Диссертация (1026274), страница 8
Текст из файла (страница 8)
2.14.).Рис. 2.14.Схема перемещения волокон [47]По известным координатам определяется перемещение точек между клетямитак же, как при расчете прямолинейной схемы сворачивания. Длина среднегонедеформированного волокна определяется как среднее значение длин первой итретьейточки.Относительнаядеформацияволоконприцентральномкриволинейном волокне определяется аналогично прямолинейному волокну(Рис. 2.15).Рис.
2.15.Схема для расчета траектории перемещения волокон трубной заготовки[47]56Величина перемещения волокон трубной заготовки вычисляется исходя изгеометрии рабочих калибров: = √( − −1 )2 + ( − −1 )2 + ( − −1 )2 ,(2.34)где , , – координаты фиксированных точекЗначение продольной деформации при перемещении заданных точек междуклетями стана определяются по формулам:00 − 22=22(2.35)1122 − 11х=2233 − 2233х =22где 00 ,11 , 22 , 33 – длины волокон, соответствующие перемещению заданных00хточек между клетями стана.По результатам расчета продольных деформаций для каждого сечения вкаждой клети строятся эпюры на растяжение и сжатие.
За нулевоенедеформированное волокно принимается второе. Максимальная деформация нарастяжение будет на кромке, а на сжатие ‒ по центру штрипса (Рис. 2.16)Рис. 2.16.Эпюра продольных деформаций[43]57По обобщенному закону Гука, используя полученные значения продольныхдеформаций, можно определить значения продольных напряжений в выбранныхточках заготовки по формуле: = ∙ (2.36)После чего делается вывод о наличии пластической деформации металла впродольном направлении и возможном образовании дефектов. Полученныезначения максимальных продольных напряжений и деформаций сравниваются спределом текучести материала трубной заготовки.Таким образом, методика С.В.
Самусева позволяет оценить, как продольные,так и поперечные деформации, и напряжения трубной заготовки, выявить зоныпластической деформации на основе обобщенного закона Гука. Но она не даетинформации о влиянии типа калибровки валкового инструмента, конструкцииклетей и длины формовочного участка на стабильность процесса и качестваполучаемой трубной заготовки.В производстве прямошовных электросварных труб можно выделить рядобособленных направлений: изготовление труб обычного сортамента и качества,конструкционных предельных, тонкостенных, с отношением диаметра готовойтрубы к толщине стенки больше 75, малого, среднего и большого диаметра.
Приформовке трубной заготовки для каждого из указанных видов сварных трубнеобходимо решать свои специфические задачи. Так, производство труббольшого диаметра требует создания очагов сворачивания из условия минимумаэнергозатрат на проведение процесса формовки и минимального количестватехнологического инструмента; для труб тонкостенных – из условия малыхпродольных деформаций кромок полосы; труб обычного качества – из условияминимальной длины очага сворачивания, что упрощает и удешевляетконструкцию трубоформовочного агрегата.
Остается открытым вопрос, а какомуусловию соответствует построение технологии производства труб нефтегазовогосортамента.Современнаятенденция,заключающаясявстремленииобеспечитьмонотонный очаг сворачивания плоского листа в цилиндрическую заготовку припроизводстве прямошовных сварных труб на ТЭСА, делает актуальным поиск58необходимых зависимостей, учитывающих влияние на процесс формовки имежклетевого расстояния, и диаметра валков, и калибровки валковогоинструмента и материала формуемой заготовки. При этом качество получаемогоготового изделия определяет напряженно-деформированное состояние трубнойзаготовки.Выводы по Главе 2:1.
Рассмотрены основные методики расчета непрерывной прямолинейнойформовки труб. Показано, как изменялись эти методики по мере развития даннойотрасли производства труб. В первую очередь следует отметить работы Ю.М.Матвеева,которыйзаложилтеоретическиеосновырасчетапроцессапрямолинейной формовки.2.
Особый интерес с точки зрения развития теории формовки представляютработы В.А. Рымова и С.В. Самусева, где используются современные методыисследования.3. Ни одна из рассмотренных методик не учитывает весь комплекспараметров, влияющих на технологический процесс. Одним из наиболееважных, это механические свойства материала заготовки, ведь именно припереходе на трубные марки стали возникли проблемы с производствомпрямошовных труб нефтегазового сортамента.59ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОЙВАЛКОВОЙ ФОРМОВКИ3.1.Особенность формовки трубных марок сталейВ последние десятилетия в России для быстрой и экономичнойтранспортировкиуглеводородногосырьяреализованыипродолжаютреализовываться проекты по строительству трубопроводов. Среди них NordStream длиной 1200 км по дну Балтийского моря, Турецкий поток – 900 км подну Чёрного моря, Баваненково-Ухта 1100 км в условиях сурового северногоклимата и др.Условия эксплуатации трубопроводов предъявляют высокие требования ккачеству труб [48].
Отмечено, что разработка требований к металлу трубстроится с учетом многогранности концепции надежности магистральныхнефтегазопроводов. Перечень требований к металлу для современных трубвключает следующие показатели, варьируемые в зависимости от параметров,назначения и степени ответственности газопроводов: временное сопротивлениедеформации; предел текучести; относительное удлинение; твердость HV;ударная вязкость и др. C повышением параметров и усложнением условийэксплуатации трубопроводов значения перечисленных выше характеристиквозрастают.
История развития трубных сталей и технологии их производства –это история использования металловедческих идей с учетом постоянноповышающихся требований к продукту. Примером успешных разработокявляются стали для труб нефтегазового сортамента, разработанные вЦНИИчермете им. И.П. Бардина за последние несколько десятилетий иосвоенные совместно с металлургическими и трубными предприятиями(Рис. 3.1.) [49–51].60Рис. 3.1.Схема развития трубных сталей[49]3.2.Требования, предъявляемые к сталям сварных трубдля магистральных трубопроводовЗа последние десятилетия требования по пределу текучести трубных сталейвозросли с 300-400 МПа (для класса прочности К42-К52) до 600 МПа (для классапрочности К65).
