CC BY
18ПРИМЕНЕНИЕ КОНЦЕПЦИИ DIGITAL TWIN ДЛЯ ТРУБНОЙ ПРОДУКЦИИ НА ПРИМЕРЕ ОТВОДА ХОЛОДНОГО ГНУТЬЯ В УСЛОВИЯХ СТРОИТЕЛЬСТВА СОВРЕМЕННЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
УДК 539.3.621.644.07.001.2
И.В. Шабалов, д.т.н., ООО «Трубные инновационные технологии» (Москва, РФ), [email protected]
B.Я. Великоднев, д.т.н., ООО «Центр экспертизы трубопроводных систем и инжиниринга» (Москва, РФ),
C.Ю. Настич, д.т.н. ЭТЦ ООО «Центр экспертизы трубопроводных систем и инжиниринга», [email protected] В.С. Каленский, ООО «Центр экспертизы трубопроводных систем и инжиниринга», [email protected]
Современный подход численного моделирования Digital twin включает разработку, верификацию и применение модели для анализа трубной продукции в условиях ее жизненного цикла, от изготовления до эксплуатации. В статье показан процесс исследования надежности изготовления и использования отводов холодного гнутья с применением численной модели. Разработанная численная модель деформирования трубы при изготовлении отводов холодного гнутья учитывает полный технологический цикл изготовления в стандартных трубогибочных машинах, модель материала соответствует реальным трубным сталям класса прочности К60, в том числе и с повышенной деформационной способностью. Результаты расчетов верифицированы натурным экспериментом изготовления отводов. Полученное остаточное напряженно-деформированное состояние отводов позволяет использовать численную модель для оценки работы детали в трассовых эксплуатационных условиях, а также для оценки и оптимизации технологического режима изготовления отводов. Проведенные имитационные эксперименты позволили оценить остаточный уровень деформационной способности металла готовых отводов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ОТВОД ХОЛОДНОГО ГНУТЬЯ, ДЕФОРМАЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ, ТРУБОГИБОЧНАЯ МАШИНА, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПАРАМЕТР, НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ, ТРУБА-ЗАГОТОВКА, ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.
ВВЕДЕНИЕ
Особое значение для надежности и безопасности новых образцов трубной продукции имеет процесс обоснования требований к ней и отработка технологии изготовления на основе исследований, испытаний опытных образцов. Современный подход численного моделирования с использованием концепции цифрового двойника Digital twin позволяет разрабатывать и верифицировать модель в процессе изготовления и испытаний опытных образцов. С помощью цифрового двойника производится оптимизация конструкции и технологии изготовления,что подтверждается контрольными испытаниями [1]. В статье представлен
опыт разработки и применения цифрового двойника отвода холодного гнутья, изготовленного из труб с высокой деформацион -ной способностью [2, 3].
СОЗДАНИЕ«ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА»ТРУБНОЙ ПРОДУКЦИИ НА ПРИМЕРЕ ХОЛОДНОИЗОГНУТОГО ОТВОДА
Цифровой двойник отвода холодного гнутья (ГО) получен путем моделирования в среде ANSYS его изготовления на типовом трубо-гибочном станке с полным соответствием кинематического на-гружения трубы-заготовки (рис. 1).
Модель свойств металла трубы-заготовки соответствует реальной диаграмме «напряжения -деформация» металла труб для
Рис. 1. Расчетная схема нагружения трубы-заготовки в типовой трубогибочной машине для создания цифрового двойника холодноизогнутого отвода
зон с активными тектоническими разломами (АТР), полученной при испытаниях образцов на растяжение. На рис. 2 представлена трехмерная геометрическая модель изготовления отвода.
Численной моделью учтена реальная геометрия рабочей части трубогибочного станка и вспомогательного оборудования. Геометрия параметризирована для
изменения под любые типоразмеры труб-заготовок и модели трубогибочных станков. Верификация модели проведена путем сопоставления с натурными исследованиями процесса изготовления отводов холодноизогнутых с уменьшенным радиусом изгиба. Отклонения при сравнении результатов не превысили 5 %.
