Proces produkcji rur ze szwem i bezszwowych – porównanie

Produkcja rur to złożony proces przemysłowy, w którym na pierwszy plan wysuwają się dwie podstawowe grupy wyrobów: rury ze szwem (spawane) oraz rury bezszwowe. Wybór odpowiedniej technologii wpływa na parametry użytkowe, koszty, dostępność wymiarów oraz zastosowania końcowe. Poniżej omówiono technologie produkcji obu typów rur, ich zalety i ograniczenia oraz kryteria doboru w zależności od wymagań technicznych i ekonomicznych.

Technologie produkcji rur ze szwem

Rury spawane powstają z arkusza lub taśmy stalowej, która jest formowana i następnie łączona przy użyciu różnych metod spawania. Najpopularniejsze metody to:

• ERW (Electric Resistance Welding) — spawanie rezystancyjne stosowane głównie dla cienkościennych rur o małej i średniej średnicy; szybkie i ekonomiczne.
• SAW (Submerged Arc Welding) — spawanie pod osłoną topnika, stosowane w rurach średnich i dużych średnic; można uzyskać wysoką jakość i dużą prędkość spawania.
• LSAW/HSAW — odmiany spawania łukowego i pod osłoną topnika, stosowane przy rurach do transportu mediów i konstrukcyjnych.
• Formowanie walcowe i zgrzewanie krawędzi dla blach o większych grubościach, a także rury spiralnie spawane (SSAW), gdzie taśma jest formowana w spiralę i łączona spawem podłużnym lub spiralnym.

Etapy procesu

• Przygotowanie surowca: taśmy lub blachy walcowane na gorąco/zimno.
• Formowanie: gięcie krawędzi, zaginanie do kształtu rury przy użyciu walców.
• Spawanie: zrobotyzowane stanowiska, kontrola parametrów prądu i prędkości podawania drutu.
• Wykończenie: wyrównywanie zgrubień, frezowanie zgrzewu, obróbka cieplna (jeśli wymagana).
• Kontrola jakości: badania nieniszczące, pomiary wymiarów, testy ciśnieniowe.

Rury spawane charakteryzują się zwykle niższym kosztem jednostkowym, wysoką wydajnością produkcji oraz możliwością łatwego dopasowania długości i średnicy. Jednak obecność spawu wpływa na lokalne właściwości mechaniczne i może wymagać dodatkowej obróbki oraz bardziej szczegółowej kontroli jakości, aby zapewnić szczelność i integralność łączenia.

Technologie produkcji rur bezszwowych

Rury bezszwowe są otrzymywane w wyniku kucia i wydłużania materiału w procesach przebijania i przetłaczania; nie posiadają złącz spawanych, co przekłada się na jednolitą strukturę materiału i często lepsze właściwości mechaniczne. Główne metody to:

• Przebijanie (rotary piercing, metoda Mannesmanna) — walcowana bryła z otworem pośrodku, następnie walcowanie i wydłużanie na stęprach lub przekładniach.
• Wyciąganie na prasie (pilger mill) — proces walcowania na zimno z jednoczesnym wyciąganiem, pozwalający uzyskać cienkie ścianki i wysoką dokładność wymiarową.
• Ekstruzja i wyciskanie — masa materiału przepychana przez otwór matrycy, stosowane dla niektórych stopów i dużych średnic.
• Cięcie i wykańczanie: wyrównanie końców, obróbka cieplna rodzeniająca strukturę wewnętrzną.

Etapy procesu

• Dobór i przygotowanie pręta: obróbka cieplna kęsów stalowych.
• Przebijanie/ekstruzja: uzyskanie pierwotnego kanału wewnętrznego.
• Walcowanie i rozciąganie: nadanie finalnych wymiarów i grubości ścianki.
• Obróbka cieplna: normalizacja, wyżarzanie w celu osiągnięcia wymaganych właściwości mechanicznych.
• Końcowa obróbka: prostowanie, frezowanie końcówek, testy jakościowe.

Rury bezszwowe oferują często wyższą wytrzymałość i lepszą odporność na ciśnienie wewnętrzne, brak spawu eliminuje miejsca koncentracji naprężeń. Wadą jest zwykle wyższy koszt produkcji, ograniczenia w wymiarach (zwłaszcza bardzo dużych średnic) oraz mniejsza elastyczność w szybkiej zmianie wymiarów produkcyjnych.

