CC BY
74
Шинкин В.Н. ®
Профессор, доктор физ.-мат. наук, кафедра физики,
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КРОМКОГИБОЧНОГО ПРЕССА
ФИРМЫ SMS MEER
Аннотация
Рассмотрен процесс подгибки кромок широкого стального листа на кромкогибочном прессе (КГП) фирмы SMS Meer при производстве сварных толстостенных одношовных прямошовных стальных труб большого диаметра по схеме JCOE для магистральных газонефтепроводов. При расчетах используется модель упругопластической деформации стали.
Ключевые слова: стальные трубы большого диаметра, кромкогибочный пресс,
упругопластическая среда.
Keywords: steel major-diameter pipes, flanging press, elastoplastic medium.
Для обеспечения высоких требований к эксплуатации магистральных газонефтепроводов на рынке производства сварных труб большого диаметра утвердился процесс формовки трубной заготовки по схеме JTOE, разработанный фирмой SMS Meer [1-17]. Процесс включает на первой стадии подгибку кромок листовой заготовки на кромкогибочном прессе пошаговым способом одновременно с двух сторон [1-2, 4-8]. Формовка основной части профиля листовой заготовки осуществляется на трубоформовочном прессе (ТФП) пошаговым способом гибки участков заготовки от подогнутых кромок к середине заготовки одновременно по всей длине заготовки и обеспечивает получение трубных заготовок незамкнутого О-профиля [1-3, 9-14]. 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 технологической операции SMS Meer - экспандирования [1, 2, 10, 11, 15, 16]. Потом следуют процессы гидроиспытания трубы [1, 2, 16] и нанесения изоляции на поверхности трубы.
Рис. 1. Подгибка кромок стальной заготовки на КГП SMS Meer
@ Шинкин В.Н., 2015 г.
Производство сварных прямошовных одношовных труб по схеме JCOE для магистральных газопроводов диаметром >1220 мм осуществляется в России на ОАО «Выксунский металлургический завод» (ОАО «ВМЗ»), ЗАО «Ижорский трубный завод» (ЗАО «ИжТЗ») и ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» (ОАО «ЧТПЗ»), а также на зарубежных трубных заводах Г ермании, Китая и Индии.
Дефект образования гофра продольной кромки трубной заготовки на кромкогибочном прессе SMS Meer изучался в работах [1, 2, 5, 9], вредное влияние остаточных напряжений металла после ТФП SMS Meer на процесс экспандирования трубы - в [1, 2, 15], дефект «точка перегиба» при изгибе трубной заготовки на ТФП SMS Meer - в [1, 2, 17], дефект несплавления сварного продольного шва при сборке трубы - в [1, 2, 18], дефект трубы раскатной пригар с риской - в [1, 2, 19], процессы правки стального листа на многороликовых листоправильных машинах SMS Siemag и Fagor Arrasate для производства труб - в [20-23]. Процессы прокатки стального листа для производства труб изучались в работах [24-28], энергосиловые параметры при формовке листовых заготовок - в [1-3, 12, 13, 29-37].
Рис. 2. Эвольвента и система координат для расчета рабочего профиля матрицы КГП SMS
Meer
Введем прямоугольную систему координат Oxy, начало которой расположено в точке контакта листовой заготовки с матрицей (рис. 1). Пусть Н и l - высота подъема и «длина» кромки деформируемой части заготовки при формовке, Н1 и l1 - после формовки (распружинивания).
Контактный профиль матрицы задан в кромкогибочном прессе SMS Meer с помощью
уравнения эвольвенты окружности (рис. 2):
... . , . da(b)
b(j) = r cos j + rj sin j, a( j) = r sin j- rj cos j, -= tg j,
db
где ф - «угол» эвольвенты, r = const.
Длина дуги и радиус кривизны эвольвенты равны £(ф) = гф2/2 и рэв(ф) = гф.
