Применение труб с высокой деформационной способностью при изготовлении методом холодного изгиба криволинейных отводов с большим углом Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ПРИМЕНЕНИЕ ТРУБ С ВЫСОКОЙ ДЕФОРМАЦИОННОМ СПОСОБНОСТЬЮ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ МЕТОДОМ ХОЛОДНОГО ИЗГИБА КРИВОЛИНЕЙНЫХ ОТВОДОВ С БОЛЬШИМ УГЛОМ

УДК 621.643.053

Н. Судзуки, JFE Steel Corporation (Токио, Япония) Т. Аракава, JFE Steel Corporation Т. Ямаура, JFE Steel Corporation С. Какихара, JFE Steel Corporation Р. Мураока, JFE Steel Corporation

Авторы статьи анализируют опыт применения труб с высокой деформационной способностью серии HIPER (продукция японской промышленной группы JFE Steel Corporation) для производства криволинейных отводов трубопроводов методом холодного изгиба (холодного гнутья). В экспериментальных испытаниях были использованы трубы HIPER класса прочности Х65 диаметром 610 мм и длиной 12 м и стандартные трубы с соответствующими параметрами. Результаты испытаний показали, что из труб HIPER за счет их высокой деформационной способности можно получить криволинейное изделие с углом холодного изгиба большим, чем у стандартных труб. В ходе испытаний также были изучены процессы формирования отводов и получены различные профили поверхности. Отмечено, что трубы HIPER диаметром 610 мм в процессе опытных испытаний показали высокую пригодность к изгибу без явных локальных деформаций, таких как гофрирование. Поведение труб HIPER Х70 диаметром 1420 мм при холодном гнутье изучалось с помощью метода конечных элементов. Экономическая эффективность рассчитывалась на основе гипотетического маршрута трубопровода.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ТРУБА С ВЫСОКОЙ ДЕФОРМАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТЬЮ, МАГИСТРАЛЬНЫЙ ТРУБОПРОВОД, ОТВОД, МЕТОД ХОЛОДНОГО ИЗГИБА, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.

Трубы HIPER с высокой деформационной способностью при сжатии или изгибе используются во всем мире для обеспечения целостности трубопроводов в сложных условиях: в сейсмических зонах, зонах разломов, на обводненных почвах, неустойчивых склонах, в горных районах и районах с низкими температурами.

Высокая деформационная способность труб HIPER также послужила основанием для их использования при изготовлении криволинейных отводов методом холодного гнутья, в результате чего был достигнут больший угол изгиба, чем при использовании стандартных труб. Холодное гнутье на угол 12 град. выполнялось с использованием труб HIPER Х65 0 610 мм

и длиной 12 м. В процессе изготовления отводов способом холодного гнутья была отмечена хорошая обрабатываемость труб HIPER и не было выявлено повреждающих локальных деформаций, таких как смятие корпуса трубы на изгибах.

В отличие от труб Х65 0 610 мм напряженно-деформированное состояние труб HIPER Х70 0 1420 мм при холодном гнутье исследовалось с помощью математического моделирования. Модель напряженно-деформированного состояния трубы при холодном изгибе была разработана на основе сравнения результатов, полученных при помощи анализа методом конечных элементов, и данных измерений, полученных при холодном гнутье трубы HIPER X65 0 610 мм. Поведе-

ние труб HIPER 0 1420 мм при холодной гибке исследовалось посредством анализа методом конечных элементов. Результаты показали, что трубы HIPER 0 1420 мм могут применяться для изготовления отводов холодного гнутья с большим углом изгиба. Экономическая эффективность была рассчитана на примере гипотетического маршрута трубопровода и позволила сделать вывод, что за счет увеличения общего угла сгиба число операций холодного гнутья может быть сокращено, что приведет к снижению общих затрат на строительство и транспортировку.

СВОЙСТВА ПРИ РАСТЯЖЕНИИ

Сравнительная характеристика свойств при растяжении труб HIPER

HIPER

Стандартная труба

« нэп ряжение -|Эция», полученная ких образцах

£ = 1.0% 2.0Щ

Деформация

сг.

'.О

'1.0

Коэффициент упрочнения

Рис. 1. Свойства при растяжении трубы HIPER и стандартной трубы

Деформационная способность

Деформация изгиба Продольная сжимающая деформация

Рис. 2. Сравнение деформационной способности при гибке труб HIPER и стандартных труб

и стандартных труб в общем виде представлена на рис. 1. Для труб HIPER с высокой деформационной способностью характерна пологая кривая «напряжение - деформация», которая выражена с помощью коэффициента упрочнения о20/о10. Кривая «напряжение - деформация» стандартной трубы имеет площадку текучести.

ДЕФОРМАЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ПРИ ИЗГИБЕ

Сравнение деформационной способности при изгибе труб HIPER и стандартных труб представлено на рис. 2. Деформационная способность при гибке труб HIPER выше, чем стандартных труб, что подтверждается формой кривой «напряжение - деформация».

