ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

В результате анализа процессов формовки листовой заготовки при различных схемах: в вальцах (схема RBE), на прессах (схема UOE)  и шаговой формовки (схема JOE) показано, что в отечественной и зарубежной практике производства труб большого диаметра для прокладки  морских трубопроводов применяется схема JOE. Выполнено математическое моделирование процессов пластического формоизменения листовой заготовки по схеме JOE на кромкогибочном прессе и прессе шаговой формовки и калибрования сварной О-образной трубной заготовки на  механическом экспандере с использованием программного комплекса Deform 3D. Представлены результаты математического моделирования напряженно-деформированного состояния металла в трубных заготовках и готовых трубах по всему технологическому переделу производства труб  большого диаметра. Показано, что пластическое состояние сформованных J-образных листовых заготовок на прессовом оборудовании и при калибровании труб характеризуется неравномерностью напряженно-деформированного состояния (НДС) металла. Приведены численные результаты распределения эквивалентных напряжений и интенсивности деформации на наружной поверхности трубы типоразмера Dт×Sт = 720×22 мм  класса прочности К56. Показано, что участки трубы с большей неравномерностью НДС характеризуются повышенными значениями остаточных напряжений и деформаций, поэтому в этих областях отмечено увеличение диаметра и овальности трубы относительно среднего значения.  Результаты проведенных экспериментальных исследований остаточных напряжений после экспандирования труб, изготовленных на ТЭСА 1020  и ТЭСА 1420 убедительно подтверждают  не равномерный  характер распределения НДС в поперечном сечении ТБД: в сварном шве σост достигают величины +220  МПа (схема JOE) и  +150  МПа (схема UOE), что составляет (0,3 – 0,4)σт тогда как  в металле трубы  σост  =  +40…45  МПа.  Численные расчеты по методу конечных элементов (МКЭ) модели значений овальности трубы после экспандирования при различных начальных геометрических размерах сформованных листовых заготовок подтверждаются данными физического измерения геометрических размеров  на установке автоматического контроля. По результатам моделирования  установлено, что для строительства подводного  газопровода, согласно  нормативной документации, требуемая  геометрическая форма трубы и  точность размеров внутреннего диаметра ТБД достигается при экспандировании заготовки с величиной овальности не более 5 мм. При этом обеспечивается качественная сборка и  сварка кромок соединяемых труб   в линии трубопровода. Приведенные результаты компьютерного моделирования по МКЭ модели напряженно-деформированного состояния пластического формоизменения заготовки-трубы при изготовлении по схеме JOE необходимо учитывать при расчете технологических параметров  формовки трубной заготовки, калибровке инструмента и режимов настройки прессового оборудования.

математическое моделирование,  параметры напряженно-деформированного состояния металла,  формовка,  листовая заготовка,  калибрование труб,  экспандер,  сварные трубы большого диаметра

1. Мазур И.И., Иванцов О.М. Безопасность трубопроводных систем. – М.: ИЦ «ЕЛИМА», 2004. – 1104 с.

2. Эфрон Л.И. Металловедение в «большой» металлургии. Трубные стали. – М.: Металлургиздат, 2012. – 696 с.

3. Осадчий В.Я., Коликов А.П. Производство и качество стальных труб. – М.: МГУПИ, 2012. – 370 с.

4. Урядов Р.В., Христофоров А.С. Применение трехвалковой листогибочной машины и установок роликов догибки кромок для производства прямошовных сварных труб большого диа метра с соотношением диаметр/толщина стенки менее 30: Сб. тр. «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. С. 414 – 422.

5. Zvonarev D.Yu., Osadchii V.Ya., Romantsov A.I., Kolikov A.P. Shaping of Sheet to Produce Large-Diameter Welded Pipe // Steel in Translation. 2016. Vol. 46. No.

6. P. 443 – 446. 6. Дерикс В., Гензер Б. Новые технологии экономичного и гибкого производства труб большого диаметра: Тр. XIII Междунар. науч.-практ. конф. «Трубы-2005». Ч. 1. – Челябинск: ОАО «РосНИТИ», 2005. С. 105 – 108.

7. Wen S.W., Hilton P., Farrugia D.C.J. Finite element modeling of a submerged arc welding process // Journal of Materials Processing Technology. 2001. Vol. 119. P. 203 – 209.

8. Kishiguchi T., Hosoda H., Ikuno Y . Pipe end round equipment and control system (PERFECTS) // Chin-Niittetsu-Sumikin Engineering Gino. 2013. No. 4. P. 39 – 45.

9. Katsumi M., Kenji O. Steel Products for Energy Industries // JFE Tech nical Report. 2013. Vol. 43. No. 18. P. 1 – 11.

10. Звонарев Д.Ю. Совершенствование процессов подгибки кромок и шаговой формовки сварных труб большого диаметра для обеспечения высокой точности размеров и форм: Дис…. канд. техн. наук. – Челябинск: ЮУрГУ, 2015. – 166 с.

11. Галкин В.В., Чебурков А.C., Пачурин Г.В. Оценка напряженнодеформированного состояния металла трубных заготовок, изготовленных пошаговой формовкой, методом математического моделирования // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 2. С. 114 – 115.

12. Коликов А.П., Звонарев Д.Ю., Таупек И.М. и др. Математическая модель пластического формоизменения листовой заготовки для изготовления сварных труб большого диаметра. Сообщение 2 // Изв. вуз. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 9. С. 615 – 621.

13. Селезнев В.Е., Алешин В.В., Прялов С.Н. Основы численного моделирования магистральных трубопроводов. – 2-е изд., перераб. и доп. / Под ред. В. Е. Селезнева. – М.: МАКС-Пресс, 2009. – 436 с.

14. Компьютерное моделирование процессов обработки металлов давлением. Численные методы / В. Н. Данченко, А. А. Миленин, В. И. Кузьменко, В. А. Гринкевич. – Днепропетровск: Системные технологии, 2005. – 448 с.

15. Богатов А.А., Нухов Д.Ш., Пьянков К.П. МКЭ-моделирование процесса толстолистовой прокатки. Анализ неоднородности напряженно-деформированного состояния в очаге деформации: Сб. тр. «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. С. 185 – 189.

16. Звонарев Д.Ю. ZV JCO: Свидетельство о государственной ре гист рации программы для ЭВМ № 2013660023; заявл. 27.08.2013; опубл. 20.12.2013.

17. Коликов А.П., Звонарев Д.Ю. Моделирование процесса экспандирования сварных труб большого диаметра. Сталь, 2017. № 3. С. 41 – 43.

18. Kolikov A.P., Leletko A.S., Matveev D.V . etc. Stress in welded pipe // Steel in Translation. 2014. Vol. 44. No. 11. Р. 808 – 812.