Обозначим через ф0 - угол, соответствующий началу эвольвентной поверхности матрицы, а через фк - угол, соответствующий концу этой поверхности. Тогда зависимость реальных координат х(ф) и у(ф) эвольвентной поверхности матрицы (верхней поверхности нераспружиненной заготовки) от координат а(ф) и Ь(ф) имеет вид
b0 = r COs jo + r jo sin jo, a0 = r sin jo - r jo COs jo , Рэв (j) = rj, x(j) = -(a(j) - ao ) sin jo - (b( j) - bo ) Cos jo , x(jk ) = l,
У (j) = (a( j) - a0) cos j - (b( j) - b0) sin j, y(jk) = H.
Введем угол наклона профиля поверхности матрицы к горизонтали a( j) = jo — j, a(jk) = OLk- Тогда dy( j)/dx( j) = tg a(j).
В табл. 1 приведены результаты расчета параметров эвольвентной поверхности матрицы при подгибке кромки стальной листовой заготовки для трубы диаметром D = 1420 мм (г = 561,0 мм, фо = 88°, jk = 43°).
Таблица 1
Расчет профиля поверхности матрицы КГП SMS Меег
X, MM 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 462,03
у, MM 0 1,47 5,98 13,71 24,94 40,02 59,49 84,17 115,39 155,67 167,24
p, MM 861,6 828,4 793,7 757,1 718,1 676,1 629,9 578,1 517,8 442,7 421,0
S, мм 0 50,0 100,2 150,8 202,1 254,3 308,0 363,8 422,8 487,0 503,7
ak, град 0 3,39 6,94 10,68 14,66 18,95 23,66 28,95 35,12 42,79 45,00
Радиус кривизны нейтральной плоскости стальной заготовки при формовке на КГП
*
равен р = rj + h/2. Сопротивление деформации стали От = ДкгпОт, где От - предел текучести стали, Дкгп = const » 1 - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость деформации заготовки. Отметим, что скорость вертикального перемещения пунсона на КГП может достигать 22 мм/с вверх и 50 мм/с вниз.
После деформации на КГП кромки стальной листовой заготовки распружиниваются. Для описания механических свойств металла будем использовать модель упругопластической среды с линейным упрочнением. Тогда остаточный радиус кривизны нейтральной плоскости заготовки после распружинивания р0 и коэффициент пружинения заготовки в равны
р0 = М р, м =
( пр + пс У
1 —*—
2E
.*Л
1 2 Р°т 1 +Р°т
l hE I l hE I
где h и р — толщина и радиус кривизны нейтральной плоскости стальной листовой заготовки;
*
E -модуль Юнга; Пр и Пс - модули упрочнения при растяжении и сжатии; От — сопротивление деформации стали.
Если ф > hE/[2(r + h/2^ ] = фупр , то следует положить р0 = го (случай полного упругого распружинивания участка листовой заготовки до плоского состояния). Так как на КГП SMS Meer j < фупр, то при формовке наблюдается только пластическая деформация заготовки.
Подгибка кромок листовой заготовки происходит одновременно и симметрично относительно центральной продольной оси листа, а величина ф0 всегда задана. Пусть ДТкш -длина подгибаемой кромки по эвольвенте с одной стороны заготовки. Тогда
h
+
jk
h Y J 2 h - I + 4 I j0 + — j0 - 2---
г I \ г г
2
j - 2
DL.
h
— << 1. г
2 V г
Получить точное значение профиля нейтральной плоскости заготовки (хр, ув), Н\ и l\ после распружинивания стальной листовой заготовки можно с помощью численной
многорадиусной схемы расчета Шинкина для кромкогибочного пресса (рис. 3):
(j0 j)] , P0J =p0(j),
j = 1kN (N = 1000), j, =j
1
2
г
rj.2 + hj. rj 2 + hj
AS0 = 0, AS. =-^---------^------r
0 j 2 2
j+i
AS.
