Рассмотрен процесс подгибки кромок толстого стального листа по эвольвенте на кромкогибочном прессе фирмы SMS Meer при производстве сварных толстостенных одношовных прямошовных стальных труб большого диаметра.
Ключевые слова: стальные трубы большого диаметра, кромкогибочный пресс.
Производство сварных труб большого диаметра. Для обеспечения высоких требований к эксплуатации магистральных газонефтепроводов на рынке производства сварных труб большого диаметра утвердился процесс формовки трубной заготовки по схеме JСOE, разработанный фирмой SMS Meer [1–47]. Процесс включает на первой стадии подгибку кромок листовой заготовки на кромкогибочном прессе (КГП) пошаговым способом одновременно с двух сторон (рис. 1).
Рис. 1. Вид КГП SMS Meer перед формовкой заготовки
Формовка основной части листовой заготовки осуществляется на трубоформовочном прессе пошаговым способом от подогнутых кромок к середине заготовки одновременно по всей длине заготовки и обеспечивает получение заготовок незамкнутого О−профиля. Далее осуществляется сборка трубы с помощью газовой сварки наружного шва трубы и четырех дуговой сварки внутреннего и внешнего швов трубы. После сварки необходимые диаметр и поперечная округлость трубы достигаются с помощью экспандирования. Потом следуют процессы гидроиспытания трубы и нанесения изоляции на поверхность трубы.
Таблица 1
Характеристики сварных труб большого диаметра
|
Характеристики |
АО «ВМЗ» |
ЗАО «ИжТЗ» |
ОАО «ЧТПЗ» |
|
Диаметр, мм |
508-1422 |
630-1420 |
508-1422 |
|
Толщина стенки, мм |
8,0-50 |
8,0-37,9 |
9,5-48 |
|
Длина, м |
10,5-12,4 |
10,5-18,3 |
12,7-18,3 |
|
Класс прочности |
К34-К65 Х42-Х80 |
К52-К65 Х56-Х70 |
£ К80 £ Х100 |
Производство сварных прямошовных одношовных труб по схеме JСOE для магистральных газопроводов диаметром ≥1220 мм осуществляется в России на АО «Выксунский металлургический завод» (АО «ВМЗ»), ЗАО «Ижорский трубный завод» (ЗАО «ИжТЗ») и ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» (ОАО «ЧТПЗ»), а также на зарубежных трубных заводах Германии, Китая и Индии (таблица 1).
Рис. 2. Система координат рабочего профиля матрицы КГП SMS Meer
Расчет профиля матрицы кромкогибочного пресса. Введем прямоугольную систему координат Oxy, начало которой расположено в точке контакта листовой заготовки с матрицей (рис. 2). Пусть H и l - высота подъема и «длина» кромки деформируемой части заготовки при формовке, H1 и l1 — после формовки (распружинивания).
Контактный профиль матрицы задан в кромкогибочном прессе SMS Meer с помощью уравнения эвольвенты окружности (рис. 3):
где φ — «угол» эвольвенты, r = const.
Длина дуги и радиус кривизны эвольвенты равны S(φ) = rφ2/2 и ρэв(φ) = rφ.
Рис. 3. Эвольвента рабочего профиля матрицы КГП SMS Meer
Обозначим через φ0 — угол, соответствующий началу эвольвентной поверхности матрицы, а через φk — угол, соответствующий концу этой поверхности. Тогда зависимость реальных координат x(φ) и y(φ) эвольвентной поверхности матрицы (верхней поверхности нераспружиненной заготовки) от координат a(φ) и b(φ) имеет вид
Введем угол наклона профиля поверхности матрицы к горизонтали a(j) = j0 - j, a(jk) = ak. Тогда dy(j)/dx(j) = tg a(j).
Таблица 2
Расчет профиля поверхности матрицы КГП SMS Meer
|
x, мм |
0 |
100 |
200 |
300 |
400 |
462,03 |
|
y, мм |
0 |
5,98 |
24,94 |
59,49 |
115,39 |
167,24 |
|
ρ, мм |
861,6 |
793,7 |
718,1 |
629,9 |
517,8 |
421,0 |
|
S, мм |
0 |
100,2 |
202,1 |
308,0 |
422,8 |
503,7 |
|
ak, град |
0 |
6,94 |
14,66 |
23,66 |
35,12 |
45,00 |
В таблице 2 приведены результаты расчета параметров эвольвентной поверхности матрицы при подгибке кромки стальной листовой заготовки для трубы диаметром D = 1420 мм (r = 561,0 мм, φ0 = 88°, jk = 43°).
Коэффициент пружинения. Радиус кривизны нейтральной плоскости стальной заготовки при формовке на КГП равен r = rj + h/2. Сопротивление деформации стали sт* = mкгпsт, где σт — предел текучести стали, mкгп = const » 1 − безразмерный коэффициент, учитывающий скорость деформации заготовки.