Далее представлены результаты анализа цифровых двойников отводов холодноизогнутых, в том числе с увеличенным углом гиба (ГОУ) из трубы-заготовки диаметром 1420 мм с толщиной стенки 21,7 мм; К60 (предел текучести сТ = 550 МПа, временное сопротивление оВ = 650 МПа) с высокой деформационной способностью (ВДС) для зон АТР, изготовленных на трубогибочной машине ГТ 1424 производства ОАО «КрЭМЗ».
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТВОДА ХОЛОДНОИЗОГНУТОГО С ПОМОЩЬЮ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА
При каждом единичном гибе происходит обжатие верхней образующей трубы-заготовки о формирующее лекало (башмак) с образованием локальных «волн» с обеих сторон от обжатой части (рис. 3).
Расстояние ^огиб зависит от еди -ничного угла загиба и является критическим параметром, ограничивающим величину передвижки при изготовлении ГОУ. Превышение этого расстояния при передвижке приводит к вдавливанию башмаком вершины имеющейся волны, что приводит к росту ее амплитуды до недопустимых размеров и образованию гофр (рис. 4). Передвижка при гибе на величину менее £огиб приводит к продвижению волны вдоль образующей без роста ее амплитуды, вплоть до ее вырождения.
Процесс гофрообразования в значительной степени зависит от диаметра и тонкостенности (отношения диаметра к толщине) трубы-заготовки, а не от мар -
Рис. 2. Геометрическая модель изготовления отвода методом холодного гнутья в трубогибочной машине
Рис. 4. Моделирование гофрообразования при изготовлении ГОУ
Рис. 5. Максимальное допустимое значение передвижки между гибами для разных единичных углов гиба для трубы-заготовки 1420 х 21,7 мм
ки материала. Для труб диаметром 1420 мм и толщиной стенки 21,7 мм построена зависимость критического размера £огиб от ве -личины единичного угла при гибе
(рис. 5). Исключение гофрообразования требует точного замера единичного угла гиба (угла загиба трубы при максимальном подъеме гибочного ложемента за цикл).
ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ТРАНСПОРТИРОВКА ГАЗА И ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА
№ 12 | 761 | 2017 г.
Рис. 6. Смятие трубы-заготовки при некорректной настройке дорна (шестикратное увеличение перемещений)
Рис. 7. Эпюра распределения продольных напряжений в сечении ГОУ 20D 1420 х 21,7 мм К60 ВДС
Рис. 8. Распределение эквивалентных остаточных напряжений в теле ГОУ 20D 1420 х 21,7 мм К60 ВДС
Деформируемость поперечного сечения приводит к высокой степени зависимости качества отводов от вспомогательного оборудования. Некорректная настройка дорна под толщину стенки приводит к наличию локальных изгибов металла стенки трубы-заготовки о края башмака и смятию трубы (рис. 6).
Подобная деформация поперечного сечения приводит к резкому возрастанию пластической деформации металла в локальных участках и при этом трудно диагностируема стандартными методами измерения геометрии отвода.
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ХОЛОДНОИЗОГНУТЫХ ОТВОДОВ С ПОМОЩЬЮ ИХ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА
Распределение эквивалентных напряжений в теле ГОУ неоднородно, и резко выделяются две потенциально опасные зоны. Первая находится на переходах от гнутой части к прямолинейной и присутствует на любых ГО и ГОУ. В данной зоне преобладают продольные напряжения, и их максимум сконцентрирован в зоне так называемой нейтральной линии, где рекомендуется при изготовлении ГО и ГОУ располагать продольный сварной шов трубы-заготовки. На рис. 7 представлена эпюра распределения продольных напряжений по высоте сечения ГОУ 200 1420 х 21,7 мм К60 ВДС. Максимум остаточных напряжений достигает 0,8сТ, где оТ - фактический предел текучести основного металла трубы.
