Профильная труба
Профильная труба — один из видов современного строительного металлопроката.
В общем случае профильными трубами называют трубы с сечением, отличным от круглого, производятся овальные а также квадратные и прямоугольные трубы, причем последние два вида наиболее распространены. Основной материал — углеродистая и низколегированная сталь (типично Ст3СП или 09Г2С). Также встречаются профильные трубы из нержавеющих сталей.
Производится профильная труба посредством горячего или холодного деформирования электросварной прямошовной круглой трубы. То есть сначала из заготовки — «штрипса» сгибают и сваривают круглую трубу расчетного сечения, затем круглая труба поступает в формовку, где специальными валками ей придается нужное сечение. После этого все трубы, согласно ГОСТу, проходят неразрушающий контроль сварного шва и, дополнительно, обрабатываются термически для снятия внутренних механических напряжений.
Сечения производимых в России профильных труб лежат от 15×15 мм до 450×350 мм. Толщина стенки варьируется от 1 до 12 мм. Длина мерной трубы составляет либо 6, либо 12 метров, в зависимости от ГОСТа или ТУ, по которым производится профильная труба.
Профильные трубы используются главным образом для постройки металлоконструкций, монтажа каркасов зданий, различного вида опор, мачт, сложных перекрытий, пролётов и так далее, то есть конструкций, несущих серьёзные механические и вибрационные нагрузки. Хотя встречаются и более простые применения, например, в качестве столбов для ограждений.
А вы знаете, когда и как появилась на свет первая бесшовная стальная труба?
Стальная бесшовная труба на сегодняшнее время – венец эволюции среди стальных труб. Благодаря своим характеристикам, соотношением «цена-качество и надежности, такой тип применяется во многих отраслях производства – космические аппараты, автомобилестроение, судостроение, самолетостроение, военная техника и сельскохозяйственные машины. А также строительства различных трубопроводов и коммунальных систем. Применяют их и при строительстве, в качестве опорных конструкций, где необходимо выдерживать большие нагрузки. Но если обычные, металлические трубы известны человечеству очень давно, то появление труб такого типа стало возможным только с возникновением эпохи Индустриализации. Сейчас в мире производится около сорока миллионов тонн бесшовных труб ежегодно. Но обо всем по порядку.
Первые бесшовные трубы до нашей эры
Человечество издревле селилось возле воды, без нее человеку выжить очень тяжело. Пока поселения были небольшими и источник воды был неподалеку, все устраивало. Но с развитием ремесел и производства, воды надо было больше и доставлять ее дальше. Археологами установлено, что сама природа подсказала форму трубы, благодаря которой можно было транспортировать жидкости. Первыми бесшовными трубами, стали стволы деревьев, с высверленной сердцевиной. При раскопках, такие трубы находят во всех местах, где есть следы развития цивилизации возрастом несколько тысяч лет. А там, где грунт не агрессивен к таким деревянным трубам – они дошли до нас в вполне рабочем состоянии.
Эта труба на фото, обнаружена на раскопках исчезнувшего Боспорского царства в Крыму. Обратите внимание, она загильзована. Т.е. просверлили дерево с мягкой сердцевиной, а для придания прочности конструкции, его поместили между двух половинок ствола дуба и обмазали глиной.
Однако доступ к большому количеству древесины, как и технологии ее обработки был не везде. В древних Индии, Вавилоне, Шумерском царстве и Египте – такого разнообразного выбора дерева не было, но зато у них было много различного камня и хорошей глины, а также развитое гончарное производство. Они стали делать бесшовные трубы из глины и частично из мягких каменистых пород. Один из таких сохранившихся трубопроводов был найден на территории современного Пакистана (раньше эта земля принадлежала древним индийцам) в городе Мохенджо-Даро, что в переводе с индийского – город мертвецов.
На фото, мужчина, возле части водопровода древнего города из бесшовных, керамических труб, возраст которых около четырех тысяч лет!
По самому сложному пути пошли индейцы инки из Южной Америки. Они неплохо умели обрабатывать камни и рабов у них было очень много. Бесшовные трубы они делали из камня, высверливая внутри отверстие и их водопроводы до сих пор функционируют.
Кузнечная сварка и свинцовые трубы.
