РАСЧЕТ  ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ  ПАРАМЕТРОВ  И  НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО  СОСТОЯНИЯ  ТРУБНОЙ  ЗАГОТОВКИ  ПРИ  РАЗЛИЧНЫХ  РЕЖИМАХ  ЭКСПАНДИРОВАНИЯ  В  ЛИНИИ  ТЭСА  1420  ПРИ  ПРОИЗВОДСТВЕ  ТРУБ  БОЛЬШОГО  ДИАМЕТРА  ДЛЯ  ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ

Вдовин  Игорь  Владимирович

студент  6  курса,  кафедра  Технологии  и  оборудования  обработки  металлов  давлением,  Выксунский  филиал  НИТУ  МИСиС,  РФ,  г.  Выкса

E-mail:  igorvdowin@yandex.ru

Самусев  Сергей  Владимирович

научный  руководитель,  профессор  кафедры  ТОТП  НИТУ  «МИСиС»,  РФ,  г.  Москва

Электросварные  трубы  большого  диаметра,  предназначены  для  строительства  магистральных  газопроводов,  нефтепроводов  и  нефтепродуктопроводов,  рассчитанных  на  рабочее  давление  до  12,5  МПа  включительно,  в  том  числе  и  подводных.  Общая  потребность  в  трубах  большого  диаметра  складывается  из  спроса  труб  на  ремонт  и  реконструкцию  действующих  магистральных  трубопроводов  и  на  строительство  новых. 

На  ОАО  «Выксунский  металлургический  завод»,  входящий  в  ЗАО  «Объединенная  металлургическая  компания»,  впервые  в  отечественной  практике  труб­ного  производства  освоено  производство  одношовных  сварных  труб  диаметром  1420  мм  мето­дом  шаговой  формовки  (JCOE).  В  апреле  2007  года  ВМЗ  получил  сертификат  соответствия  труб  требованиям  стандарта  норвежской  компании  Det  Norske  Veritas  DNV-OS-F101  для  подводных  трубопроводных  систем.  Это  позволило  ОМК  в  сентябре  того  же  года  стать  единственным  российским  победителем  международного  тендера  на  поставку  280  тыс.  тонн  труб  диаметром  1219  мм  с  толщиной  стенки  30,9;  34,6  и  41,0  мм  для  строительства  подводного  участка  газопровода  «Северный  поток»  по  дну  Балтийского  моря.

Состоящий  из  двух  ниток  по  1224  км  газопровод  «Северный  поток»  (Nord  Stream)  соединит  Евросоюз  с  крупнейшими  в  мире  месторождениями  природного  газа.  Подводный  трубопровод  тянется  по  дну  Балтийского  моря  от  России  (Выборг)  до  Германии  (Грайфсвальд).  Общая  пропускная  способность  двух  линий  Nord  Stream  составит  55  миллиардов  кубометров  в  год.

Для  первой  нитки  газопровода  ВМЗ  с  мая  2008  года  по  октябрь  2009  года  произвел  и  отгрузил  280  тыс.  тонн  ТБД.  В  феврале  2010  года  ОМК  и  Nord  Stream  AG  заключили  контракт  на  поставку  200  тыс.  тонн  труб  размером  1153х34,6  мм  SAWL  485  I  FD  для  второй  ветки  газопровода.  Производство  труб  осуществлялось  в  период  с  мая  2010  года  по  апрель  2011  года  под  контролем  инспекций  Nord  Stream,  DNV  и  ВМЗ.

Трубы  изготавливают  на  двух  независимых  линиях  с  различными  способами  производства  —  UOE  (ТЭСА  1020)  и  JCOE  (ТЭСА  1420),  —  как  с  одним,  так  и  с  двумя  продольными  швами.

Линия  ТЭСА-1020  производит  трубы  диаметром  508  -  1067  мм  с  толщиной  стенки  от  7  до  32  мм  класса  прочности  до  К60  (Х70).  Проектная  мощность  —  1012  тыс.  тонн  труб  в  год.