Porównanie: jakość, właściwości mechaniczne i zastosowania

Porównując obie technologie, warto przyjrzeć się kilku kluczowym aspektom:

• Wytrzymałość na ciśnienie i pękanie: rury bezszwowe zazwyczaj osiągają lepsze parametry przy wysokich ciśnieniach i temperaturach, dzięki jednorodnej strukturze materiału. Rury spawane mogą być projektowane do tych zastosowań, lecz wymagają rygorystycznej kontroli spawu i ewentualnego poddania łączeń obróbce cieplnej.
• Tolerancje wymiarowe: rury bezszwowe produkowane na zimno (pilger) osiągają bardzo ścisłe tolerancje i gładką powierzchnię wewnętrzną. Rury spawane wykazują większe zróżnicowanie wymiarów, chociaż zaawansowane procesy i obróbka poprawiają dokładność.
• Jednolitość materiałowa: bezszwowe przewyższają spawane ze względu na brak metalurgicznych zmian w strefie spawu. W przypadku spawanych, strefa wpływu ciepła (HAZ) bywa krytyczna dla właściwości mechanicznych.
• Koszty i wydajność: produkcja rur spawanych jest zwykle tańsza przy dużych seriach i dla rozwiązań o większych średnicach przy wykorzystaniu taśm. Bezszwowe są droższe w wytworzeniu, ale często opłacalne tam, gdzie wymagana jest wysoka niezawodność.
• Zastosowania: rury bezszwowe — przemysł naftowy i gazowy, instalacje wysokociśnieniowe, kotły, wymienniki ciepła; rury spawane — instalacje przesyłowe, konstrukcyjne, instalacje wodne i gazowe w budownictwie, przewody technologiczne.

Kontrola jakości, badania nieniszczące i normy

Bez względu na technologię, kluczowym elementem produkcji jest kontrola jakości. W praktyce stosuje się następujące metody badawcze:

• Badania wizualne i wymiarowe — podstawowe sprawdzenie geometrii i powierzchni.
• Badania nieniszczące: UT (ultradźwiękowe), RT (rentgenowskie), MT (magnetyczno-cząsteczkowe), PT (penetrujące) — wykrywają wady spawu, wtrącenia, luki, pęknięcia.
• Testy ciśnieniowe (hydrostatyczne) — sprawdzenie szczelności i odporności na ciśnienie pracy.
• Analizy metalograficzne i kontrola składu chemicznego — weryfikacja składu stopowego, ziarnistości i struktury.

Rury produkowane są zgodnie z normami krajowymi i międzynarodowymi (np. EN, ASTM, API), które definiują wymagania dla materiału, procesu, badań i tolerancji. W sektorach krytycznych certyfikaty i ścisła dokumentacja procesu (traceability) są często warunkiem dopuszczenia do eksploatacji.

Wpływ obróbki cieplnej i wykończenia powierzchni

Obróbka cieplna (wyżarzanie, normalizacja, umacnianie) odgrywa istotną rolę, zwłaszcza dla rur bezszwowych, gdzie wpływa na mikrostrukturę i wytrzymałość. W rurach spawanych stosuje się dodatkowo procesy miejscowego odpuszczania lub normalizacji strefy HAZ, aby przywrócić pożądane właściwości mechaniczne.

Wykończenie powierzchni (ścieranie, piaskowanie, powłoki antykorozyjne, malowanie, cynkowanie lub nakładanie powłok polimerowych) warunkuje odporność na korozję i trwałość instalacji. W instalacjach przesyłowych dla mediów agresywnych stosuje się także powłoki wewnętrzne i wkładki.

Kryteria wyboru rury: praktyczne wskazówki

Wybierając między rurą ze szwem a bezszwową, warto wziąć pod uwagę:

• Parametry pracy: ciśnienie, temperatura, środowisko korozyjne — przy ekstremalnych warunkach preferuje się rury bezszwowe.
• Ekonomia: budżet projektu, koszty materiałów i montażu — rury spawane mogą być bardziej ekonomiczne dla dużych średnic i długich ciągów.
• Dostępność wymiarów: przy specyficznych wymiarach rury spawane oferują większą elastyczność produkcyjną.
• Wymagania normowe i certyfikacyjne: niektóre aplikacje przemysłowe wymagają wyłącznie rur bezszwowych lub spełnienia określonych standardów.
• Możliwości serwisowe: łatwość napraw i spawania in situ — rury spawane mogą być prostsze do napraw lokalnych.

Aspekty ekonomiczne i logistyczne

Koszt produkcji rury jest funkcją materiału, procesu i wielkości partii. Rury spawane mają przewagę w masowej produkcji i tam, gdzie wykorzystywane są tanie taśmy walcowane. Rury bezszwowe, choć droższe, oferują niższe ryzyko awarii w zastosowaniach krytycznych. Logistyka również wpływa na decyzję — możliwość produkcji długich odcinków, dostępność dostawców oraz czas realizacji zamówienia to elementy praktyczne warunkujące wybór.

• Rury bezszwowe: przewody wysokociśnieniowe, elementy konstrukcyjne maszyn, instalacje na platformach wiertniczych, wymienniki ciepła.
• Rury spawane: instalacje wodociągowe, przesył gazu przy niskim/średnim ciśnieniu, konstrukcje stalowe, rury technologiczne w przemyśle chemicznym.

Decyzja o wyborze technologii powinna być zawsze oparta na analizie ryzyka, kosztów cyklu życia oraz wymaganiach technicznych. W niektórych projektach optymalnym rozwiązaniem jest kombinacja obu typów rur, dobrana do konkretnych odcinków instalacji i warunków eksploatacji.