Поскольку темой статьи являются бесшовные стальные трубы, заострять внимание на других типах труб не будем, отметим лишь что человечество развивалось, воды требовалось все больше и больше и те малые диаметры, что могли выжать из керамики, дерева или камня, уже не устраивали людей по своей пропускной способности. Человечество стало осваивать трубы среднего и большого диаметров. Делали их из листов металла, свернутых в цилиндр и скрепленных методом кузнечной сварки. Однако с развитием методов обработки металла и скоростью производства, в Древнем Риме и Греции, появились первые металлические бесшовные трубы из свинца. Свинец довольно несложный в обработке и трубы из него отливали в керамических формах.
На фото, фрагменты бесшовных труб из свинца, найденных при раскопках в древнеримском городе Помпеи.
Такие трубопроводы обеспечивали водой сельское хозяйство, публичные бани-термы, фонтаны и самих жителей питьевой водой. Использование свинца в водопроводе, очень вредно для здоровья, римляне знали об этом, но альтернативы не было.
Появление чугуна
Хотя началом производства чугуна многие считают 19 век, изобрели его гораздо раньше, в Древнем Китае. Первые изделия из этого металла, найденные археологами датируются пятым веком до нашей эры. Изготавливали китайцы из него различные бытовые вещи, украшения и даже мечи. Историческая близость России к Китаю и тесные торговые связи, сделали Россию крупнейшим экспортером чугуна в Европу в 14-16 вв. Сама металлургия у европейцев была развита неплохо, и они додумались до еще одного применения этого металла – стали отливать из него бесшовные трубы. Первое упоминание о применении таких труб – изготовление французским мастером Салемом водопровода и канализации в построенном дворце Версале, по проекту архитектора де Вилля. Производство таких труб получило огромный скачок после изобретения парового двигателя. Уже с конца восемнадцатого века, такие трубы используются не только для обеспечения водой и прокладки канализации, но и для отопления жилых домов и теплиц. В 1745 году, английский полковник Кук, родственник знаменитого мореплавателя, написал свой трактат о паровом отоплении и в Англии в 1788 году, с их помощью впервые сделали зимние теплицы сельскохозяйственного магната Ваксфильда, а лорд Дерби открыл первый Зимний Сад в своем поместье в 1792. Разумеется, использовались при этом бесшовные трубы из чугуна.
На фото начала 19 века, интерьер Зимнего Сада.
Использовались подобные трубы и в России, например, в середине девятнадцатого века, знаменитый инженер Андрей Дельвиг при помощи них сделал капитальный ремонт и реконструкцию питавшего Москву водой Ростокинского водопровода, берущего свое начало из Мытищинских источников.
Бесшовные стальные и железные трубы
Считается что первыми, кто изобрел металлические бесшовные трубы, были немецкие братья Маннесман в 1886 году, но это не совсем так. Почти за сто лет до этого, английский изобретатель Уилкинсон получил патент на производство бесшовных труб, по принципу отливки труб в форму с стальным стержнем посередине и мог быть использован только для мягких металлов (медь, свинец, латунь и т.д.). А уже в 1838 году, другой изобретатель Грин, патентует метод изготовления цельнотянутой трубы из отлитой, полой медной заготовки. Чуть позже, два французских изобретателя Кристоф и Хардинг патентуют способ производства цельнотянутых труб уже из стали. Стальную заготовку высверливали и тянули через волоку в форме жёлудя.
Но эпоха пара, этого двигателя века Индустриализации требовала все больше и больше труб разных диаметров и доступных по цене. Учитывая условия эксплуатации трубы внутри паровой машины – дымогарная труба должна быть бесшовной. Даже на один из первых паровозов «Ракета», англичанина Стефенсона нужно было около 46 метров таких труб.
На фото котел паровоза со снятой передней крышкой котла. Хорошо видны многочисленные бесшовные дымогарные трубы.
В середине 19 века, после объединения Германии – страна получила много рабочей силы, богатые углем и металлом земли и хорошо обученный технический персонал, буквально за несколько десятилетий превратившись из аграрной, в мощную индустриальную державу.
Ведущие индустриальные державы Европы не сразу разглядели в Германии сильного соперника, а немцы не сразу стали производить качественные вещи. В девятнадцатом веке, в фразу «немецкое качество» вкладывали столько же сарказма, как «китайское качество» образца начала двадцать первого.