1

Рис. 3. Выполнение холодной гибки трубы HIPER 0 610 мм

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТВОДОВ СПОСОБОМ ХОЛОДНОГО ГНУТЬЯ ИЗ ТРУБ HIPER 0 610 ММ

На рис. 3 представлены трубо-гибочный станок и труба HIPER 0 610 мм (24 дюйма), подготовленная к выполнению гибки. На рис. 4 слева показан процесс холодного гнутья трубы HIPER

с общим углом изгиба 12 град., а справа - внутренняя поверхность трубы, причем вид внутренней поверхности подтверждает отсутствие повреждающих локальных деформаций. На одной из труб HIPER были закреплены тензодатчики (рис. 5), образовавшие линию на поверхности корпуса трубы, где было снято антикоррозийное покрытие. Во время процесса гнутья тензодатчики измеряли фактические продольныедеформации по телу трубы для последующего их сравнения с данными, полученными моделированием методом конечных элементов.

АНАЛИЗ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (FEA)

На рис. 6 представлена конечно-элементная модель, где трубо-гиб состоит из матрицы, жесткой

Рис. 4. Выполнение холодной гибки трубы HIPER 0 610 мм с общим углом гибки 12 град. и вид трубы изнутри после гнутья

Рис. 5. Тензодатчики, прикрепленные к трубе HIPER 0 610 мм

Рис. 6. Конечно-элементная модель для машины холодной гибки и трубы

задней части, прикрепляемого полоза и сердечника.Труба HIPER моделируется по четырехточеч-

Рис. 7. Моделирование растяжения труб HIPER и стандартных труб

ным элементам корпуса. Кривая «напряжение - деформация» трубы HIPER Х65, представлен-

ная на рис. 7, была использована при анализе методом конечных элементов. Продольные деформации, измеренные тензодатчиками и рассчитанные методом конечных элементов, сопоставлены на рис. 8, где распределение продольной деформации было получено при максимальной нагрузке и на этапах разгрузки с углами гиба в 2,7 и 1 град., соответственно. Рисунок показывает, что результаты расчетов, выполненных методом конечных элементов, полностью соответствуют данным замеров в областях сжатия и растяжения.

Прочностные характеристики стандартных труб использовались для расчета распределения продольной деформации при пиковой нагрузке и на этапах разгрузки с углами изгиба 2,7 и 1 град., соответственно, как показано на рис. 9. При сравнении двух диаграмм на рис. 9 очевидно, что значения деформации стандартных труб, как правило, больше аналогичных значений для труб HIPER. На кривой распределения продольной деформации при сжатии стандартной трубы наблюдаются колебания, означающие появление гофра.

На рис. 10 сравниваются кривые распределения продольной деформации труб HIPER и стандартных труб на этапе пиковой нагрузки. Максимальные значения деформации при сжатии у труб HIPER и стандартных труб составляют -1,562 и -2,226 %, соответственно. Следовательно, деформация при сжатии у стандартной трубы, как

Серия Х65 Трубопроводная труба с высокой деформационной способностью

Серия Х65 Стандартная трубопроводная труба

0 ^ 1 2 3 4 5 6 1 8 Деформация е %

Рис. 8. Сравнение данных замеров и результатов анализа методом конечных элементов для труб HIPER

Рис. 9. Распределение продольной деформации по стандартной трубе и трубе HIPER

Рис. 10. Распределение продольной деформации по трубе HIPER и стандартной трубе

Рис. 11. Измерение поверхностных характеристик при выполнении холодной гибки трубы 0 610 мм с помощью лазерного датчика

правило, выше, чем у труб HIPER. Кроме того, области накопления деформаций у стандартной трубы явно больше, чем у труб HIPER.

ПРОФИЛЬ ОТВОДОВ ХОЛОДНОГО ИЗГИБА

Профиль поверхности отвода измерялся с помощью лазерного датчика, показанного в левой верхней части рис. 11. Отклонения между полученным профилем и идеальной окружностью вдоль внутренней и внешней поверхностей были рассчитаны, как показано на рис. 11, на котором видно, что абсолютные значения отклонений составляют менее 1,0 мм.

СРАВНЕНИЕ ХОЛОДНОГО ИЗГИБА ТРУБ HIPER Х70 И СТАНДАРТНЫХ ТРУБ

Для моделирования деформаций труб HIPER Х70 0 1420 мм во время холодной гибки был проведен серийный анализ методом конечных элементов. Распределение продольной деформации по стандартной трубе и трубе HIPER отражено на рис. 12. Данные показывают состояние при пиковой нагрузке и на этапах разгрузки, а общий угол изгиба составляет 0,5 и 0,8 град.

Как показано на рис. 12, область распределения продольной деформации по стандартной трубе больше, чем на трубах HIPER, при

-300 о 300 боо воо

Расстояние от центра упора, мм

1200

Максимум 0.8 град

4 ' V' „ нагрузки

.ъж-у ¿г V -гилтН _________

Без н 1грузки

-300 О ЭОО 600 900

Расстояние от центра упора, мм

1200

Я

I -1

а.