После деформации на КГП кромки стальной листовой заготовки распружиниваются. Остаточный радиус кривизны нейтральной плоскости заготовки после распружинивания ρ0 и коэффициент пружинения заготовки β равны
где h и r - толщина и радиус кривизны нейтральной плоскости стальной листовой заготовки; E –модуль Юнга; Пр и Пс — модули упрочнения при растяжении и сжатии; sт* - сопротивление деформации стали.
Подгибка кромок листовой заготовки происходит одновременно и симметрично относительно центральной продольной оси листа, а величина φ0 всегда задана. Пусть DLкгп - длина подгибаемой кромки по эвольвенте с одной стороны заготовки. Тогда
Многорадиусная схема расчета. Получить точное значение профиля нейтральной плоскости заготовки (xβ, yβ), H1 и l1 после распружинивания стальной листовой заготовки можно с помощью численной многорадиусной схемы расчета Шинкина для кромкогибочного пресса (рис. 4):
Рис. 4. Многорадиусная схема расчета формы заготовки после формовки
Для трубы диаметром D = 1420 мм результаты расчета высоты кромки стальной заготовки (r = 561,0 мм, φ0 = 88º, E = 2×1011 МПа) после распружинивания приведены в таблице 3.
Таблица 3
Высота кромки заготовки после распружинивания
|
Марка стали |
sт, Н/мм2 |
h, мм |
DLкгп, мм |
H1 + h, мм |
|
Нормативная |
Расчетная |
||||
|
14ХГС |
350 |
25 |
430 |
120±5 |
120,03 |
|
16Г2САФ |
420 |
24 |
442 |
120±5 |
119,93 |
Производственные дефекты стальных труб. Новейшими технологиями производства прямошовных одношовных труб большого диаметра являются процессы по схеме JСОE [1-47]. Перед формовкой труб стальной лист правят на листоправильных машинах [1, 2, 6-12]. Дефект образования гофра продольной кромки стального листа на кромкогибочном прессе изучался в работах [1, 2, 16-27], дефект несплавления сварного продольного шва при сборке трубы − в [1, 2, 13], дефект остаточных напряжений стального листа после трубоформовочного пресса - в [1, 2, 29], дефект стального листа раскатной пригар с риской - в [1, 2, 14], процессы прокатки стального листа для производства труб - в [48-58].
Литература:
1. Шинкин В. Н. Сопротивление материалов для металлургов. — М: Изд. Дом МИСиС, 2013. — 655 с.
2. Шинкин В. Н. Механика сплошных сред для металлургов. — М: Изд. Дом МИСиС, 2014. — 628 с.
3. Шинкин В. Н. Сопротивление материалов. Простые и сложные виды деформаций в металлургии. — М: Изд. Дом МИСиС, 2008. — 307 с.
4. Шинкин В. Н. Теоретическая механика для металлургов. — М: Изд. Дом МИСиС, 2012. — 679 с.
5. Буланов Э. А., Шинкин В. Н. Механика. Вводный курс. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. — 172 с.
6. Шинкин В. Н. Математическая модель правки стальной полосы на пятироликовой листоправильной машине фирмы Fagor Arrasate // Молодой ученый. 2015. № 8 (88). С. 344–349.
7. Шинкин В. Н. Правка толстой стальной полосы на одиннадцатироликовой листоправильной машине линии поперечной резки фирмы Fagor Arrasate // Молодой ученый. 2015. № 9 (89). С. 359–365.
8. Шинкин В. Н. Расчет технологических параметров правки тонкой стальной полосы на пятнадцатироликовой листоправильной машине фирмы Fagor Arrasate // Молодой ученый. 2015. № 10 (90). С. 361–366.
9. Шинкин В. Н. Холодная правка толстого стального листа на девятироликовой машине фирмы SMS Siemag на металлургическом комплексе стан 5000 // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). С. 467–472.
10. Шинкин В. Н. Четырехроликовый режим холодной правки толстого стального листа на пятироликовой листоправильной машине фирмы Fagor Arrasate // Молодой ученый. 2015. № 12 (92). С. 356–361.
11. Шинкин В. Н. Упругопластическая деформация металлического листа на трехвалковых вальцах // Молодой ученый. 2015. № 13 (93). С. 225–229.
12. Шинкин В. Н. Шестироликовый режим предварительной правки стальной полосы на листоправильной машине фирмы Fagor Arrasate // Молодой ученый. 2015. № 14 (94). С. 205–211.
13. Шинкин В. Н. Определение критических давлений магистральных газонефтепроводов при частичном несплавлении продольного сварного шва стальных толстостенных труб // Молодой ученый. 2015. № 15 (95). С. 222–227.
