CC BY
17
Машиностроение и машиноведение
УДК 621.774.63
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ГНУТЫХ ТРУБ С УЧЕТОМ ПЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА Абрамов Алексей Геннадиевич, магистр (e-mail: bender.reutov@mail.ru) Московский политехнический университет, г. Москва, Россия Морозов Юрий Анатольевич, канд. техн. наук, доцент (e-mail: akafest@mail.ru) МГТУ им. Н.Э. Баумана (НИУ), г.Москва, Россия
Рассматривается процесс гибки труб с учетом ограничивающих факторов допустимого искажения профиля - образование складок (гофры) и овализации, обусловленных радиусом гибки и тонкостенностью трубы. Показана методика устанавливающая момент разрушения трубы при определенной интенсивности деформаций, определяемой пластическими свойствами металла.
Ключевые слова: гибка труб, радиус гибки, овализация, деформация, ресурс пластичности.
Применение различных труб в качестве инженерных сооружений для транспортирования жидкости или газа, широко используется не только в нефтяной, химической и аэрокосмической отраслях промышленности, ап-парато- и машиностроении, но и в жилом строительстве при прокладке коммунальных сетей (например, водогазопроводные трубы, предназначенные для обеспечения нормальных условий жизни человека).
Уже на стадии проекта на участках поворота трассы, закладывается упругий изгиб (осуществляется при укладке в проектное положение) или гнутые угловые отводы, придающие первоначально прямолинейной трубе соответствующую конфигурацию.
Однако в этом случае необходимость использования сварки зачастую усложняет процесс проводки трубопровода. Иногда сварочные швы просто нежелательно по эстетическим соображениям и в этом случае, наиболее простым решением является гибка трубы, позволяющая свести к минимуму число сварных швов при прокладке трубопровода со всяческими отводами; обеспечивающая более привлекательный внешний вид и высокую надежность.
Сам по себе процесс гибки труб по заданной траектории не представляется чем-то особенным, технологически является весьма простой операцией и заключается в изменении кривизны профиля с получением требуемого угла и радиуса гибки, и может осуществляться вручную с использованием трубогибов разнообразной конструкции (рисунок 1).
Рисунок 1 - Трубогибы: ручные (слева) и гидравлический (справа)
Однако при этом требуется рассмотрение и решение вопросов поведения трубы при изгибе - искажение профиля (овализация), утонение, а также установление минимального, предельно допустимого радиуса гибки при котором отсутствуют складки (гофры), являющиеся очагами засорения и коррозии трубопроводов; кроме того, наличие потери устойчивости трубы приводит к ее ослаблению как несущей конструкции (рисунок 2).
т О) С|
Лл J
Я
Рисунок 2 - Искажение профиля трубы
Чем меньше радиус изгиба, тем сильнее будет деформироваться каждый участок трубы. Условие недопущения критической деформации при холодной гибке (рисунок 3)
Я0 = Явн + - В
Явн = 20 5 и
2
Минимальные радиусы гибки (по оси трубы, без наполнения или нагрева), рекомендуются [1]:
- для труб с наружным диаметром до В < 20 мм, не менее Я - 2,5 В;
- для труб с наружным диаметром свыше В -20 мм, не менее Я - 3,5 В
Рисунок 3 - Схема гибки трубы (слева) и наименьший радиус изгиба стальных труб (справа)
Рассмотрим процесс гибки трубы при допущении гипотезы плоских сечений как чистый изгиб тонкостенной оболочки кольцевого сечения, искажаемой с учетом эффекта Т.Кармана (Th. Karman) действием продольных (тангенциальных) и радиальных сжимающих Gr напряжений (рисунок 4) [2, 3]
Рисунок 4 - Искажение профиля трубы (овализация)
Рассмотрим гибку трубы 030*1,0 мм из алюминиевого деформируемого сплава АМГ6 на рекомендуемый минимальный радиус изгиба, определенный эмпирической зависимостью при свободной гибке, при котором отсутствуют складки (гофры) [4]
---I - - £
= 9,25 J 0,2
= 9,25 J 0,2
10 30
В V в .
где £ - номинальная толщина стенки трубы; В - наружный диаметр трубы. Таким образом, минимальный внутренний радиус
= 3,7763
Я = ^шп в = 3,7763. зо = 113,3
В мм.
Радиус изгиба осевой линии трубы
Я0 = Я + В = 113,3 + 30 = 128,3
2 2
А А мм.
Овализация (сплющивание) поперечного сечения трубы определяется допущением пропорционального изменения длин малой и большой осей эллиптического сечения
В = В + к~кВ = 30 + 2,0071 • 8,5455 = 47,15 мм.
