ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛА ПРИ ЭКСПАНДИРОВАНИИ СТАЛЬНОЙ ЗАГОТОВКИ Шинкин В.Н.

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»


Номер: 10-1
Год: 2015
Страницы: 153-157
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

стальные сварные трубы большого диаметра, остаточные напряжения, трубоформовочный пресс, экспандер, магистральные трубопроводы, the welded steel major-diameter tubes, the residual stresses, the O-forming press, the expander, the main pipelines

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Предложен аналитический метод расчета остаточных напряжений листовой заготовки при ее изгибе на трубоформовочном прессе и максимальных напряжений в стенке трубы при экспандировании по технологии JCOE фирмы SMS Meer.

Текст научной статьи

Производство труб большого диаметра для магистральных трубопроводов. В отечественных магистральных трубопроводах используются трубы большого диаметра - прямошовные, двухшовные и спиральношовные (диаметром до 1420 мм) класса прочности до К65 по стандарту API различного способа изготовления. Новейшими технологиями производства прямошовных одношовных сварных труб большого диаметра 1020 мм, 1220 мм и 1420 мм из сталей класса прочностей К38-К65 и Х42-Х80, с толщиной стенки до 52 мм и рабочим давлением до 22,15 МПа являются процессы формовки листа по схеме JСОE фирмы SMS Meer [1-48], используемые российскими заводами - АО «ВМЗ», ЗАО «ИТЗ», ОАО «ЧТПЗ», а также заводами Германии и Китая. Рис. 1. Трубоформовочный пресс и экспандер SMS Meer Схема JCOE включает на первой стадии подгибку кромок листовой заготовки с толщиной стенки до 52 мм из стали с пределами текучести и прочности σт = 340-470 МПа и σв = 510-690 МПа на кромкогибочном прессе пошаговым способом одновременно с двух сторон. Формовка основной части профиля листовой заготовки осуществляется на трубоформовочном прессе пошаговым способом гибки участков от подогнутых кромок к середине профиля одновременно по всей длине заготовок и обеспечивает получение трубных заготовок незамкнутого О-профиля (рис. 1). Далее осуществляется сборка трубы с помощью газовой сварки наружного шва трубы и четырех дуговой сварки внутреннего и внешнего швов трубы. После сварки необходимый диаметр трубы и улучшение поперечной округлости трубы достигаются с помощью экспандирования. Производственные дефекты стального листа и труб. Перед формовкой труб стальной лист правят на листоправильных машинах [1, 2, 6-12]. Дефект несплавления сварного продольного шва при сборке трубы изучался в работах [1, 2, 29], дефект «точка перегиба» при изгибе трубной заготовки на трубоформовочном прессе - в [1, 2, 31], дефект стального листа раскатной пригар с риской - в [1, 2, 32]. Остаточные напряжения в стенке заготовки после трубоформовочного пресса. Пусть b и h - длина и толщина трубной заготовки, rп - радиус формовочного ножа трубоформовочного пресса, ρ = rп + h/2 - радиус кривизны нейтральной линии стенки заготовки, σт и E предел текучести и модуль Юнга металла. Изгибающий момент при формовке равен где Пр и Пс - модули упрочнения при растяжении и сжатии. Остаточная радиус кривизны ρост заготовки после разгрузки определяется из уравнения где μ1 = const - коэффициент, учитывающий скорость деформации металла при формовке. Наибольшие остаточные напряжения равны Поперечное сечение бруса делится на две зоны - упругую и пластическую. Величина, определяющая границу этих зон, равна yт = εтρ = σтρ/E. Результаты вычислений показывают, что остаточные напряжения внутри стенки трубы могут достигать 79-81% от предела текучести металла трубы и в 1,63-1,66 раза больше остаточных напряжений на внешней и внутренней поверхностях трубы. Напряжения в стенке трубы при экспандировании. После формовки на кромкогибочном и трубоформовочном прессах труба имеет недостаточную округлость ее стенки, а «диаметр» трубы на 0,5-1,5 % меньше требуемого. Достижение требуемого диаметра трубы и максимальной ее округлости достигается с помощью технологической операции экспандирования. Пусть B - ширина листа, r1e = B/(2π) - «радиус» нейтральной линии стенки трубы перед экспандированием, r2e - максимальный внутренний радиус трубы при экспандировании и r3e - требуемый внешний радиус трубы после экспандирования (r1e < r3e < r2e). Пусть D1 = 2r1e +h - «диаметр» трубы до экспандирования. Максимальный внутренний радиус трубы при экспандировании определяется из уравнения: где μ2 = const - коэффициент, учитывающий скорость деформации металла при экспандировании. Максимальные окружные напряжения на нейтральной поверхности трубы только от экспандировании (без учета остаточных напряжений от изгиба заготовки на трубоформовочном прессе) равны Результаты расчета. Максимальные окружные напряжения в стенке трубы только от экспандирования (без учета остаточных напряжений от формовки заготовки на трубоформовочном прессе) для трубы диаметром D = 1420 мм (r3e =710 мм) из листа шириной B = 4365 мм (r1e =694,7 мм) с пределом текучести σт = 500 МПа превышают предел текучести металла. Поэтому внутри стенок экспандируемых труб могут возникать суммарные окружные напряжения (равные сумме нормальных остаточных напряжений от трубоформовочного пресса и окружных нормальных напряжений только от экспандирования) превышающие предел прочности металла трубы σв. Для рассмотренной выше трубы диаметром D = 1420 мм и толщиной стенки h = 21 мм из стального листа с пределом текучести σT = 500 МПа и пределом прочности σв = 600 МПа максимальная сумма остаточных напряжений после трубоформовочного пресса и экстремальных окружных напряжений при экспандировании внутри трубы равна 1,524 σв . На внутренней и внешней поверхностях той же трубы максимальные суммарные окружные напряжения соответственно равны 1,254 σв и 0,437 σв . В этом случае максимальные касательные напряжения внутри стенки трубы (на расстоянии yт от срединной поверхности стенки трубы в сторону ее внешней поверхности) и на ее внутренней поверхности станут больше половины предела прочности металла. По третьей теории прочности внутри стенок таких труб и на их внутренних поверхностях могут образоваться дефекты (отсутствующие на внешних поверхностях труб) - микротрещины и микрорасслоения металла, приводящие к заметному снижению предела выносливости (усталости) металла при циклических нагрузках.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.