CC BY
13УДК 621.791.01+678.029.437
А.В. Михалев1; М.М. Шевелев1; И.О. Мочалова1; Е.Ю. Раскатов2; Е.А. Плесняев2; М.Г. Близник2
1 ОАО «Уралтрубпром» (Первоуральск, Россия).
2 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (Екатеринбург, Россия).
Современное моделирование сварки токами высокой частоты для повышения качества электросварных прямошовных труб
Чтобы повысить качество выпускаемых изделий и снизить себестоимость труб, необходимо в процессе производства решать ряд актуальных технологических задач. При этом решение должно быть современным, быстрым и точным. Применение численного моделирования для выбора параметров технологических процессов - один из эффективных методов, позволяющих минимизировать изначально очень высокие затраты на экспериментальную отладку процессов непосредственно на технологическом оборудовании. Получение расчетных схем при моделировании дает возможность определять параметры режимов сварки токами высокой частоты для решения задач разного класса, для широкой номенклатуры типоразмеров. При этом моделирование высокочастотной сварки труб с помощью индукционного нагрева заготовки имеет ряд особенностей, поскольку требует расчета электромагнитного поля, создаваемого индуктором в зоне сварки, и его влияния на процесс нагрева. Модель позволяет установить взаимосвязь между параметрами подаваемого тока (напряжением, частотой и т. д.), формой заготовки и тепловложением в металл в зоне сварки и выработать рекомендации по повышению точности выпускаемых труб. Полученные математические зависимости позволили осуществлять оперативный контроль и регламентировать основные параметры и режимы действующего трубоэлектросварного стана.
Ключевые слова: математическое моделирование, сварка токами высокой частоты, энергосиловые параметры формовки, геометрические параметры заготовки.
72
№ 11-12 декабрь 2020 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
WELDING
АКТУАЛЬНОСТЬ
Бесшовные трубы при всех своих многочисленных достоинствах обладают несколькими недостатками, одним из которых является высокая стоимость производства. Способность бесшовных труб выдерживать высокие давления востребована далеко не всегда. Современные технологии обработки металлов не стоят на месте, и прочность сварных швов в наше время позволяет сварным трубам выдерживать все большие давления [1]. Нет ничего удивительного в том, что сварные трубы, сваренные токами высокой частоты, сохраняют свои позиции и при решении ряда задач даже выигрывают в конкурентной борьбе с бесшовными.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Одним из существенных условий формирования качественного сварного соединения является оптимальное сочетание характеристик электромагнитного поля, теплового состояния зоны сварки, а также полей напряжений и деформаций в области шва. Одними из наиболее су-
При условии удовлетворительных стабильных рабочих характеристик оборудования, обеспечивающего сварку требуемой номенклатуры трубных заготовок, ключевым моментом является определение технологических параметров сварки.
щественных параметров, в итоге определяющих указанные характеристики, являются теплофизические, механические и электромагнитные свойства свариваемых сталей и сплавов. При условии удовлетворительных стабильных рабочих характеристик оборудования, обеспечивающего сварку требуемой номенклатуры трубных заготовок, ключевым моментом является определение технологических параметров сварки.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ
Магнитодинамический анализ электромагнитного поля реализуется путем решения уравнений Максвелла [2]. Принимаются допущения о частоте магнитного поля, не превышающего 1 МГц, а также о гармонически изменяющемся поле, что обусловливает решение задачи в комплексных величинах. В расчетную модель для решения маг-нитодинамической задачи входит область пространства для моделирования электромагнитного поля - трубная заготовка и индуктор (катушка индуктивности).
Расчет осуществляется методом конечных элементов. Конечный элемент имеет тетраэдральную форму. Область пространства для моделирования электромагнитного поля представляет собой куб, размеры которого превышают размер заготовки. На наружных гранях куба определены граничные условия со значениями скалярного электрического потенциала и векторного потенциала электромагнитного поля, равными нулю.