Во второй зоне (прямолинейные участки, в особенности со стороны упорного ложемента) преобладают остаточные кольцевые напряжения (до 0,9аТ), вызванные деформацией прямолинейного участка трубы, огибающего торцы гибочного и упорного ложементов. Это приводит к овализации поперечного сечения.Для уменьшения степени овализации тор-
цов отвода в процессе его изготовления на заводах используют распорки. В результате числен-
ного эксперимента установлено, что для исключения появления кольцевых напряжений в стенке
V
| Зстна
нейтральной линии
Рис. 9. Эквивалентные напряжения при гидравлических испытаниях ГОУ до разрушения и результаты натурных гидравлических испытаний ГОУ
гибах происходит процесс накопления пластической деформации на образующих до уровня, соответствующего радиусу изгиба по формуле:
8пл я
+0,25,
где епл - продольная пластическая деформация; гтр - радиус трубы; Яизг - радиус изгиба.
При достижении необходимого радиуса изгиба и дальнейшем его поддержании происходит распределение пластической деформации вдоль образующей (рис. 10-12).
металла трубы-заготовки на прямолинейных участках распорки должны полностью предотвращать деформацию торцевого сечения, т. е. обладать большой жесткостью и иметь большую зону контакта по образующей. В противном случае возникают максимумы остаточных напряжений на перегибах об упорный ложемент и распорку.
Таким образом, поле остаточных напряжений неравномерно распределено по телу отвода (рис. 8).
Максимумы остаточных напряжений как в кольцевом,так и в продольном направлении сконцентрированы в нейтральной зоне, где при изготовлении ГО и ГОУ располагается продольный сварной шов трубы-заготовки.
Проведение на цифровых двойниках модельных гидравлических испытаний показало, что разрушение отводов должно происходить на прямолинейных участках (рис. 9).
Натурные гидроиспытания ГОУ до разрушения прошли с разрывом основного металла на прямолинейном участке, в зоне нейтральной линии, подтвердив результаты, полученные при моделировании.
Анализ цифрового двойника позволил определить процесс накопления пластической деформации в теле отвода. На первых
Рис. 10. Процесс развития пластической деформации по нижней образующей ГОУ 20D 1420 х 21,7 мм К60 ВДС
Рис. 11. Процесс развития пластической деформации по верхней образующей ГОУ 20D 1420 х 21,7 мм К60 ВДС
Рис. 12. Сравнение результатов остаточной деформации по образующим отвода при численном моделировании и натурном измерении
Таблица 1. Статистика воспроизводимости процесса гибки по остаточным единичным углам
Фактический остаточный единичный угол
Распределение отклонения от целевых остаточных единичных углов при изготовлении ГОУ 200
Заданный угол, град. 0,3
Среднее значение фактического угла при изготовлении отводов, град. 0,3058
Минимальный фактический угол при изготовлении отводов, град. 0,1
Максимальный фактический угол при изготовлении отводов, град. 0,7
Таблица 2. Статистика воспроизводимости процесса гибки по отклонению от целевых остаточных единичных углов
Разница между заданным и фактическим остаточным единичным углом
Распределение отклонения от целевых остаточных единичных углов при изготовлении ГОУ 200
Заданная разница, град. 0,0
Среднее значение фактической разницы углов при изготовлении отводов, град. -0,0027
Минимальное значение разницы углов при изготовлении отводов, град. -0,4
Максимальное значение разницы углов при изготовлении отводов, град. 0,4
Как показывает практика, изготовление отвода даже на заводе -нестабильный процесс (табл. 1 и 2).
Нестабильность процесса гибки приводит к выбросам пласти -ческой деформации вдоль образующей, представленной на рис. 13.
При изготовлении ГОУ 250 уровень пластической деформации при стабильном режиме изготовления еплста6 = 2 %. При реальном (нестабильном) режиме изготовления пластическая деформация достигает 3 %.
