CC BY
33
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
УДК 621.9.025.19
Усовершенствование инструмента
для удаления внутреннего грата с электросварных труб
С. В. Михайлов, Н. Ю. Ковеленов, С. В. Болотских
Выявлены основные факторы, определяющие работоспособность инструмента на операции удаления грата с электросварных труб. Разработаны новые конструкции кольцевых режущих пластин для удаления внутреннего грата, обладающие повышенной прочностью лезвия и улучшенным теплоотводом. Подобран состав твердого сплава, усовершенствована технология заточки и нанесения износостойких покрытий на кольцевые трубные пластины. Эффективность инструмента, изготовленного по новой технологии, подтверждена в производственных условиях. Применение режущих пластин повышает надежность и качество изготовления электросварных труб, при этом существенно снижаются затраты на изготовление инструмента. Исследования легли в основу создания новой линейки кольцевых пластин повышенной работоспособности.
Ключевые слова: трубное производство, удаление грата, проектирование инструментов, кольцевые твердосплавные режущие пластины.
Введение
В настоящее время доля сварных труб в общем объеме производства труб значительно увеличилась. Современные методы сварки обеспечивают прочность сварного шва не ниже прочности основного металла, что позволяет использовать сварные трубы там, где раньше применяли только бесшовные. Сейчас сварные трубы успешно конкурируют с бесшовными на рынке обсадных труб, используемых для глубинных нефтяных и газовых скважин. Основными преимуществами сварных труб являются их технологичность, низкая себестоимость, повышенные геометрическая точность и качество поверхности трубы.
Технологический процесс производства пря-мошовных электросварных труб включает синхронизированные между собой механические операции разрезки рулонов на штрипсы (полосы заданной ширины), правки штрипсов, обрезки и сварки концов рулонов штрипсов между собой, формовки ленты, продольной сварки трубы токами высокой частоты, удале-
ния грата, калибровки по диаметру, отрезки на трубы заданной длины, обработки торцов трубы. Сбой в одной из операций этой цепочки приводит к остановке всего производства.
Большое влияние на непрерывную работу трубосварочного стана оказывает качество удаления грата с внутренней поверхности трубы. Серьезными недостатками являются необходимость своевременной диагностики инструмента и высокая трудоемкость замены режущей пластины. Неплановые замены пластины с вырезанием технологических окон в трубе приводят к длительным остановам стана и уменьшению выхода количества годных труб. В этой связи к работоспособности кольцевых пластин для снятия внутреннего грата предъявляются повышенные требования.
Удаление грата
Грат — это расплавленный металл, который выдавливается в процессе деформации стыка на наружную и внутреннюю поверх-
новые материалы и технологии производства
Ш^ПООБРАБОТКА
Рис. 1. Удаление внутреннего грата с электросварных прямошовных труб (а) внутренним гратоснимателем (б)
ности трубы. При формировании труб диаметром 70-170 мм ширина грата колеблется в диапазоне 5-8 мм, толщина — 3-5 мм [1]. Внутренний грат удаляется методом строгания специальным инструментом (внутренним гратоснимателем), который состоит из штанги, снабженной направляющими роликами, резцедержателя и круглой режущей пластины. Режущая пластина располагается под углом к трубе и крепится в резцедержателе одним или двумя винтами (рис. 1). Диаметры пластин зависят от диаметра обрабатываемых труб. Рабочий радиус пластины рассчитывается по формуле
R = d/(2 sin g),
где d — диаметр режущей кромки пластины; g — угол наклона пластины.
В обозначении пластины указываются тип пластины (кольцо), код диаметра режущей кромки, рабочий радиус пластины, марка сплава.
Удаление грата ведется в экстремальных условиях с большими сечениями срезаемого слоя при высоких температурах. Основные причины неудовлетворительной работоспособности пластин — низкие износостойкость и прочность режущей кромки. Пониженная работоспособность проявляется в быстром износе пластины по ее задней поверхности и сколах режущих кромок. Из-за высоких температур резания и больших сечений среза часто наблюдается пластическая деформация лезвия пластины, выражаемая в опускании режущей кромки и появлении рисок на трубе.
Геометрические параметры
Степень влияния геометрических параметров пластины на ее прочность предварительно оценивали по значению радиальных напряжений в теле резца (рис. 2) [2]:
И R
cos
Gr = rb
srn
v0 - 1и + Y
cos
v-\и + g
srn v -
в + sin в
v0 - (и + g
srn
v-(и + gJ
в - sin в
, (1)
где Я — сила резания; g — передний угол пластины; р — угол заострения пластины.
Расчеты показывают, что недостаточная прочность кольцевых пластин в значительной степени связана с изменением кинематических углов инструмента в периоды прохождения стыков штрипсов при выходе и врезании пластины в трубную заготовку. В моменты врезания пластины в трубную заготовку кинематический передний угол увеличивается до 35°. При таких значениях передних углов в теле режущей пластины возникают большие растягивающие напряжения, вызывающие выкрашивание или скол режущей кромки.
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
Рис. 2. Схема радиальных напряжений в лезвии пластины
Для повышения прочности режущей кромки и улучшения теплоотвода разработаны и изготовлены новые конструкции кольцевых пластин с упрочняющей фаской на передней поверхности и радиусом округления режущей кромки инструмента (рис. 3).
