CC BY
45
Шинкин В.Н. ©
Профессор, доктор физ.-мат. наук, кафедра физики,
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
РАСЧЕТ УСИЛИЙ ТРУБОФОРМОВОЧНОГО ПРЕССА SMS MEER ПРИ ИЗГИБЕ ПЛОСКОЙ ТОЛСТОЙ СТАЛЬНОЙ ЗАГОТОВКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТРУБ
БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
Аннотация
Получен аналитический метод расчета главных технологических параметров гибки толстолистовой заготовки на трубоформовочном прессе SMS Meer: максимального усилия пуансона пресса при формовке, размера и формы контактной зоны пуансона и заготовки. Результаты исследований могут быть применены при производстве стальных труб большого диаметра для магистральных газонефтепроводов.
Ключевые слова: стальная труба большого диаметра, стальная листовая заготовка,
трубоформовочный пресс.
Keywords: steel major-diameter pipe, steel blank, O-forming press.
Производство труб большого диаметра. Современные магистральные трубопроводы являются высоконагруженными электросварными конструкциями, работающими в экстремальных условиях под действием высокого внутреннего давления и внешних неблагоприятных условий: низких температур окружающей среды и стресскоррозии, развивающейся при взаимодействии механических и электрохимических факторов. Ценовые показатели трубопроводов определяются использованием труб из высокопрочных сталей и минимальной металлоемкостью.
Сварные трубы для магистральных трубопроводов изготовляют прямошовными и спиральношовными, с диаметром 529...1420 мм и толщиной стенки 10...48 мм. Основным сортаментом, принятым «Г азпромом» в качестве базового для строительства магистральных газопроводов Северный и Южный поток, Ямал - Центр, Сахалин-1, Сахалин-2 и нефтепровода «Восточная Сибирь - Тихий океан», являются сварные одношовные прямошовные трубы диаметром до 1420 мм.
В проектах «Г азпрома» и «Транснефти» предусматривается применение труб из стали класса прочности Х70...Х100 с диаметром 1220 и 1420 мм, толщиной стенки до 48 мм, длиной до 18 м, рабочим давлением до 250 атмосфер (24,7 МПа), трехслойным наружным изоляционным антикоррозионным покрытием и внутренним гладкостенным покрытием для прокладки сухопутных и подводных морских участков трубопроводов.
На рынке производства стальных сварных труб большого диаметра для магистральных газонефтепроводов утвердился процесс формовки трубной заготовки по схеме 1СОБ, разработанный фирмой SMS Meer [1-21].
За рубежом основными производителями прямошовных одношовных труб по схеме ■ГСОБ для магистральных газопроводов диаметром > 1220 мм являются Германия, Италия, Китай и Япония. В России прямошовные одношовные трубы для магистральных газопроводов диаметром > 1220 мм выпускаются на Выксунском, Ижорском и Челябинском заводах.
Формовка стальной заготовки на трубоформовочном прессе (ТФП). Пусть Н -глубина прогиба (обжатие) листовой заготовки; Нтах - максимальная глубина прогиба (обжатие) листовой заготовки до касания матрицы пуансоном; гп - радиус пуансона; гм -радиус бойка (матрицы); Ршф - усилие пуансона при пошаговой формовке; R - реакция
© Шинкин В.Н., 2015 г.
опоры листовой заготовки и матрицы; а - угол контакта листовой заготовки с матрицей; ф -угол левой и правой зон контакта пуансона и листовой заготовки; L - расстояние между бойками; m — коэффициент трения скольжения стали; h и b - толщина и длина листовой заготовки; свойства заготовки: от - предел текучести; Е - модуль Юнга; Пр и Пс - модули упрочнения при растяжении и сжатии; р = гп + h/2 и М - радиус кривизны нейтральной плоскости и изгибающий момент листовой заготовки в контактной зоне пуансона и заготовки.
Далее при расчетах формовки стальной заготовки рассматривается реологическая модель упругопластической среды с линейным упрочнением (рис. 1).
Рис. 1. Реологическая модель линейной упругопластической среды
Изгибающий момент в контактной зоне пуансона и заготовки равен
I ,2 (т-г , тг /■ \2
M (р) = bh
л г”- 1 24р
4 3 I Eh
Eh
1 + ^тР
Eh
Будем считать, что при формовке листовой заготовки узкий зазор между пуансоном и бойками заготовки остается плоским (рис. 2).