Рис. 13. Распределение пластической деформации по верхней образующей ГОУ 250 1420 х 21,7 мм К60 ВДС
Рис. 14. Распределение пластической деформации в кольцевом направлении ГОУ 20D 1420 х 21,7 мм
1420 х 26 мм. Первые гибки. Торец 1420 х 21,6 мм. Последние гибки. 1420 х 21,6 мм. Первые гибки. со стороны упорного ложемента Торец со стороны гибочного Торец со стороны упорного
ложемента ложемента, с распоркой
Рис. 15. Деформация поперечного сечения трубы на прямолинейных участках при изгибе
На рис. 14 представлено распре -деление пластической деформации в кольцевом направлении по телу ГОУ 20D при стабильном процессе изготовления.
Как видно, на прямолинейных участках также присутствует пластическая деформация металла стенки ГОУ, которая проявляется за счет деформации поперечного сечения на опорном и гибочном ложементах, особенно на первых и последних гибах (рис. 15).
Деформация поперечного сечения и его овализация приводят к неоднородности в показаниях остаточного угла, замеренного на верхней и нижней образующих. Установка распорок не гарантирует идентичности результатов замера. Как показали результаты моделирования изготовления отвода, обеспечивающая наибольшую стабильность измерений оптимальная зона замера угла как в процессе гиба, так и остаточного, расположена в срединной плоскости трубы-заготовки. Измерение углов загиба в срединной плоскости позволит обеспечить единство технологических режимов изготовления отводов на разных марках трубогибочных машин.
Для анализа работы отводов совместно с прилегающим трубопроводом проведено численное моделирование участков трубопроводов в идентичных условиях залегания (граничных условиях нагружения моделей) [4]. Участки содержат зону изгиба с различными радиусами (от 40 до 60 м для холодноизогнутых отводов и 5 и 7 м для горячегнутых отво-
дов). Результаты, представленные в работе, демонстрируют значительный рост эксплуатационных напряжений с увеличением угла поворота и уменьшением радиуса изгиба (рис. 16).
При этом следует учитывать, что в отводах горячего гнутья в результате термического процесса, в отличие от холодного гнутья, остаточные напряжения практи-
| 350 '? 340
|32°
£ 310 £
| 300
I 290 -
£ 3 б 9 12 15 18 Угол поворота, градус
Рис.16. Сравнение величин эксплуатационных напряжений для отводов из труб 1420 х 21,7 мм с различным радиусом изгиба при идентичных эксплуатационных нагрузках
чески отсутствуют. Применение отводов холодного гнутья при больших углах и малом радиусе изгиба может привести к потере прочности при эксплуатации.
ВЛИЯНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ИЗГИБЕ ОТВОДА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МОДЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Оценка влияния пластической деформации на остаточные механические свойства проводилась для труб с высокой деформацион -ной способностью класса прочности К60, размером 01420 х 21,7 мм, российского производства [5-7]. При этом были учтены все необходимые технологические особенности серийного производства труб, нагрев до температуры 200220 °С перед нанесением АКП и др. Опытный отвод холодного гнутья изготавливался на трубогибоч-ной машине ГТ-1424 с созданием участков труб с радиусами изгиба
Продольные плоские образцы
♦ ♦ / ♦
□ О--- -
и — -у
i В2 ,5 ,5 5 < 0 5 X 5 2 5
♦
♦ Лот (МО,5), МПа □ Лов, МПа
Остаточная пластическая деформация металла при гибе, %
а) б)
Рис. 17. Изменение механических свойств металла отвода в поперечном направлении на плоских образцах в зависимости от величины пластической деформации в продольном направлении: а) прочностные свойства и аТ(1(0 5)/оВ; б) пластичность (55, 5р)
Поперечные плоские образцы
-2 5 -1 5 1 -0 5 1 0 5 5 2 ♦ 5
Л у
♦ >
/
/ / П
и
♦ Д65,% □ Дбр, %
Остаточная пластическая деформация металла при гибе, %
а) б)
Рис. 18. Изменение механических свойств металла опытного отвода в продольном направлении на плоских образцах в зависимости от величины пластической деформации в продольном направлении: а) прочностные свойства и аТ(1(0 5)/оВ; б) пластичность (55, 5р)
I = 200 , I = 250 и I = 300 . Были
И7 н н
вырезаны и исследованы образцы деформированного металла на
прямых участках, а также в местах изгиба в растянутой и сжатой зонах и в «нейтральной» - напро-тив продольного сварного шва.