° В ' ' ' мм,
Н = В - какВ = 30 - 2,0071 • 8,5455 = 12,85 мм
мм,
где ка - коэффициент, зависящий от материала трубы
ка= 2 + 3,46-^ = 2 + 3,46-
E
T
0,71 • 10
5
2,0071
kD _
коэффициент, зависящий от радиуса гиба, толщины стенки и диаметра трубы
В - Б 30 -1,0
кВ =---
48 S
2
2 +
* + D 2 у
2
48 -1,0
2
/
(D " S )
2 +
128,3 + 30 v 2
2
8,5455
у
(30 -1,0)4
аТ = 145 ET = 0,71 -10
МПа - условный предел текучести АМг6; 5
МПа - модуль упругости при деформационном упрочне-
нии АМг6.
g- 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 м
Тонкостенность трубы, S/D
Рисунок 5 - Параметр овализации (сплющивания) трубы (относительная высота H/D)
Таким образом, относительная высота трубы при сплющивании (рисунок 5).
Н/В = 12,85/30 = 0,428
Однако в условиях пренебрежения искажением геометрии и интенсификации процесса гибки труб, интерес представляет исследование минимальной кривизны, при которой происходит разрушение и исчерпание несущей способности, определяемой пластическими свойствами материала.
При допущении гипотезы плоских сечений и установленной овализации поперечного сечения трубы, определяется сжимающая (радиальная) деформация
Н - В 12,85 - 30 0 5_2
£г =-=-= - 0,572
В 30 .
С учетом неразрывности деформаций (£& =£г), рассчитывается тангенциальная деформация
£п= 1--— = 1--1-= 0,364
° 1 + £г 1 + 0,572
Принимая критерием пластичности теорию Мора и гипотезу энергии формоизменения, совокупностью компонентов деформаций устанавливается интенсивность деформаций
и = 4{ев-£г )2 = / ^ ч д/(0,364 + 0,572)2 = 0,501
' 2 (1 + РГ 2 (1 +0,32) (50,1%),
_ А Л1 Л ЛЛ
где № = 0,31—0,33 - коэффициент Пуассона алюминиевого деформируемого сплава АМг6.
Применяя данную теорию к конкретным пластическим свойствам отдельного металла, ресурс пластичности последнего можно оценить совокупностью деформаций приводящих к разрушению, например, в испытаниях на растяжение (рисунок 6)
2 (1+ М)
V (- у
где 8 - относительное удлинение (продольная деформация образца до/после разрыва, измеряемая после соединения разорванных частей)
8 = 1 раз 1° Ю0% 10 ,
у- относительное сужение шейки, определяемое площадью поперечного сечения разорванного образца в наиболее тонком месте шейки
¥ = ¥ш - Ю0%
¥0 .
Таким образом, накопленная деформация обуславливает разрушение материала при полном исчерпании ресурса пластичности определенного, на-
пример, механическим испытанием на растяжение образца вплоть до его разрыва.
Рисунок 6 - Построение диаграммы растяжения металла в координатах «напряжение-деформация»
Список литературы
1. ГОСТ 17380-2001 (ИСО 3419-81) Детали трубопроводов бесшовные приварные из углеродистой и низколегированной стали.
2. Гальперин А.И. Машины и оборудование для гнутья труб / А.И. Гальперин. - М.: Машиностроение, 1967. - 179 с.
3. Мосин Ф.В. Технология изготовления деталей из труб / Ф.В. Мосин. - Л.: Машгиз, 1962. - 172 с.
4. Аверкиев Ю.А. Технология холодной штамповки / Ю.А. Аверкиев, А.Ю. Аверки-ев. - М.: Машиностроение, 1989. - 304 с.
Abramov Aleksey Gennadiyevich, Master's student
(e-mail: bender.reutov@mail.ru)
Moscow Polytechnic University, Moscow, Russia
Morozov Yury Anatolievich, Ph.D., associate professor, Candidate of Engineering Science (e-mail: akafest@mail.ru)
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia INVESTIGATION OF THE PROCESS OF SHAPING OF BENT PIPES WITH CONSIDERING THE PLASTIC PROPERTIES OF THE METAL
Abstract. The process of pipe bending is considered taking into account the limiting factors of the permissible distortion of the profile - the formation of folds (corrugations) and ovalization, due to the bending radius and thin-walled pipe. A technique is shown that establishes the moment of destruction of the pipe at a certain intensity of deformation, determined by the plastic properties of the metal.
Keywords: pipe bending, bending radius, ovalization, deformation, plasticity resource.
