Формообразование трубных профилей

Антон Скрипкин, Антон Лепестов

В этой статье мы предлагаем вашему вниманию краткий обзор способов формовки труб большого диаметра для получения качественного профиля при непрерывной валковой формовке.

В настоящее время растет потребность в сварных трубах большого диаметра для газо­ и нефтепроводов. Однако до сих пор не существует универсальной методики анализа (особенно это касается труб диаметром 530 мм и более), позволяющей на стадии проектирования процесса формообразования и в ходе эксплуатации оборудования проанализировать ход формовки и спрогнозировать качество получаемого продукта.

Одним из основных принципов формообразования различных трубных профилей является обеспечение максимального формоизменения в каждом технологическом переходе. Это необходимо для сокращения числа переходов, то есть для уменьшения количества рабочих клетей стана и тем самым его длины. Выбор числа операций гиба, равных числу пар валков, зависит в основном от сложности конфигурации профиля и его размеров, а также от требуемых допусков на размеры, соотношения толщины и ширины заготовки, конфигурации отдельных участков профиля, механических свойств материала, требуемых радиусов закругления и т.д. [1].

Формообразование можно осуществлять различными способами. Традиционным способом является валковая формовка (рис. 1), выполняемая в формовочных станах, входящих в оборудование трубоэлектросварочных агрегатов.

Рис. 1. Валковая формовка

Процесс формовки легко представить с помощью «цветка» (рис. 2), который дает наглядное представление о процессе формообразования, в частности о получении формы профиля в каждой из клетей формовочного стана. По ранее разработанному «цветку» производят анализ возможности осуществления процесса формообразования требуемого профиля. Существуют различные схемы и варианты получения требуемого сечения трубы. Процесс формовки будет устойчивым при плавности траектории крайней точки заготовки [2].

Рис. 2. Формовка при постоянной нижней точке: 0-7 — последовательность переходов формовки; 0 — исходная заготовка; 1-7 — форма калибра в соответствующей клети; а — траектория крайней точки заготовки

Можно предложить множество способов получения конечной формы профиля. Однако во многом выбор способа зависит от напряженно­деформированного состояния заготовки во время процесса формовки. В МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре МТ­10 «Оборудование и технологии прокатки» разработана математическая модель процесса непрерывной формовки прямошовных труб на базе специализированного программного комплекса COPRA RollForm, с помощью которой можно проанализировать каждый этап формовки, рассматривая очаг деформации заготовки в валках, и предсказать возникновение дефектов, не прибегая к изготовлению оборудования [3].

Рассмотрим способы формовки с использованием этой модели. На рис. 1, 3 и 5 представлено несколько вариантов формовки при однорадиусной калибровке формующих валков, но с различной кривизной средней линии трубной заготовки.

Рис. 3. Напряженно-деформированное состояние полосы при постоянной нижней точке

Формовка при постоянной нижней точке

На рис. 2 и 3 представлена формовка листа в цилиндрическую трубную заготовку при условии, что дно формуемой полосы не меняет своего положения по вертикали (при постоянной нижней точке). На рис. 2 видно, что максимальное растяжение кромок полосы в этом случае составляет 3,8%, что приводит к получению сварного шва неудовлетворительного качества.

Формовка при постоянной верхней точке

На рис. 4 и 5 представлена схема формовки листа в цилиндрическую трубную заготовку при условии, что кромки формуемой заготовки лежат в горизонтальной плоскости (при постоянной верхней точке). На рис. 5 видно, что максимальное удлинение кромок заготовки составляет 2,8%. Как и следовало ожидать, при выбранной схеме формовки максимальное растяжение листа приходится на дно трубной заготовки, что может привести к получению трубы, не удовлетворяющей требованиям ГОСТ­а или ТУ.

Рис. 4. Формовка при постоянной верхней точке: 0-7 — последовательность переходов формовки; 0 — исходная заготовка; 1-7 — форма калибра в соответствующей клети

Рис. 5. Напряженно-деформированное состояние при постоянной верхней точке

«Естественная» формовка

Многочисленные расчеты, выполненные на кафедре «Оборудование и технологии прокатки» с помощью указанной выше математической модели [3], показали, что по сравнению с рассмотренными ранее способами наилучшие условия формообразования достигаются, если средняя линия представляет собой кривую, проведенную через точки, являющиеся центрами тяжести каждого рассматриваемого сечения калибра (рис. 6 и 7). Именно такая формовка называется естественной [1]. В этом случае значительно уменьшаются напряжения в трубной заготовке, меньше растягиваются кромки (максимальное удлинение кромок составляет 2,5%).

Рис. 6. Формовка при постоянной точке — центр тяжести: 0-7 — последовательность переходов формовки; 0 — исходная заготовка; 1-7 — форма калибра в соответствующей клети

Рис. 7. Напряженно-деформированное состояние при постоянной точке — центр тяжести

Заключение

Мы сделали краткий обзор способов непрерывной валковой формовки труб большого диаметра, выполненной с помощью математической модели, созданной на базе специализированного программного комплекса для анализа процесса валковой формовки COPRA RollForm. Результаты исследований показали, что при формовке целесообразно использовать «естественное» формообразование, при котором растяжение кромок минимально, что является необходимым условием при производстве высококачественного профиля.

Литература

1. Данченко В.Н., Коликов А.П., Романцев Б.А., Самусев С.В. Технология трубного производства. М.: Интермет Инжиниринг, 2002. 640 с.
2. Скрипкин А.Ю., Соколова О.В., Серавкин А.А. Исследование кривизны траектории средней линии трубной заготовки при производстве электросварных труб. Третья конференция молодых специалистов «Металлургия XXI века», 13­16 февраля 2007 г.
3. Скрипкин А.Ю. Моделирование процесса валковой формовки сварных труб. Научный семинар. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 17 июня 2009 г.

САПР и графика 1`2011