I 0

ее

Ё 1

Максимум 0.5 град

нагрузки

——

- I ■ 1 -""Т-

ч Без н агрузки

-300 О 300 600 ЭОО 1300

Расстояние от центра упора, мм

Максимум 0.8 град

нагрузки

— -—. —------

-.......-

Без н Без н грузки

-300 0 300 600 800 1 200

Расстояние от центра упора, мм

Рис. 12. Распределение продольной деформации по телу стандартной трубы (а) и трубы HIPER (б)

Рис. 13. Распределение продольной деформации по телу стандартной трубы и трубы HIPER

общем угле изгиба 0,5 и 0,8 град. Максимальная продольная деформация при сжатии для стандартных труб на этапе пиковой нагрузки с общим углом изгиба 0,5 град. более чем в 2 раза превышает показатели труб HIPER. Почти та же тенденция прослеживается по отношению к максимальной про-

дольной деформации при сжатии для стандартной трубы на этапе пиковой нагрузки с общим углом изгиба 0,8 град.

Распределение продольной деформации по телу труб серии Х70 0 1420 мм для стандартных труб и труб HIPER представлено на рис. 13. Продольная деформация при

сжатии у стандартных труб имеет тенденцию к распространению на более обширной площади, чем у труб HIPER.

ГИПОТЕТИЧЕСКИЙ ТРУБОПРОВОД

Для оценки экономической эффективности холодного изгиба труб HIPER производились расчеты по маршруту трубопровода, приведенному на рис. 14. Этот гипотетический трубопровод соответствует основной магистрали, пролегающей вблизи аэропорта «Советский» и через центр г. Югорска. Гипотетический трубопровод находится в зоне 0 100 км, как показано на рис. 14. Всего в гипотетическом трубопроводе имеются 750 точек смены направления в горизонтальной плоскости, и при его строительстве требуется от 1500 до 1800 операций холодного гнутья.

На рис. 15 представлены графики уменьшения объема работ по холодному изгибу труб 0 1420 мм с большим углом гиба. Рис. 15а показывает объем работ по холодному гнутью, предполагающий максимальный общий угол изгиба труб HIPER 0 1420 мм и длиной

а)

б)

Гипотетический маршрут для рассмотрения эффективности применения труб HI PER для изготовления кривых f

Assumptions to discuss the / Effectiveness of HI PER application to bends

100 км в диаметре

\ 100km in diameter

Yugorsk /Югоргж^ "

¡¿¿a

SovetskyAirpirt /

Аэропорт Советский

•- 'На длине в 100 км гззопровЪда^южет исги^тбзоваться от 1500 до 1800 шт. кривых. • Общая длина 1800 шт. кривых составит;-1800* 11.6 м=20 км. Google earth

Рис. 14. Маршрут прокладки гипотетического трубопровода, рассчитанного для определения экономической эффективности холодного гнутья труб 0 1420 мм для изготовления отводов с большим углом гиба

11,6 м. К примеру, требуется четыре раза выполнить холодное гнутье, если предполагается, что максимальный общий угол изгиба трубы равен 4 град. В то же время, если максимальный угол изгиба трубы будет составлять 8 град., процедуру холодного гнутья потребуется выполнить всего два раза.

На рис. 15в показан объем работ по холодному гнутью при условии максимального общего угла изгиба трубы длиной 11,6 м. Из

рисунка видно, что объем работ по холодному гнутью, как правило, уменьшается с увеличением общего угла изгиба трубы. Если нужно выполнить холодное гнутье трубы 0 1420 мм с общим углом изгиба 4 град., то для строительства потребуется в общей сложности выполнить процедуру гнутья 1670 раз. Однако если нужно выполнить холодное гнутье трубы 0 1420 мм с общим углом изгиба 6 град. с использованием

а)

ОУИ 11.6 м трубы (град)

_4,у i,7,6_

ш

1 г 3 4 i * 7 в i V 1111 1} 14 It

Общий угол изгиба в точке (ОУИ ) (град)

7SO

Ihn.

1»,0 5Ü т>.о - "О

Ъ ш 60-0 1

о. о

о <№'°

s ¿0.0

з- 0.0

1 1 3 t 5 Б 7 S S ID 11 11 Ii H IS

Угол изгиба в точке (град)

Общий угол изгиба трубы (град]

Рис. 15. Уменьшение объема работ по холодному гнутью труб 0 1420 мм с большим углом изгиба

труб HIPER, то процедуру гнутья нужно будет выполнить 1130 раз. Следовательно, использование труб HIPER позволяет снизить затраты на строительство.

По результатам исследований можно сделать следующие выводы.

1. Трубы с высокой деформационной способностью HIPER эффективны при изготовлении отводов холодного гнутья с большим общим углом изгиба без возникновения повреждающих локальных деформаций, таких как гофрирование.

2. Конечно-элементная модель состояния труб при холодном гнутье была создана на основе полученных данных при испытаниях труб 0 610 мм и может быть применена к трубам большего диаметра.

3. Холодное гнутье труб с большим общим углом изгиба способствует уменьшению объема работ, а следовательно, и снижению затрат на строительство трубопроводов.

Авторы выражают признательность компании Marubeni Itochu Steel Corporation за советы и помощь в продвижении данной исследовательской программы, а также компании JFE Steel Corporation за разрешение на публикацию этой статьи. ■

в)