Перспективными также являются стали для производства труббольшого диаметра классов прочности Х100-Х120 с требованиями по пределутекучести750-900МПа.Для наиболее распространённых в настоящий момент классов прочностейтрубных сталей (К56-К60) требования по относительному удлинению в прокатесоставляют 22-23%.Одним из способов увеличения прочности стали является повышениесодержания углерода, поэтому производство труб осуществлялось из среднеуглеродистых марок типа 17Г1С, соответствующих классу прочности до К52.Повышение требований к прочности и ударной вязкости обусловили переход к61низкоуглеродистым сталям типа 10Г2ФБ с содержанием углерода не более 0,10–0,12%.
Снижение углерода также способствует лучшей свариваемости[50].Таблица 4.Основные требования к механическим свойствам листового прокатаKCV при –КласспрочностиВ , Н/мм2Т ,, Н/мм2%, не20°С,менееДж/см2,не менееИПГ при–20 °С, %,не менееК50490 – 590375 – 47522 – 23100 – 12070 – 90К52510 – 610410 – 51022 – 23100 – 12070 – 90К54530 – 630420 – 52022 – 23100 – 12070 – 90К55540 – 640440 – 54022 – 23100 – 12070 – 90К56 (Х65)550 – 650450 – 55022 – 23100 – 12070 – 90К60 (Х70)590 – 690490 – 59022 – 23100 – 12090К65 (Х80)640 – 750570 – 67020100 – 12090Х100760 – 860720 – 820-100 – 12090Х120860 – 960≥915-100 – 12090Современные трубные стали умеренно легируются марганцем и кремнием,чтобы компенсировать снижение прочности при понижении содержанияуглерода.
Марганец также повышает хладостойкость стали. Микролегированиениобием, ванадием и титаном необходимо для образования карбидов и нитридов,которые сдерживают рост и рекристаллизацию аустенитных зёрен при нагреве ипрокатке, способствуют формированию в прокате мелкодисперсной структуры,т.е. повышают прочностные и вязкостные свойства стали. При необходимостидополнительного повышения механических характеристик стали легируютсяхромом, никелем, медью или молибденом [52].Кроме того, современные трубные стали имеют низкое содержание вредныхпримесей и газов. Так, содержание серы стремиться к значению менее 0,003%,фосфора – менее 0,010%, что обеспечивает повышение вязкости стали, а такжеснижает загрязнённость стали неметаллическими включениями.
Содержаниеазота допустимо не более 0,005%. Требования к химическому составу трубныхсталей приведены в таблице 5.62Таблица 5.Требования к химическому составу трубных сталейМассовая доля элементов, не более, %СMnSiSPNMoCrNiCuTiVNb0,121,800,450,0050,0130,0090,30,30,30,30,050,080,08СовременныесталиметаллургическимиклассапрочностикомпаниямикакХ70(К56–К60)производятсяпотехнологическойсхеменизкотемпературной контролируемой прокатки (с завершением в (γ + α)области) и последующим охлаждением на воздухе (иногда ускореннымохлаждением), так и по схеме высокотемпературной контролируемой прокаткис последующим ускоренным охлаждением в зависимости от требований,сортамента, имеющихся оборудования и технологий, а также экономическихсоображений.Для увеличения прочности в сталь вводят большое количество легирующихэлементов, таких как марганец, молибден или никель, использование которыхнеобходимо для предотвращения укрупнения ферритного зерна и выделенийкарбонитридов, а добавка ниобия в молибденсодержащую сталь болееэффективна для получения низкотемпературных продуктов превращения.Первые небольшие трубопроводы из стали класса прочности Х80 былипостроены в 80-х годах XX в.
в Германии и Чехии, затем в Германии былпостроен более крупный трубопровод с использованием труб StE 550 (всоответствии с немецкой спецификацией). Минимальный предел текучести этихтруб составил 550 Н/мм2, что соответствует классу прочности Х80, но при этомминимальное временное сопротивление составило 690 Н/мм2, что выше 620Н/мм2, соответствующих API.Таким образом, даже в трубных марках сталей наблюдается значительныйразброс в свойствах, что нельзя не учитывать при расчете основных параметровпроцесса непрерывной валковой формовки.633.3.Предпосылки создания модели непрерывной валковой формовкиПроведениефизическихэкспериментовдляустановленияпричинвозникновения брака и исследования поведения металла во время непрерывногопроцесса валковой формовки является сложным и дорогостоящим этапом.Математическое моделирование методом конечных элементов или методомконечных разностей корректно отнести к теоретическим методам исследованиятехнологических процессов.
Нередко данный способ называют «численным»экспериментом. На кафедре МТ-10 «Оборудование и технологии прокатки»МГТУ им. Н.Э. Баумана с участием автора настоящей работы была созданаматематическая модель на базе программного комплекса COPRA RF, котораяпозволяет проводить исследования по анализу процесса формообразования идавать рекомендации инженеру, проектирующему технологический процесс иконструкцию оборудования для производства труб и профилей[53].Модель виртуального непрерывного процесса формообразования валковыминструментом позволяет провести анализ уже существующего валковогоинструмента и спроектировать новый на основе результатов моделирования. Такеще до изготовления валков (стоимость комплекта на одни типоразмерсоставляет от 10 миллионов рублей) и установки его в линию формовочногостана стало возможным исследовать область контакта формуемой заготовки ирабочего инструмента; оценить, правильно ли подобрана форма рабочегоинструмента и при необходимости внести соответствующие изменения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