Результаты сравнения показали высокую сходимость с данными цифровой модели, по остаточному углу - 97 %, по деформациям -в пределах 95 %. Таким образом, расхождение не превысило 5 %.
По результатам экспериментальных исследований деформированного металла холодногну-тых отводов отмечено следующее.
Металл отвода претерпевает изменение механических свойств деформированного основного металла в меньшей степени в поперечном направлении, прочностные свойства и отношение оТ(1Ю5)/аВ практически не меня-
ются, но снижается пластичность (85 и 5р) (рис. 17). В продольном направлении имеет место ожидаемое существенное изменение предела текучести аТ(1Ю5) и отно -шения аТ(1Ю5)/стВ в разных направлениях для металла растянутой и сжатой зон, а также снижение пластичности (рис. 18). В растянутой зоне наблюдается повышение аДе,5) и от^/ов а в сжатой зоне -наоборот, их снижение. Указанные закономерности характерны для испытаний плоских образцов.
Важно отметить, что пластическая деформация металла при холодном изгибе трубы вызывает соответствующее снижение пластических свойств металла как в продольном,так и в поперечном направлениях. Исследования поведения трубной стали дополнены испытанием пластин металла, вырезанного из трубы,
при продольных пластических деформациях, достигающих 7 %.
Проведенные испытания прочностных и пластических свойств металла (в поперечном и продольном направлениях) при наличии продольной пластической деформации величиной 1,5-7,0 % полностью перекрывают возможный диапазон деформаций металла при изгибе отводов и возможных деформациях трубопроводов в зонах подвижек грунтов активных тектонических разломов мощностью сброса уровня 3 м.
Результаты испытаний металла пластин полностью соотносятся со свойствами деформированного металла отвода. Видно, что с увеличением продольной пластической деформации растяжения пластин и трубы имеет место рост прочностных свойств металла и
отношения От(Яю,5)/ов (т. е. аД,,.,) растет быстрее, чем оВ).
Под воздействием пластической деформации растяжения или сжатия происходит снижение пластичности в поперечном и продольном направлении. При величине пластической деформации «3...4 %, которая может иметь место при изготовлении отводов с уменьшенным R = 20...250н, сни -жение значений 85, 8р достигает 3-4 % относительно исходных свойств трубы.
На цифровой модели полученного отвода холодного гнутья проведено исследование поведения металла под действием внутреннего давления до разрушения, результаты представлены на рис. 9.
При расчетной величине разрушения 19,9 МПа разрушение отвода произошло при давлении 20,1 МПа (рабочее давление 9,8 МПа), что свидетельствует о высокой точности модели и высокой несущей способности отвода (пластически деформированной трубы).
ВЫВОДЫ
По результатам исследований цифрового двойника отвода холодного гнутья больших углов изгиба, подтвержденных натурными исследованиями металла, определено следующее.
Металл трубы, деформируясь в процессе формирования в трубогибочной машине отвода холодного гнутья, претерпева-
ет необратимые пластические деформации величиной до 4 % и более, приводящие к разнонаправленному изменению его механических характеристик в растянутой и сжатой зонах в продольном и кольцевом направлениях, а также на прямых участках в кольцевом направлении. Так, свойства вязкости (85, 8р) изменяются по образующей и направляющей на величину, близкую к величине пластической деформации. Независимо от угла изгиба минимально допустимое (нормативное) значение 8р дефор -мированного металла отвода в обоих направлениях уменьшается на величину фактических пласти -ческих деформаций.
