Совершенствование процессов и машин для изготовления холоднопрофилированных труб на основе моделирования очага деформации (07.09.2009)

Автор: Паршин Сергей Владимирович

Установлено также, что увеличение радиуса изгиба в этой зоне позволяет значительно снизить степень поврежденности металла, при этом не вызвав значительного повышения этой величины вследствие увеличения радиуса изгиба на выступах трубы. Для трубы, имеющей равные радиусы изгиба выступов и впадин по средней линии профиля, снижение значения ? достигает 21%. В результате этого было выдвинуто предположение, что дальнейшее увеличение радиуса изгиба по впадинам только усилит данное явление. Действительно, для профиля с соотношением радиусов изгиба по выступам и впадинам около 1/1,5 удалось достичь снижения поврежденности до 70%. Наилучшим соотношением величин поврежденности в опасных точках, по результатам вычислительного эксперимента, обладает профиль трубы, имеющий соотношение радиусов выступов к впадинам до 1/2,2 что соответствует максимально равномерному распределению ? по профилю сечения. Величина ? в опасных точках профиля на выступе и впадине сечения в зонах растяжения равна 0,34 и 0,27 (таблица 1). Однако при дальнейшем увеличении радиуса изгиба по впадинам было получено некоторое повышение ? в зоне выступов профиля, связанное с уменьшением радиуса изгиба и ростом растягивающих напряжений в этой области. Таким образом, методом целенаправленного перебора вариантов удается найти рациональный профиль готовой трубы. Подобные результаты по распределению поврежденности по сечению трубы получены при деформации труб роликами. Скручивание полученного прямолинейного профиля с целью получения винтовой поверхности повышает величину ? в опасных точках. Значения прироста поврежденности при скручивании различных профилей различаются незначительно и составляют 0,18-0,22 для точки на выступе трубы и 0,1-0,15 для точки на впадине трубы на внутренней поверхности профиля. Конечное значение ? для готовой трубы представляет собой сумму значений за две операции, и для видов профилей труб на рис. 9, а и г превышает единицу, что требует для их получения применение промежуточной термообработки.

В результате, при использовании для изготовления винтовых труб рационального профиля поперечного сечения открываются новые технологические возможности. Например, волочение и скручивание трубы в этом случае может быть осуществлено за один переход, поскольку суммарное значение ? в опасной точке за две операции не превышает 0,5-0,6. Таким образом, можно значительно повысить производительность процесса, а также избежать трудоемких операций химикотермической обработки между проходами профилирования.

В итоге применение рационального профиля трубы способствует использованию в теплообменных аппаратах труб из малопластичных материалов (например, титана, коррозионностойких сталей), применение которых ранее ограничивалось высокой степенью поврежденности. При этом их получение не требует применения процессов термообработки и связанных с ними вспомогательных операций.

В четвертом разделе рассмотрены процессы профилирования труб специального назначения, к которым отнесены профильные перекрыватели нефтяных и газовых скважин, трубы – заготовки для производства гидродвигателей, имеющие гипо- и эпитрохоидный профиль, и чехловые трубы для нужд атомной промышленности.

Применение профильных перекрывателей нефтяных скважин позволяет получить большой технический и экономический эффект. Известны свыше 20-ти различных типов перекрывателей, применение которых обусловлено особенностями условий бурения и зон осложнения, типом скважины и ее диаметром, глубиной и продольным профилем. В настоящей работе приведены результаты поставленной нами впервые и решенной задачи определения рационального профиля поперечного сечения тонкостенной трубы большого диаметра (326х6 (t/D=0,0184), имеющей среди всех типов таких труб наибольшую усадку по диаметру (65 мм). Заготовка имеет продольный сварной шов.

По методике, рассмотренной в предыдущем разделе, варьировали шириной торообразного ролика (рис. 10).

а б в

Рис. 10. Профилирование труб роликами: а- узким, б – широким торообразным, в - широким с криволинейной поверхностью.

Рис. 11. Распределение давления на контакте для узкого (а)

и широкого (б) роликов.