Эффективность новых твердосплавных кольцевых пластин 8К4/АИ23 ТЬ оценивали в производственных условиях на ОАО «Газпромтруб-инвест». Условия проведения испытаний: размеры труб — 102 х 6,5 м, материал — 22ГЮ и 25ГЮ, скорость стана 40-41,7 м/мин. Испытания опытных образцов новых пластин подтвердили их повышенную прочность. Количество сколов пластин уменьшилось в несколько раз по сравнению с аналогичными пластинами без упрочняющей фаски.
Рис. 3. Кольцевая твердосплавная пластина БК5/ АИ28 с упрочненным лезвием
Рис. 4. Диаграммы составов твердых сплавов УЫ66, УЫ52, УЫ69:
| — карбид вольфрама; Щ — карбид титана; □ — карбид тантала; □ — кобальт
Материалы
В результате увеличения прочности пластин появилась возможность повысить их износостойкость за счет оптимизации состава твердого сплава. На основе изучения характера износа пластин были разработаны новые составы трехкарбидных твердых сплавов и подготовлены три партии пластин 8К5/АИ28 из следующих материалов (рис. 4):
• УЫ66 с содержанием карбида тантала 5 %, карбида титана 5 %, карбида вольфрама 79 %, кобальта 11 %;
• УЫ52 с содержанием кобальта 6 %, карбида тантала 2,7 %, карбида титана 7,5 %, карбида вольфрама 83,8 %;
• УЫ69 с содержанием карбидов тантала 9 %, карбида титана 4,5 %, карбида вольфрама 75,5 %, кобальта 11 %.
Результаты и обсуждение
Испытания пластин проводили при изготовлении труб из материала 22ГЮ. Размеры труб — 168 х 8,9. Скорость стана — 25 м/мин. Стойкость оценивали по количеству пройденных штрип-сов (1 штрипс = 12 мин резания) и суммарному износу по передней и задней поверхностям.
Наилучшие показатели по количеству пройденных штрипсов показал твердый сплав УЫ66 (рис. 5).
Характерными особенностями изношенных пластин, изготовленных из разных твердых сплавов, является неравномерное распределение износа по задней поверхности пластины и наличие на ней наростов. По краям наблюдается резкое возрастание фаски износа, что сви-
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
ШШШМБОТКА
Количество штрипсов 18
16 14 12 10 8 6 4 2 0
8К5/ЛК28 ООКиЫ 8К5/ЛК28 8К5/ЛК28 8К5/ЛК28 УИ66 8К5/ЛК28 УИ69 УИ69-01 УИ52
Рис. 5. Максимальное количество штрипсов, пройденных одной пластиной
детельствует о наличии окислительного механизма износа. Для выравнивания износа вдоль режущей кромки и уменьшения наростообразо-вания предложено использование теплостойких износостойких РУБ-покрытий. В целях подбора наиболее эффективного состава покрытия и технологии его нанесения подготовлены три партии пластин по 5 штук в каждой с различными видами покрытий. В качестве технологического оборудования для нанесения покрытий использовали вакуумную установку итеоаЬ 400 периодического действия, предназначенную для ионно-плазменного синтеза упрочняющих 3Б-нанокомпозитных и традиционных покрытий для металлообрабатывающего инструмента методом дуального магнетронного распыления с высокой ионизацией плазмы. Исследовали влияние 3Б-нанокомпозитных покрытий: псЛШ/пс-ЛШ, пс-Т1ЛШ/а-81.3]]4, Л1Сг]]-пс. Сравнительный анализ эффективности применения различных износостойких покрытий позволил сделать выбор в пользу покрытия пс-Тз-ЛШ/а-81з^. Применение данного покрытия увеличило стойкость кольцевых пластин в 1,5 раза.
Комплексный эффект от оптимизации геометрии, состава твердого сплава и технологии изготовления кольцевых трубных пластин проиллюстрирован на рис. 6. Внешний вид изношенных пластин после обработки 9 штрипсов убедительно показывает их преимущества по сравнению с пластинами одной из ведущих в этой области европейских фирм.
Рис. 6. Износ задней поверхности кольцевых пластин: а — фирмы СОКС] (9 штрипсов, Н = 0,8 мм); б — изготовленной по новой технологии: ТЬ-УИ66 с покрытием Т1Л1Ы/а-81зЫ4 (9 штрипсов, Н = 0,3 мм)
Выполненные исследования легли в основу создания линейки кольцевых пластин повышенной прочности на ООО «Вириал» (Санкт-Петербург). К настоящему времени освоено производство наиболее широко применяемых на трубных заводах пластин 8И3/ЛК17, 8К4/ЛИ23, 8К5/ЛИ28, 8К6/ЛК34.
Выводы
Разработаны новая конструкция и технология изготовления кольцевых режущих пластин, предназначенных для удаления внутреннего грата с электросварных труб. Использование кольцевых пластин на трубных заводах позволяет сократить расход инструмента, уменьшить количество аварийных остановок стана и увеличить количество выхода годных труб.
Литература
1. Михайлов С. В., Садов В. А. Новый резец для удаления грата сварных труб // Ремонт. Инновации. Технологии. Модернизация. 2010. № 2 (50).
2. Синопальников В. А., Григорьев С. Н. Надежность и диагностика технологических систем: учебн. М.: Высш. шк., 2005. 343 с.
№ 1(85)/2015
53|