Семейство Маннесманов из города Заурланда, происходило из древнего и знатного рода промышленников, которые изготавливали оружие еще со времен Тридцатилетней войны. Их отец, Райнхард Маннесман был владельцем инструментальной фабрики, (которую он построил с тремя своими братьями) по производству напильников, а его шесть сыновей помогали ему, все они были отличными инженерами, но прославились двое – Рейнхард и Макс.
Ренхард и Макс Маннесманы.
Ведущим специалистом среди братьев был Рейнхард. Будучи студентом, он защитил дипломную работу «Взаимодействие свободного углерода с чистым железом при повышении температуры», по результатам которой появился новый тип броневой стали, которую использовали на военных кораблях.
Работая на заводе отца, Рейнхард заметил, что под воздействием центробежной силы внутри раскаленной заготовки из стали, образуется полость. Приступив вместе с братом к практической реализации возникшей идеи, они признали, что обычных для того времени чугунных маховых колес недостаточно для нужной скорости вращения. Братья сконструировали другой маховик, который при увеличении числа оборотов в четыре раза давал в шестнадцать раз большую центробежную силу. Остальная конструкция прокатного стана не была рассчитана на такие нагрузки и пришлось изобретать новые узлы крепления и соединения. Идея была настолько увлекательна, что другие их братья – Альфред и Карл уходят из университета где они учились и помогают изобретателям.
И вот 21 августа 1886 года, рано утром, результаты их труда увенчались успехом. Впервые первая в мире была получена бесшовная стальная труба из валкового прошивного стана сконструированного братьями Маннесман.
Принцип работы трубопрокатного стана Маннесманов.
В 1903 году, валковый стан братьев экспонируется на Всемирной выставке в Чикаго. Был там и изобретатель Эдисон, который на вопрос, что больше всего из представленных экспонатов и действующих моделей ему понравилось на этой выставке, сказал, что это бесшовная труба Маннесманов из стали.
В 1890 году братья не останавливаются на достигнутом и изобретают поперечный способ прокатки, ставший важным этапом в становлении трубной промышленности и применяемый не только в производстве труб, но и архитектуре. В 1890 году братьям основывают собственный концерн «Маннесманрёрен верке», который и сейчас остается ведущим в мире по производству бесшовных, стальных труб. Его продукция применяется во всех крупных трубопроводах от Сибири и Саудовской Аравии до Аляски и Южной Америки.
На фото – модель вагона для перевозки труб производства концерна «Маннесман», начала 20 века.
Талантливый человек – талантлив во всем, Рейнхард Маннесман имел патенты на изобретения в области телефонии, ручного инструмента и цементации стали.
Во время Второй Мировой войны, концерн «Маннесман» становится еще больше за счет постоянных заказов из Вермахта и использования подневольной рабочей силы. После капитуляции Германии, по договоренности с Советским Союзом, союзники должны были полностью «разобрать» заводы концерна, но в итоге этого не сделали.
Интересен факт, что, когда после угроз Хрущева и Карибского кризиса, на СССР были наложены санкции, в число которых входила и поставка труб крупного диаметра – концерн «Маннесман» в обход станции поставлял бесшовные трубы Советскому Союзу, став основой для советской нефтегазовой мощи.
Профильная труба – материалы, производство, применение
Трубный металлопрокат предназначен не только для создания трубопроводов. Целый вид труб для транспортировки жидкостей или газов используется редко, но зато находит самое широкое применение в целом ряде других сфер – от строительства оград до автомобилестроения. Это – профильные трубы, которые вместо круглого сечения могут иметь овальное, прямоугольное или квадратное. Кроме того выпускаться могут трубы и более редких профилей – шестигранники, треугольники – и т.д. В принципе по специальному заказу трубе можно придать любой профиль – но стоить такая экзотика будет намного больше обычной, да и надобность в такой экзотике возникает нечасто.
Что нужно знать о технологии при выборе профильной трубы?
Прежде всего то, что производиться труба может разными способами, а именно:
— деформированием бесшовной горячекатаной трубы
— деформированием бесшовной холоднокатаной трубы
— деформированием сварной прямошовной трубы
— формированием сварной профильной трубы из стальной полосы (штрипса).