Установлено, что наименьшая величина поврежденности в опасной точке обеспечивается при обработке «широким» роликом (соотношение радиусов выступов и впадин по средней линии 1/2,2). Определены эпюры давления на инструмент для этих двух случаев (рис. 11). Методом направленного перебора вариантов найдено, что обеспечить наиболее равномерное распределение давления металла возможно при использовании ролика с криволинейной катающей поверхностью, аппроксимация которой выполнена с наилучшим приближением логистической функцией вида:

Осуществлен поиск угловой ориентации сварного шва при профилировании трубы с целью обеспечения наиболее благоприятных условий его деформации. Предположили, что она может быть определена точкой перегиба профиля трубы в поперечном направлении, которую нашли из трансцендентного уравнения:

Эпюры распределения показателей напряженного и деформированного состояния показали справедливость этого предположения (рис. 12).

Рис. 12. Интенсивность деформации (а) и показатель напряженного состояния (б) при профилировании широким роликом.

Угловая ориентация трубы в волочильно-профилирующем стане может быть выполнена по шаблону, имеющему 12 точек, являющихся предпочтительными для размещения сварного шва. В итоге определены рациональный профиль трубы и рабочего инструмента.

Распределение первого главного напряжения (1 и показателя напряженного состояния (/T по толщине стенки трубы различно для выступа и впадины профиля (рис. 13). Для зоны выступа с перемещением от внутренней к наружной поверхности трубы обе эти величины растут, при этом точка смены знака для (/T лежит в области середины стенки трубы, а (1 принимает нулевое значение в области 4,5 мм от внутренней поверхности.

Рис. 13. Распределение первого главного напряжения (1 (МПа) и показателя напряженного состояния (/T по толщине стенки для выступа (а) и впадины профиля (б) (широкий ролик).

Для зоны впадины профиля картина обратная – от внутренней к наружной поверхности трубы обе эти величины монотонно убывают, причем (/T меняет знак на расстоянии около 2,5 мм от внутренней поверхности трубы, а (1 – около 2 мм. Такое распределение этих показателей указывает на смещение нейтральной оси: для зоны выступа – к наружной поверхности трубы, а для зоны впадины профиля – к внутренней поверхности. Этот анализ подтвердил сделанный ранее вывод.

Для определения полного давления металла на ролик контактную поверхность очага деформации описали удлиненным эллипсоидом вращения, проекция которого на контактную плоскость имеет вид эллипса с большой полуосью M и малой m. В том случае, когда давление на ролик примерно равномерное, то усилие определено в виде:

Усилие, необходимое для протягивания трубы через неприводную шестироликовую волоку:

- диаметр цапфы роликовой опоры и коэффициент трения в подшипниках; RЗ – наружный радиус трубной заготовки.

находим из уравнения:

- предел текучести материала с учетом упрочнения;

t – толщина стенки трубы.

После профилирования труб в скважине их раздают различными способами, причем промежуточная термообработка не проводится вследствие особенностей технологии. На первом этапе проанализированы изменения поврежденности металла при раздаче профильной трубы коническим пуансоном (рис. 14), и сравнивали два случая предварительной деформации различными типами роликов (табл. 2).

Рис. 14. Схема очага деформации при раздаче коническим пуансоном.

Таблица 2.

Поврежденность металла в зависимости от вида обработки.

Вид процесса

Вид деформации Суммарное значение

? за две операции

промежуточного отжига

Профилирование Раздача конусом

Номера точек* Номера точек*

Номера точек

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

Профилирование узким торообразным роликом 0,576 0,029 0,628 0,044 0,086 0,011 0,909 0,251 0,662 0,040 1,537 0,295

Профилирование широким торообразным роликом 0,331 0,135 0,272 0,077 0,168 0,011 0,299 0,251 0,499 0,146 0,571 0,328

(*) – см. рис. 12

Профилирование широким роликом при раздаче конусом обеспечивает в опасных точках почти трехкратное снижение поврежденности. Далее исследовали при исходном профилировании широким роликом различные случаи возможных граничных условий при раздаче.


загрузка...