14. Шинкин В. Н. Критерий разрушения труб при дефекте раскатной пригар // Молодой ученый. 2015. № 16 (96). С. 261–265.
15. Шинкин В. Н. Дефект перегиба стальной заготовки на трубоформовочном прессе // Молодой ученый. 2015. № 17 (97).
16. Шинкин В. Н. Гофр продольной кромки листа при его формовке на кромкогибочном прессе // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. 2009. Вып. 6. С. 171−174.
17. Шинкин В. Н., Уандыкова С. К. Гибка стальной листовой заготовки на кромкогибочном прессе при производстве труб большого диаметра // Известия Кыргызского государственного технического университета им. И. Раззакова. 2009. № 16. С. 110−112.
18. Шинкин В. Н., Коликов А. П. Моделирование процесса формовки заготовки для труб большого диаметра // Сталь. 2011. № 1. С. 54−58.
19. Шинкин В. Н., Коликов А. П. Моделирование процесса пластического формоизменения листовой заготовки для производства труб большого диаметра // Обработка металлов давлением, 2011. № 3(28). С. 7–11.
20. Шинкин В. Н., Коликов А. П. Формовка листовой заготовки в кромкогибочном прессе и условие возникновение гофра при производстве труб магистральных трубопроводов // Производство проката. 2011. № 4. С. 14−22.
21. Шинкин В. Н. Математическое моделирование процессов производства труб большого диаметра для магистральных трубопроводов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 4 (62). Вып. 4. С. 69−74.
22. Шинкин В. Н., Коликов А. П. Упругопластическое формоизменение металла на кромкогибочном прессе при формовке труб большого диаметра // Сталь. 2011. № 6. С. 53–56.
23. Шинкин В. Н., Коликов А. П. Модель пластического формоизменения кромок листовой заготовки при производстве труб большого диаметра для магистральных трубопроводов // Известия вузов. Черная металлургия. 2011. № 9. С. 45–49.
24. Шинкин В. Н., Коликов А. П. Моделирование процессов экспандирования и гидроиспытания труб большого диаметра для магистральных трубопроводов // Производство проката. 2011. № 10. С. 12−19.
25. Шинкин В. Н., Коликов А. П., Барыков А. М. Технологические расчеты процессов производства труб большого диаметра по технологии SMS Meer // Металлург. 2011. № 11. С. 77−81.
26. Shinkin V. N., Kolikov A. P. Simulation of the shaping of blanks for large-diameter pipe // Steel in Translation. 2011. Vol. 41. No. 1. P. 61–66.
27. Shinkin V. N., Kolikov A. P. Elastoplastic shaping of metal in an edge-ending press in the manufacture of large-diameter pipe // Steel in Translation. 2011. Vol. 41. No. 6. P. 528–531.
28. Шинкин В. Н., Барыков А. М., Коликов А. П., Мокроусов В. И. Критерий разрушения труб большого диаметра при несплавлении сварного соединения и внутреннем давлении // Производство проката. 2012. № 2. С. 14−16.
29. Шинкин В. Н., Коликов А. П., Мокроусов В. И. Расчет максимальных напряжений в стенке трубы при экспандировании с учетом остаточных напряжений заготовки после трубоформовочного пресса SMS Meer // Производство проката. 2012. № 7. С. 25−29.
30. Шинкин В. Н. Критерий перегиба в обратную сторону свободной части листовой заготовки на трубоформовочном прессе SMS Meer при производстве труб большого диаметра // Производство проката. 2012. № 9. С. 21−26.
31. Шинкин В. Н., Мокроусов В. И. Критерий разрыва труб газонефтепроводов при дефекте раскатной пригар с риской // Производство проката. 2012. № 12. С. 19–24.
32. Shinkin V. N., Kolikov A. P. Engineering calculations for processes involved in the production of large-diameter pipes by the SMS Meer technology // Metallurgist. 2012. Vol. 55. Nos. 11–12. P. 833–840.
33. Шинкин В. Н., Федотов О. В. Расчет технологических параметров правки стальной горячекатаной рулонной полосы на пятироликовой машине линии поперечной резки фирмы Fagor Arrasate // Производство проката. 2013. № 9. С. 43–48.
34. Шинкин В. Н., Барыков А. М. Расчет технологических параметров холодной правки стального листа на девятироликовой машине SMS Siemag металлургического комплекса стан 5000 // Производство проката. 2014. № 5. С. 7–15.
35. Шинкин В. Н. Расчет технологических параметров правки стального листа на одиннадцатироликовой листоправильной машине линии поперечной резки фирмы Fagor Arrasate // Производство проката. 2014. № 8. С. 26–34.