Линия  ТЭСА-1420  производит  трубы  диаметром  508—1420  мм  с  толщиной  стенки  от  7  до  48  мм  класса  прочности  до  К65  (Х80),  с  рабочим  давлением  до  24,7  МПа  (250  атм.).  Проектная  мощность  при  производстве  труб  диаметром  1420  мм  —  950  тыс.  тонн  труб  в  год.

Целью  данной  работы  является  разработка  методики  определения  геометрических  параметров  и  напряженно-деформированного  состояния  (НДС)  при  калибровке  труб  большого  диаметра  способом  пошаговой  раздачи  на  гидромеханическом  экспандере.  Актуальность  темы  продиктована  отсутствием  научных  разработок  по  данному  процессу.

Технологическая  линия  по  производству  труб  в  линии  ТЭСА  1420  представлена  на  рисунке  1.  Основные  ее  участки:  участок  подготовки  листа,  участок  формовки,  включающий  пресс  подгибки  кромок,  пресс  шаговой  формовки,  сборку  и  сварку  технологического  шва,  и  гидромеханический  экспандер  (ГМЭ),  участок  гидроиспытаний,  контроля,  ремонта  и  отделки.

ГМЭ  является  завершающим  формообразующим  агрегатом,  от  которого  зависят  конечные  геометрические  параметры  трубы.

Рисунок  1.  Схема  технологической  линии  ТЭСА  1420

Он  выполняет  поэтапное  расширение  прямошовной  трубы  большого  диаметра.  Материал  трубы  подвергается  деформации  в  холодном  состоянии  сверх  предела  текучести,  что  приводит  к  остаточной  деформации  трубы.  Задача  экспандера  состоит  в  том,  чтобы  достичь  предписанной  в  спецификации  округлости,  прямолинейности  и  точности  размера  внутреннего  диаметра.

Рисунок  2.  Общий  вид  участка  гидромеханического  экспандера:  1  —  калибрующая  головка;  2  —  штанга;  3  —  цилиндр;  4,5,6  —  устройства  подъема  трубы;  7,8  —  поворотные  устройства;  9  —  клещевая  тележка;  10  —  труба;  11  —  поддерживающий  ролик;  12,  13  —  система  поддержки  поперечины

На  рисунке  2,  представлен  участок  гидромеханического  экспандера.  Рассмотрим  линию  экспандирования.  Труба  10  на  линию  экспандера  подается  тележкой  поперечной  транспортировки  труб.  Тележка  поперечной  транспортировки  перемещается  под  трубу  с  опущенными  подъемными  призмами.  С  помощью  телекамеры  и  дисплея  в  пункте  управления  сварной  шов  трубы  выверяется  относительно  паза  инструмента  экспандера  (в  позицию  12  часов)  поворотными  устройствами  7  и  8.  Выверенная  труба  поднимается  тремя  устройствами  4,  5,  6  подъема  трубы  со  сварным  швом  в  позиции  12  часов  до  оси  экспандера.  Подъем  осуществляется  гидравлически. 

При  включении  трубой  фотоэлемента  перед  головкой  экспандера  производится  расчет  длины  трубы.  Таким  образом,  длина  трубы  определена.  Рабочая  длина  инструмента  введена  оператором  с  перекрытием  прибл.  в  10  мм. 

Производится  расчет  числа  необходимых  шагов  с  округлением  на  целые  шаги  в  сторону  увеличения. 

Запускается  клещевая  тележка  9,  установленная  по  оси  экспандера.  Клещи  закрываются,  и  тележка  запускается  с  трубой  и  перемещает  ее  для  расширения  по  инструменту  экспандера.  Клещи  имеют  гидравлический  привод. 

Труба  перемешается  за  счет  клещевой  тележки  по  трем  подъемным  устройствам  на  инструмент  экспандера.  При  приближении  клещевой  тележки  устройство  подъема  трубы  4  опускается,  т.  к.  имеется  опасность  столкновения  с  клещевой  тележкой. 