Заготовка располагается внутри области, для которой вычисляется электромагнитное поле. Конечно-элементные сетки заготовки и поля независимы. Модель предусматривает автоматическое определение расположения заготовки на каждом шаге итерации с учетом изменения формы заготовки. Модель переходного теплового процесса реализуется в динамике. Нагрев трубной заготовки производится токами, наводящимися на заготовке под действием гармонически изменяющегося магнитного поля. Квадрат абсолютной комплексной величины плотности тока
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 11-12 December 2020
73
СВАРКА
Альтернативным подходом является дополнительное независимое моделирование пластического деформирования металла в зоне шва с расчетом локальной деформации краев заготовки. Расчет можно проводить упрощенно. Определяемая деформация дает возможность определить сближение кромок заготовки после касания и тем самым уточнить размеры исходной модели.
связан с удельным тепловым потоком через электрическую проводимость материала.
Охлаждение зоны сварного шва определяется в основном теплопроводностью трубной заготовки за счет распространения тепла теплопередачей в основном металле и зоне термовлияния труб. Тепловую задачу в полной постановке можно решать с учетом конвекции, излучения, генерации тепла в процессе трения и от пластического деформирования [2].
Полученная расчетная модель позволяет обеспечить быструю адаптацию режимов технологического процесса в зависимости от номенклатуры получаемых изделий, материалов, применяемых для производства трубных заготовок, а также корректировку технологических параметров при меняющихся внешних условиях изготовления трубы.
В зоне сварного соединения образуется область выраженных пластических деформаций при условии расплавления и отделения части металла от заготовки. В разрабатываемом методе пластическая деформация может быть
смоделирована с заданием кривых деформирования для материала заготовки в зависимости от теплового состояния. Альтернативным подходом является дополнительное независимое моделирование пластического деформирования металла в зоне шва с расчетом локальной деформации краев заготовки. Расчет можно проводить упрощенно. Определяемая деформация дает возможность определить сближение кромок заготовки после касания и тем самым уточнить размеры исходной модели.
ВЫВОДЫ
По итогам проведенных исследований разработаны методологические подходы к применению основ технологии
сварки токами высокой частоты. Получены математические зависимости, позволяющие осуществлять оперативный контроль процесса сварки прямошов-ных труб и регламентировать его основные параметры.Точное прогнозирование геометрических и механических свойств готовой трубы дает возможность использования электросварных труб производства ОАО «Уралтрубпром» по ГОСТам [3, 4] и различным нормативным документам в тех сферах, где ранее использовались только горячекатаные трубы по ГОСТу [5], а также в соответствии с требованиями нефтегазовых компаний.
УРАЛТРУБПРОМ
ОАО «УРАЛЬСКИЙ ТРУБНЫЙ ЗАВОД»
ОАО «Уралтрубпром»
623107, РФ, Свердловская обл.,
г. Первоуральск,
ул. Сакко и Ванцетти, д. 28
Тел.: +7 (3439) 29-75-02
e-mail: market@trubprom.com
www.ura1trubprom.ru
Литература:
1. Осадчий В.Я., Вавилин А.С., Зимовец В.Г., Коликов А.П. Технология и оборудование трубного производства. М.: Интермет-инжиниринг, 2007. 560 с.
2. Жарков А. Моделирование сварки токами высокой частоты с использованием нелинейного решателя Marc // CADmaster. 2019. № 2 (90). С. 40-45.
3. ГОСТ 20295-85. Трубы стальные сварные для магистральных газонефтепроводов. Технические условия (с изм. № 1 и 2) [Электронный источник]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/gost-20295-85 (дата обращения: 09.12.2020).
4. ГОСТ 10705-80. Трубы стальные электросварные. Технические условия (с изм. № 1-7) [Электронный источник]. Режим доступа: http://docs.cntd. ru/document/gost-10705-80 (дата обращения: 09.12.2020).
5. ГОСТ 8732-78. Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Сортамент (с изм. № 1 и 2) [Электронный источник]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200001512 (дата обращения: 09.12.2020).
74
№ 11-12 декабрь 2020 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
