraz uległy wydłużeniu. Osiąga się to za sprawą walcowania, czyli procesu, w którym stal przechodzi przez kolejne klatki walcarki, w których materiał jest przepuszczany między walce o różnie wyprofilowanej powierzchni i ustawione pod rozmaitymi kątami. Po wstępnej obróbce przeprowadza się proces dziurowania, czyli osadza w środkowej części obrabianego kęsiska rdzeń ze stali o większej twardości oraz odporności na wysoką temperaturę. Po dziurowaniu stal jest nadal walcowana tak, by materiał sukcesywnie się wydłużał, a grubość formowanych ścianek zbliżała się do oczekiwanej. Po odpowiednim pocienieniu powstała rura jest ochładzana, rdzeń usuwany, a gotowy wyrób cięty na kilkunastometrowe kawałki, na ogół 12 metrów.

Rury gorącowalcowane są często poddawane dodatkowo tzw. ciągnieniu. Pozwala to na uzyskanie bardzo wysokiej dokładności wymiarowej oraz powierzchni zewnętrznej o niskiej chropowatości. Rura jest w tym celu przeciągana przez otwór ciągadła o mniejszej średnicy, co sprawia, że jej wymiary ulegają zmniejszeniu – w zależności od zastosowanej technologii może to być zmiana średnicy i grubości ścianek lub tylko średnicy przez wydłużenie całości. W przypadku rur można wykorzystywać tzw. ciągnienie swobodne, gdy rura jest jedynie przeciągana przez otwór ciągadła albo ciągnienie na trzpieniu, gdy bardzo dokładnie kalibruje się zarówno średnicę wewnętrzną i zewnętrzną, jak i grubość ścianek. Trzpień może przechodzić przez ciągadło wraz z rurą tak jak rdzeń podczas walcowania, ale także stanowić nieruchomy element ciągadła.

Rury ze szwem

Rury ze szwem powstają w zupełnie inny sposób. W tym przypadku wykorzystuje się blachy stalowe, które są odpowiednio formowane, a następnie łączy się ich krawędzie. Rury ze szwem mogą być wytwarzane ze szwem wzdłużnym, czyli biegnącym przez całą długość rury w jednym miejscu albo spiralnym, który oplata rurę i jest znacznie dłuższy. Rury ze szwem wzdłużnym są wytwarzane z taśmy stalowej albo przy większych średnicach z arkuszy blachy. Może ona być kształtowana na kilka różnych sposobów. Przy dużych średnicach często wykorzystuje się walcowanie na maszynie trójwalcowej, która składa się z zespołu walców umieszczonych tak, że ich osie obrotu tworzą trójkąt. Dwa walce dolne mają mniejszą średnicę, a walec górny większą. Podczas pracy urządzenia arkusz blachy jest umieszczany na walcach dolnych, a wraz z postępami walcowania między nie wchodzi opuszczający się walec górny. Walce dolne i górny obracają się przeciwbieżnie, dzięki czemu blacha może pozostawać w niezmiennym położeniu. Proces walcowania jest tu kontynuowany aż do osiągnięcia właściwego profilu.

Innym sposobem jest kształtowanie rur na prasie. W tym przypadku w pierwszym kroku prasa profiluje obie krawędzie, tworząc docelowe zaoblenie. Następnie arkusz jest umieszczany na formie nadającej mu kształt półokrągły w środkowej części szerokości przez nacisk stempla o odpowiednim profilu. Ostatecznym etapem jest forma naciskająca od góry, która sprawia, że dwie krawędzie schodzą się ze sobą, formując okrąg. Rury ze szwem wzdłużnym są również formowane przez walcowanie na kolejnych klatkach walcarki. W tym przypadku stalowej taśmie nadawane jest coraz większe wyoblenie, przez współpracujące ze sobą pary walców. Początkowo taśma przechodzi między walcami kształtującymi jej środkową część – wklęsłymi od spodu a baryłkowatymi od góry. W następnych klatkach walce działają już tylko po bokach wstęgi, zakrzywiając ją coraz bardziej. Ostatnie walce o wklęsłej powierzchni zaokrąglają materiał tak, by schodziły się ze sobą jego krawędzie. Z taśm stalowych powstają również rury ze szwem spiralnym. W tym przypadku wstęga jest podawana pod kątem w stosunku do walców formujących. Dzięki takiemu rozwiązaniu może być zwijana przy użyciu znacznie mniejszej ilości krótkich walców na pojedynczej klatce walcowniczej.

Produkcja rur ze szwem wymaga odpowiedniego połączenia ich krawędzi. W zależności od technologii produkcji i rozmiarów rur najczęściej stosuje się metody zgrzewania oporowego albo laserowego, a gdy w grę wchodzą rury o dużych średnicach również spawania TIG. Zgrzewanie jest możliwe za sprawą upłynnienia materiału znajdującego się na krawędziach łączonej blachy lub taśmy i ich dociśnięcia, co sprawia, że metal po wystudzeniu tworzy jednolitą strukturę. W zależności od gatunku stali temperatury wykorzystywane do zgrzewania wynoszą sporo ponad 1000°C i są generowane dzięki przepływowi prądu elektrycznego o dużym natężeniu, co podgrzewa metal ze względu na opór, jaki wytwarza. Stosuje się jednak również zgrzewanie prądami o średniej lub niskiej częstotliwości. Zgrzewanie może też następować po nagrzaniu powierzchni wiązką lasera. Zgrzewanie jest ponadto wykonywane również przy wykorzystaniu metody ogniowej.

Po procesie zgrzewania lub spawania szwów materiał z powstającej podczas zgrzewania  wypławki, czyli tworzącej się nierówności jest usuwany przez skrawanie lub szlifowanie, a rura dodatkowo kalibrowana. Jeśli jest ona wykonana z blachy zabezpieczonej antykorozyjnie np. ocynkowanej, niezbędne będzie jeszcze napylenie warstwy cynku albo innego metalu w miejscu, w którym znajduje się szew, ponieważ powłoka ta ulega częściowemu zniszczeniu podczas zgrzewania.