Во всех первых трех случаях профильная труба получается после обработки трубы круглого сечения профилирующими вальцами. Считается, что трубы, изготовленные таким способом, будут не столь прочны, как их собратья круглого сечения, но более дороги.
Первые два способа являются наиболее дорогими – и применяются довольно редко, только там, где от профильных труб требуются одновременно высокая надежность при больших нагрузках и безопасность. Но там где такие требования присутствуют, можно, как правило, использовать и непрофильные круглые трубы. Кроме того, у профильных труб есть еще один недостаток, который препятствует их применению в трубопроводах – такие трубы невозможно соединять при помощи нанесения резьбы.
Гораздо более дешевым является способ получения профильной трубы из стальной полосы (штрипса). В этом случае рулон штрипса нужной ширины помещается в барабан и стальная лента пропускается через валки, формирующие из нее нужный профиль, а стык обрабатывается высокочастной сваркой, образующей шов.
После этого изделия для снятия внутренних механических напряжений подвергаются нагреву и проходят неразрушающий (ультразвуковой) контроль сварного шва.
Выгода этого метода – в его непрерывности: станок с вальцами может работать непрерывно до тех пор, пока штрипс в барабане не закончится – соответственно, нет и ограничений на длину профильной трубы.
Отсюда вывод: если нужная вам труба не должна в процессе эксплуатации подвергаться высоким нагрузкам по давлению «изнутри», то лучше воспользоваться сварной профильной трубой из штрипса.
Кроме того, нужно еще иметь в виду, что произвести профильную трубу из одношовной круглой можно и в не фабричных условиях на довольно простом станке. Некоторые предприниматели так и делают – и не тратят силы и энергию на последующую термическую обработку своей продукции. Если произведенные ими таким способом профильные трубы поставляются компаниям, производящим мебель или занятыми сооружением оград и заборов, то ничего страшного – там подойдут и такие образцы.
Но тем, кто покупает профильные трубы для более ответственных работ (например – строительных) имеет смысл перед покупкой выяснить кем и как продукция произведена. Или (что лучше) положиться на репутацию хорошо известного и надежного производителя.
Профильные трубы – виды и выгоды
Профильная труба, как уже говорилось, плохо подходит для водо- и газо-проводов, поскольку отличается совсем другими полезными свойствами. Чтобы с ними определиться, посмотрим, какими бывают стальные профильные трубы:
Овальная труба часто применяется при декоративном оформлении зданий, подъездов и жилых помещений (особенно при сооружении всяких ограждений и перил), поскольку в виде декоративного элемента она весьма удобна и эффектно смотрится.
Но это далеко не единственное ее достоинство. Дело в том, что главное свойство круглых труб (минимальная площадь при максимальном объеме) не всегда полезно: когда речь идет о змеевиках охлаждения площадь удаления для тепла должна быть как раз побольше. Поэтому в них овальные в сечении профильные трубы будут более подходящим вариантом.
Другое дело, что такой вариант будет дорогостоящим – изготавливать змеевики можно будет только из бесшовных (другие не годятся) профильных труб и в заводских условиях.
Квадратная труба будет выгодно отличаться от круглой там, где конструкции придется иметь дело с поперечными нагрузками. Круглые трубы хорошо держат внутреннее давление, но относительно легко гнутся. Поэтому использовать их в качестве несущего элемента нельзя. А вот квадратные трубы с четырьмя ребрами жесткости – очень даже можно. Поперечная прочность у профильной трубы квадратного сечения будет такой же, как и у стального прута такого же сечения; но вес и расход металла в этом случае будет куда меньшим.
Прямоугольная труба обладает теми же свойствами, что и квадратная, но с одним нюансом: ее удобно применять там, где точно будет известен вектор нагрузки. Например – если сооружаем балкон с опорами на колонны, то для перемычки между ними стоит использовать именно прямоугольную трубу, причем поставив ее на узкую сторону. При этом считается, что профильная прямоугольная (или квадратная) бесшовная труба способна выдерживать на 10-15% большие нагрузки, чем изготовленная из штрипса.
Общие преимущества профильных труб
Все профильные трубы обладают общим набором плюсов.
Во-первых они гораздо легче металлического бруса при той же прочности.