Тогда
( \
a = j = arcsin
r + r
п м
vV (гп + Гм - H )2 +(L/2 + Гм )2
■arctg
f r + r - H ^
пм
V L/2 + гм j
Длина контактной зоны между пуансоном и пластиной равна 1к = 2rj, а реакция опоры между пластиной и матрицей равна
M cosa
R
L /2 + гм - (гп + гм ) sin a
м V п м /
Усилие пуансона трубоформовочного пресса SMS Meer при изгибе плоской толстой стальной листовой заготовки равно
шф
2M cos a (cos a + m sin a) L /2 + гм - (r + гм) sin a
м V п м /
Максимальная глубина прогиба пластины равна
Hmax = Гп + Гм ->/Г
+ r
п м
)2 -(L/2 + Гм)2
L £ 2Гп •
Если L > 2гп , то Hmax = да.
Дефект образования гофра продольной кромки трубной заготовки на КГП SMS Meer изучался в работах [1, 2, 5, 6], вредное влияние остаточных напряжений металла после ТФП SMS Meer на процесс экспандирования трубы - в [1, 2, 16], дефект «точка перегиба» при изгибе трубной заготовки на ТФП SMS Meer - в [1, 2, 18, 19], дефект несплавления сварного продольного шва при сборке трубы - в [1, 2, 20], дефект трубы «раскатной пригар с риской» - в [1, 2, 21], процессы правки стального листа на многороликовых листоправильных машинах SMS Siemag и Fagor Arrasate для производства труб - в [22-25]. Процессы прокатки стального листа для производства труб изучались в работах [26-32], энергосиловые параметры при формовке листовых заготовок - в [1-4, 33-42].
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. Теоретическая механика для металлургов. - М: Изд. Дом МИСиС, 2012. - 679 с.
4. Шинкин В.Н. Сопротивление материалов. Простые и сложные виды деформаций в металлургии. - М: Изд. Дом МИСиС, 2008. - 307 с.
5. Шинкин В.Н. Гофр продольной кромки листа при его формовке на кромкогибочном прессе // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. 2009. Вып. 6. С. 171-174.
6. 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.
7. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Упругопластическое изменение металла на кромкогибочном прессе при формовке труб большого диаметра // Сталь. 2011. № 6. С. 53-56.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Моделирование процесса формовки заготовки для труб большого диаметра // Сталь. 2011. № 1. С. 54-58.
14. 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.
15. 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.
16. 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.
17. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Моделирование процессов экспандирования и гидроиспытания труб большого диаметра для магистральных трубопроводов // Производство проката. 2011. № 10. С. 12-19.
18. 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.
19. Шинкин В.Н. Гибка стального листа на трубоформовочном прессе при производстве труб большого диаметра // Сталь. 2015. № 4. С. 38-42.
20. 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.
21. Шинкин В.Н., Мокроусов В.И. Критерий разрыва труб газонефтепроводов при дефекте «раскатной пригар с риской» // Производство проката. 2012. № 12. С. 19-24.
22. 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.
23. 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.
24. 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.
25. 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.
26. 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.
27. 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.
28. 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.
29. 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.
30. Бельский С.М. О некоторых эффектах применения осевой сдвижки рабочих валков // Производство проката. 2008. № 7. С. 21-24.
31. Бельский С.М., Коцарь С.Л., Поляков Б.А. Расчет распределения усилия прокатки по ширине полосы и остаточных напряжений в полосе вариационным методом // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 1990. № 10. С. 32.
32. Бельский С.М., Поляков Б.А., Третьяков В.А. Управление противоизгибом в клетях с осевой сдвижкой рабочих валков // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 1992. № 6. С. 15.
33. Бровман Т.В. Определение усилий при вдавливании цилиндрического пуансона в заготовку // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 1997. № 1. С. 44-47.
34. Бровман Т.В. Определение усилий при листовой штамповке // Вестник машиностроения. 2004. № 3. С. 60-61.
35. Бровман Т.В. Энергосиловые параметры при деформации листовых заготовок // Производство проката. 2012. №6. С. 27-32.
36. 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.
37. Бровман Т.В., Кутузов А.А. О выборе режимов изгиба при вальцовке заготовок // Производство проката. 2014. №12. С. 29-32.
38. Бровман Т.В., Кутузов А.А. Определение усилий подгибки в штампах кромок стальных кольцевых заготовок // Производство проката. 2015. №2. С. 18-23.
39. Бровман М.Я. Применение теории пластичности в прокатке. - М.: Металлургия, 1991. - 256 с.
40. Бровман М.Я. Непрерывная разливка металлов. - М.: Экомет, 2007. - 462 с.
41. Бровман М.Я. О деформации ползучести при изгибе балок в процессе движения // Механика твердого тела. 2004. №6. С. 121-127.
42. Бровман М.Я. О деформации ползучести при продольном изгибе балок // Механика твердого тела. 2014. №4. С. 121-129.