Результаты гидравлических испытаний отводов,изготовленных из отечественных труб для АТР, продемонстрировали их высокую несущую способность и способность обеспечить герметичность после высокого уровня пластических деформаций изгиба (~4 %) при изготовлении отводов холодного гнутья с большим (200) углом гиба, которые также характерны для АТР на МГ «Сила Сибири».
Применение отводов холодного гнутья больших углов изгиба ограничивается высоким ростом остаточных напряжений в металле и продольных эксплуатационных напряжений, приводящих к риску развития КРН и потери прочности.
При определении минимально допустимого радиуса (мак-
симального угла) изгиба отвода главным требованием вязкости деформированного металла является обеспечение равномерного удлинения в объеме 3 % с учетом изменчивости режимов изгиба.
При изготовлении отводов холодного гнутья важнейшей задачей является контроль изменчивости режимов гнутья в трассовых условиях. Отклонения (перегибы) ведут к высоким пластическим деформациям.
Цифровая модель Digital twin отвода холодного гнутья позволяет определить требования к технологическим режимам изготовления и уровень механических свойств, необходимый для обеспечения эксплуатационной надежности.
Выявлена высокая чувствительность качества ГОУ к параметрам технологического процесса изготовления и правильности настройки оборудования. Определены факторы и причины возникновения наиболее частых отклонений в геометрии отводов, а именно гофров и овальности поперечного сечения. ■
АССОЦИАЦИЯ
ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ
ТРУБ
Ассоциация производителей труб
119590, РФ, г. Москва, ул. Улофа Пальме, д. 1 Тел./факс: +7 (499) 147-13-57 E-mail: [email protected]
ЛИТЕРАТУРА
1. Самир Хер. Численное моделирование - основа технологии цифровых двойников // CADFEM REVIEW. 2017. № 4. С. 8-11.
2. Шабалов И.П., Великоднев В.Я., Каленский В.С. Предельные состояния отводов холодного гнутья из труб с высокой деформационной способностью // Сб. докладов VI Междунар. науч.-технич. конф. «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (GTS-2015). М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2015. С. 140.
3. Шабалов И.П., Великоднев В.Я., Котова И.С., Каленский В.С. Применение математического моделирования изготовления отводов холодного гнутья // Труды XXIII Междунар. науч.-техн. конф. «Машиностроение и техносфера XXI века» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http:// konf-sev.donntu.org/sbornik/Pdf_2_16/172-175.pdf (дата обращения: 14.12.2017).
4. Великоднев В.Я., Унесихин Р.В. Расчетный анализ деформационного состояния отводов холодного гнутья в трубопроводе в процессе эксплуатации // Сб. докладов VI Междунар. науч.-технич. конф. «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (GTS-2015) [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://vesti-gas.ru/sites/default/files/attachments/gts-2015_ru.pdf (дата обращения: 10.12.2017).
5. Шабалов И.П., Великоднев В.Я., Настич С.Ю. и др. Расчетное и металловедческое обоснование высокой надежности отводов холодного гнутья с увеличенным углом изгиба, получаемых из труб с повышенной деформационной способностью (для зон АТР) // Сб. докладов VI Междунар. науч.-технич. конф. «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (GTS-2015) [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://vesti-gas.ru/ sites/default/files/attachments/gts-2015_ru.pdf (дата обращения: 10.12.2017).
6. Шабалов И.П., Настич С.Ю., Великоднев В.Я. и др. Влияние нагрева и деформации на свойства металла высокодеформируемых труб при изготовлении холодногнутых отводов // Металлург. 2016. № 10. С. 63-71.
7. Шабалов И.П., Настич С.Ю., Великоднев В.Я. и др. Изменение свойств трубной стали с двухфазной структурой при низкотемпературном нагреве и последующей пластической деформации // Металлург. 2017. № 8. С. 75-82.