Привод  клещевой  тележки  переключается  на  ползучий  ход.  При  включении  второго  фотоэлемента  привод  останавливается.  Кромка  трубы  10  находится  сейчас  в  открытых  клещах.  Начинается  процесс  экспандирования  первого  шага,  в  этот  момент  головка  1  экспандера  разводится  при  движении  поршня  цилиндра  3  влево,  а  при  окончании  данного  процесса  —  сводится  при  движении  поршня  вправо.  Клещевая  тележка  зажимает  трубу  и  подает  по  поддерживающему  ролику  11  и  подъемному  устройству  6  на  следующий  шаг.  Поддерживающий  ролик  работает  вхолостую,  когда  клещевая  тележка  перемещает  трубу  на  инструмент  экспандера. 

Для  последних  шагов  экспандера  труба  освобождается  разжатием  клещей,  и  привод  поддерживающего  ролика  осуществляет  дальнейшую  транспортировку  трубы.  Ролик  поворотной  системы  поддержки  поперечины  12  отводится  назад. 

При  окончании  экспандирования  по  всей  длине,  поддерживающий  ролик  возвращает  трубу  к  клещевой  тележке.  Клещевая  тележка  на  ускоренном  ходу  вместе  с  трубой  возвращается  в  исходное  положение.

Для  оценки  НДС  возникающего  в  стенке  трубной  заготовки  при  раздаче  были  использованы  две  методики.  Это  методика  В.И.  Феодосьева  и  методика  М.В.  Сторожева,  Е.А.  Попова.  Математический  аппарат  методики  В.И.  Феодосьева  состоит  из  ниже  приведенных  формул.

Давление:

,

где:  σ_т  —  предел  текучести  стали; 

β  =1,15  —  коэффициент,  учитывающий  возникающие  упрочнения  в  стали  при  пластической  деформации; 

δ  —  толщина  стенки  трубы; 

r  —  внутренний  радиус  трубы;

Радиальное  напряжение:

,

где:  R  —  наружный  радиус;

Тангенциальное  напряжение:

Радиальная  деформация:

,

где:  μ  —  коэффициент  Пуассона; 

Е  —  модуль  упругости.

Тангенциальная  деформация:

Осевая  деформация:

.

Математический  аппарат  методики  М.В.Сторожева  и  Е.А.Попова.

Давление:

Радиальное  напряжение:

Тангенциальное  напряжение:

Расчет  деформаций  производится  аналогично  методу  Феодосьева  В.И. 

При  расчете  НДС  для  трубной  заготовки  диаметром  1420  мм,  толщиной  стенки  26  мм  и  класса  прочности  К  60  были  получены  результаты  приведенные  в  таблице  1.  Эпюры  напряжений  изображены  на  рисунках  3,  4.

Рисунок  3.  Эпюры  напряжений  по  В.И.  Феодосьеву

Рисунок  4.  Эпюры  напряжений  по  М.В.  Сторожеву,  Е.А.  Попову

Таблица  1. 

Сравнение  значений  НДС  полученных  той  и  другой  методикой

В  заключение  работы  были  сделаны  следующие  выводы:  во-первых,  исходя  из  незначительной  разницы  в  значениях  НДС,  методики  можно  признать  равнозначными,  во-вторых,  равнозначность  методик  подтверждает,  что  оценка  НДС  при  раздаче  трубной  заготовки  является  верной.  Следовательно,  данные  способы  расчета  можно  использовать  в  реальной  технологии  с  целью  получения  труб  с  точными  геометрическими  параметрами. 

Список  литературы: 

1.Сторожев  М.В.,  Попов  Е.А.  Теория  обработки  металлов  давлением.  Учебник  для  вузов.  Изд.  4-е,  перераб.  и  доп.  М.:  «Машиностроение»,  1977.  —  423  с.

2.Феодосьев  В.И.  «Сопротивление  материалов»:  Учебник  для  вузов.  Изд.  9-е,  перераб.  М.:  Наука.  Гл.  ред.  Физ.-  мат.  Лит.,  1986.  —  512  с.