Во-вторых они из-за меньшего веса и большей компактности гораздо удобнее при транспортировке (в прямоугольный кузов автомобиля прямоугольный профиль можно уложить гораздо плотнее, чем круглый) и в хранении.
В-третьих – профильные трубы, произведенные по наиболее распространенной технологии отличаются невысокой стоимостью, что делает их использование в различных сферах весьма выгодным.
В-четвертых – относительно небольшой вес профильных труб позволяет возводить сооружения из них без применения специальной техники.
Где применяются профильные трубы?
Принцип использования профильных труб универсален: он равно может использоваться в мебельной отрасли и в строительстве. Но именно в строительной сфере профильный прокат используется чаще всего, составляя серьезную конкуренцию деревянному брусу и железобетонным балкам. Особенно удобен профильный прокат при сборке легких каркасных конструкций – от детских площадок и торговых павильонов до ангаров и складов.
При этом размер конструкции ограничивается только размерами самого профиля. Если он достаточно велик, то из него можно собирать каркасы таких внушительных зданий, как торговые центры фирмы «ИКЕА», стадион «Локомотив», «Крокус-Сити», вокзальный комплекс «Ладожский» в Санкт-Петербурге и др. Кроме того профильные трубы широко применяются в сельскохозяйственном машиностроении при сборке комбайнов и различных навесных приспособлений для тракторов.
Разумеется, при строительстве крупных архитектурных объектов наилучшим (и едва ли не единственно возможным) средством их соединения будет сварка. Но если размах строительства не столь масштабен, то сборка конструкций из профильных труб может производиться гораздо быстрее – при помощи хомутов «краб-системы», которые могут соединять несколько труб. «Крабы» могут быть Х-, Г- и Т-образными.
А соединением профильных труб, применяемых в мебельной промышленности, все еще проще – они соединяются просто болтами разной длины.
Для трех наиболее распространенных видов профильных труб разработаны свои ГОСТы:
-для труб с квадратным сечением — ГОСТ 8639-82
-для прямоугольных труб – ГОСТ 8645-68
-для овальных труб — ГОСТ 8642-68
Металлом для изготовления таких труб, в соответствии с этими документами, чаще всего является низколегированная углеродистая сталь марок 10–45, Ст2, Ст4, 08кп, 10, 20 и низколегированных 09Г2С, 17ГС (соответствующих требованиям ГОСТ 1050-88 и ГОСТ 380-94).
Квадратная труба, согласно своему ГОСТ 8639-82, может изготавливаться с ребром от 10 до 180 мм и толщиной стенки от 1 до 6 мм. Площадь сечения трубы может быть от 0,343 см² до 89,59 см² для максимального. Масса 1погонного метра такой трубы колеблется в пределах 0,269–70,33 кг.
Для прямоугольных труб ГОСТ 8645-68 определяет основные параметры профиля, а именно: ширину (А), высоту (В), толщину стенок (s) и угол спрямления (R)
Самые используемые длины квадратного и прямоугольного профилей – 6 и 12 м.
Фото схематического изображения поперечного разреза трубы позволит быстрее сориентироваться в величинах размеров.
Овальная труба выпускается с размерным рядом от 6 мм по ширине (А) и от 3 мм по высоте (В) до 90 мм (А) при 32 мм (В). Наружный диаметр скругления по большему радиусу (длине) возможен от 5,42 до 114,56 мм, по меньшему (ширине) – от 1,03 мм до 9,95 мм. При таких размерах 1 м трубы может весить от 0,0513 до 4,1 кг. Для таких изделий ГОСТ 8642-68 определяет сортамент с максимальным показателем высоты (В) в 50 мм при ширине (А) в 80 мм. В сортаменте профильной трубы имеются изделия специальных размеров, выпускающиеся под заказ.
Ещё один показатель сортамента профильной трубы – это толщина её стенок, которая может быть от 1 до 18 мм. При этом тонко- и толсто-стенность профильной трубы определяется не абсолютным значением толщины стенки, а ее отношением к диагонали сечения трубы.
Чтобы профильная труба считалась толстостенной, толщина стенки (s) должна быть не менее 0,1 от диагонали.
ГОСТы также определяют длину, с которой могут выпускаться профильные трубы:
Кратная мерная длина с припуском 5 мм на каждый рез