36. Шинкин В. Н., Барыков А. М. Расчет формы трубной заготовки при гибке на кромкогибочном и трубоформовочном прессах фирмы SMS Meer при производстве труб большого диаметра по схеме JCOE // Производство проката. 2014. № 12. С. 13−20.
37. Шинкин В. Н., Борисевич В. Г., Федотов О. В. Холодная правка стального листа в четырехроликовой листоправильной машине // В сборнике: Глобализация науки: проблемы и перспективы. Том 2. — Уфа: Башкирский государственный университет, 2014. — С. 119–121.
38. Шинкин В. Н. Математическая модель правки тонкого стального листа на пятнадцатироликовой листоправильной машине линии поперечной резки фирмы Fagor Arrasate // Производство проката. 2015. № 1. С. 42−48.
39. Шинкин В. Н., Барыков А. М. Гибка стального листа на трубоформовочном прессе при производстве труб большого диаметра // Сталь. 2015. № 4. С. 38−42.
40. Шинкин В. Н. Производство труб большого диаметра по схеме JCOE фирмы SMS Meer для магистральных трубопроводов // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2015. № 3–1. С. 64–67.
41. Шинкин В. Н. Расчет технологических параметров кромкогибочного пресса фирмы SMS Meer // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2015. № 4–1. С. 114–119.
42. Шинкин В. Н. Математический критерий возникновения гофра при формовке стальной листовой заготовки на кромкогибочном прессе SMS Meer // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2015. № 5–1. С. 96–99.
43. Шинкин В. Н. Расчет усилий трубоформовочного пресса SMS Meer при изгибе плоской толстой стальной заготовки при производстве труб большого диаметра // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2015. № 6–1. С. 115–118.
44. Шинкин В. Н. Оценка усилий трубоформовочного пресса SMS Meer при изгибе стальной цилиндрической заготовки // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2015. № 7–1. С. 74–78.
45. Шинкин В. Н., Барыков А. М. Сила давления пуансона трубоформовочного пресса SMS Meer при изгибе частично изогнутой толстой стальной заготовки // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2015. № 8–1.
46. Шинкин В. Н., Барыков А. М. Математический критерий перегиба стальной заготовки на трубоформовочном прессе SMS Meer // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2015. № 9–1.
47. Пермичев Н. Ф., Барыков А. М., Палева О. А. Управление инновационным потенциалом предприятия. — Нижний Новгород: Изд. ВВАГС, 2008. — 83 с.
48. Скороходов В. Н., Чернов П. П., Мухин Ю. А., Бельский С. М. Математическая модель процесса свободного уширения при прокатке полос // Сталь. 2001. № 3. С. 38−40.
49. Скороходов В. Н., Мухин Ю. А., Бельский С. М. Нейтральные углы при прокатке в валках неравных диаметров, вращающихся с одинаковой угловой скоростью // Производство проката. 2006. № 5. С. 2−6.
50. Скороходов В. Н., Мухин Ю. А., Бельский С. М. Контактное давление при тонколистовой прокатке в валках неравных диаметров, вращающихся с одинаковой угловой скоростью // Производство проката. 2007. № 2. С. 15−20.
51. Мухин Ю. А., Бельский С. М. О допустимости одного упрощения при анализе процесса несимметричной тонколистовой прокатки // Производство проката. 2007. № 7. С. 11−13.
52. Скороходов В. Н., Мухин Ю. А., Бельский С. М. Энергетический баланс и величина нейтральных углов при прокатке в валках неравных диаметров // Производство проката. 2007. № 9. С. 15−18.
53. Бельский С. М., Мухин Ю. А. Нейтральные углы и контактное давление при тонколистовой прокатке со скоростной асимметрией // Производство проката. 2007. № 11. С. 13−17.
54. Скороходов В. Н., Мухин Ю. А., Бельский С. М., Мазур С. И. Особенности профилировок рабочих валков для клетей с осевой сдвижкой. Сообщение 1 // Производство проката. 2007. № 12. С. 17−19.
55. Бельский С. М. Влияние формы эпюры переднего удельного натяжения на распределение давления прокатки и выходных напряжений по ширине полосы // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2008. № 1. С. 43–46.
56. Скороходов В. Н., Мухин Ю. А., Бельский С. М., Мазур С. И. Особенности профилировок рабочих валков для клетей с осевой сдвижкой. Сообщение 2 // Производство проката. 2008. № 1. С. 21–24.
57. Бельский С. М. О некоторых эффектах применения осевой сдвижки рабочих валков // Производство проката. 2008. № 7. С. 21−24.
58. Бельский С. М., Мухин Ю. А., Мазур И. П. Теоретический анализ влияния натяжений на уширение металла при тонколистовой прокатке // Производство проката. 2008. № 11. С. 13–17.