Уо = 0, A¥j =—, У. =AVo + ••• AV,-
r
0j
УД = 0, yPj = У. + P0/-1 (cosy.-! - cosy.), yfiN + h (cosyN -1 ) = H 1,
2
.Д, = 0 Д= Д +po/-i(-nyj - sin y/-i), хД - fsiny,v = h
Рис. 3. Многорадиусная схема расчета профиля нейтральной плоскости заготовки после
распружинивания
Для трубы диаметром D = 1420 мм результаты расчета высоты кромки стальной заготовки (г = 561,0 мм, ф0 = 88°, E = 21011 МПа) после распружинивания приведены в табл. 2.
Высота кромки заготовки после распружинивания
Таблица 2
Марка От, К АЬКГП, Н\ + /г, мм
стали Н/мм2 мм мм Нормативная Расчетная
14ХГС 350 25 430 120±5 120,03
16Г2САФ 420 24 442 120±5 119,93
16Г2САФ 460 23 450 120±5 119,27
Литература
1. Шинкин В.Н. Механика сплошных сред для металлургов. - М: Изд. Дом МИСиС, 2014. - 628 с.
2. Шинкин В.Н. Сопротивление материалов для металлургов. - М: Изд. Дом МИСиС, 2013. - 655 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. Гофр продольной кромки листа при его формовке на кромкогибочном прессе // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. 2009. Вып. 6. С. 171-174.
5. 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.
6. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Упругопластическое изменение металла на кромкогибочном прессе при формовке труб большого диаметра // Сталь. 2011. № 6. С. 53-56.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Моделирование процесса формовки заготовки для труб большого диаметра // Сталь. 2011. № 1. С. 54-58.
13. 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.
14. 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.
15. 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.
16. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Моделирование процессов экспандирования и гидроиспытания труб большого диаметра для магистральных трубопроводов // Производство проката. 2011. № 10. С. 12-19.
17. 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.
18. 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.
19. Шинкин В.Н., Мокроусов В.И. Критерий разрыва труб газонефтепроводов при дефекте «раскатной пригар с риской» // Производство проката. 2012. № 12. С. 19-24.
20. Шинкин В.Н., Федотов О.В. Расчет технологических параметров правки горячекатаной рулонной полосы на пятироликовой машине линии Fagor Arrasate // Производство проката. 2013. № 9. С. 43-48.
21. 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.
22. 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.
23. Шинкин В.Н. Математическая модель правки тонкого стального листа на пятнадцатироликовой листоправильной машине линии поперечной резки фирмы Fagor Arrasate // Производство проката. 2015. № 1. С. 42-20.
24. Бельский С.М., Третьяков В.А., Барышев В.В., Кудинов С.В. Исследование процесса
формирования ширины сляба в черновой группе широкополосного стана // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 1998. № 1. С. 24-29.
25. 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.
26. 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.
27. 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.
28. Бельский С.М. О некоторых эффектах применения осевой сдвижки рабочих валков // Производство проката. 2008. № 7. С. 21-24.
29. Бровман Т.В. Определение усилий при вдавливании цилиндрического пуансона в заготовку // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 1997. № 1. С. 44-47.
30. Бровман Т.В. Определение усилий при листовой штамповке // Вестник машиностроения. 2004. № 3. С. 60-61.
31. Бровман Т.В. Энергосиловые параметры при деформации листовых заготовок» // Производство проката. 2012. № 6. С. 27-32.
32. Бровман Т.В., Васильев М.Г. Модель численных расчетов искусственной анизотропии при деформации тонколистового материала // Вестник Тверского государственного университета. Серия: Прикладная математика. 2014. № 2. С. 25-32.
33. Бровман Т.В., Кутузов А. А. О выборе режимов изгиба при вальцовке заготовок // Производство проката. 2014. №12. С. 29-32.
34. Бровман Т.В., Кутузов А.А. Определение усилий подгибки в штампах кромок стальных кольцевых заготовок // Производство проката. 2015. №2. С. 18-23.
35. Бровман М.Я. Применение теории пластичности в прокатке. - М.: Металлургия, 1991. - 256 с.
36. Бровман М.Я. Непрерывная разливка металлов. - М.: Экомет, 2007. - 462 с.
37. Бровман М.Я. О деформации ползучести при продольном изгибе балок // Механика твердого тела. 2014. №4. С. 121-129.
