8.3. Процессы формовки трубной заготовки

Одной из основных операций всех технологических процессов производства сварных труб является формовка трубной заготовки - сворачивание плоской заготовки (листа, ленты, штрипса) в цилин­дрическую трубную. Процесс формовки заготовки требует по срав­нению с прошивкой (основной операцией в производстве бесшов­ных труб) значительно меньших энергозатрат, что определяет эко­номичность производства сварных труб.

Формовка трубной заготовки может осуществляться при обыч­ных температурах металла и с предварительным нагревом. В соот­ветствии с этим различают холодную и горячую формовку. Холод­ая применяется во всех процессах электросварки труб; горячая - при печной сварке труб.

Холодная формовка заготовки может производиться с образованием щели между свариваемыми кромками по образующей (обычная формовка) или по спирали (спиральная формовка). В зависимости от размеров и назначения заготовки и труб, применяемого метода сварки для обычной холодной формовки (с продольной щелью между кромками) может применяться различное оборудование: гибочные вальцы, прессы и непрерывные валковые станы (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Схемы различных способов формовки труб:

а - валковая формовка труб (1 - формуемая полоса, 2 - валки горизонтальной клети, 3 - валки вертикальной клети); б - формовка труб в трехвалковых и четырехвалковых вальцах (1 - формуемый лист, 2 - подвижной валок; 3 - не­подвижный валок); в - формовка труб в прессах (1 - верхняя траверса с пуан­соном, 2 - формуемый лист, 3 - нижняя траверса с постелью); г - формовка труб со спиральным швом (1 - формуемая полоса, 2 - задающее устройство, 3 - направляющие ролики - вертикальные и горизонтальные; 4 - валки фор­мовочного устройства, 5 - оправка, 6 - сформованная труба, 7,8- точки при­ложения соответственно наружного и внутреннего сварочных швов)

Формовка в горячем состоянии применяется при непрерывной печной сварке труб, и производят ее в приводных валках. В результате высокой пластичности нагретого металла формовка возможна в двух парах валков с малой длиной очага формовки (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Схема формовки трубной заготовки в горячем состоянии:

1 - штрипс; 2 - сопла для первичной обдувки кромок воздухом; 3 - первая (формующая) пара вертикальных вал­ков; 4 - вторая горизонтальная (сва­рочная) пара валков; 5 - сопло для вторичной обдувки кромок

В первой формовочной клети с вертикальными валками нагретый штрипс сворачивается на 200 - 280°. Во второй (сварочной) клети с горизонтальными валками штрипс сворачивается до соприкосновения кромок, которые сдавливаются с относительным обжатием 2 - 13% и свариваются.

Таким образом, формовка и сварка трубы осуществляются при прохождении нагретого штрипса через формовочно-сварочный узел, состоящий из двух вертикальных и двух горизонтальных валков.

За формовочно-сварочным узлом устанавливают четыре пары валков с круглыми и овальными калибрами, которые обеспечивают создание усилия, необходимого для протаскивания штрипса через печь и формовочный калибр, а также служат для редуцирования трубы с целью повышения качества шва и увеличения производительности.

При выборе обжатия в сварочном калибре необходимо учиты­вать тонкостенность труб и связанную с ней возможную потерю устойчивости трубы в калибре. Рекомендуется следующая зависимость предельного относительного обжатия по диаметру (𝜀 = Δd/d) при d/S_ш < 30:

где d - диаметр сварочного калибра или начальный диаметр трубы после свертки штрипса; Δd - обжатие по диаметру в сварочном ка­либре; S_ш - толщина штрипса.

При обжатии выше определенного значения нарушаются нормальные условия доформовки штрипса и происходит частичная потеря кромками устойчивости, что приводит к ухудшению качества

Рассматривая процесс горячей формовки, можно выделить четыре очага формовки (рис. 8.5): внеконтактную до входа штрипса в валки первой клети l₁; контактную в первой клети l₂; внеконтактную между двумя клетями l₃; контактную (до соприкос­новения кромок) во второй клети l₄.

Напряженное со­стояние полосы при непрерывной горячей формовке в валках характеризуется сочетанием напряжений от статического изгиба по­лосы и напряжения­ми, возникающими в результате скоростной прокатки с натяжени­ем.

Рис. 8.5. Схема очага деформации при горячей валковой формовке

До начала формов­ки плоский участок штрипса испытывает лишь напряжения от натяжения в печи и тянущего усилия стана. В момент начала формовки происходит подгибка кромок и подъем середины формуемого штрипса. Фор­мовка начинается еще до контакта штрипса с валками первой (формовочной) клети. В этой внеконтактной зоне деформации вдоль кромок штрипса возникают растягивающие напряжения од­новременно с сжимающими напряжениями по поперечному сече­нию. При соприкосновении с валками кромки подгибаются под действием поверхности формующего калибра, что вызывает допол­нительные растягивающие напряжения в них.

Растягивающие напряжения в кромках приводят к деформации относительного удлинения, которое достигает наибольшей величи­ны на втором участке очага формовки и составляет 2% при общем относительном удлинении кромок в очаге не более 2,3 - 5%. В пер­вой (формовочной) клети угол сворачивания при малых межклете­вых расстояниях составляет 270 - 280°, а при больших - 200 - 220°.

Относительное удлинение кромок можно определить из выра­жения:

где S_Д - длина вертикальной проекции дуги, которая описывает точка на кромке S_Д = 1,27В; В - ширина штрипса; L - длина участка, на котором определяют относительное удлинение кромок.

Длину зоны контактной формовки l₂ и длину зоны внеконтактной формовки l₃ определяют размерами валков и расстоянием между клетями. Длина зоны l₁ внеконтактной деформации штрипса толщиной S определяется формулой

Холодную формовку трубной заготовки осуществляют гибкой на вальцах, прессах и непрерывных валковых станах (см. рис. 8.3).

Формовку в вальцах осуществляют при производстве дуговой сваркой под слоем флюса сравнительно коротких труб (длиной 6 - 9 м) большого диаметра (более 426 мм) из листов. При гибке в вальцах лист изгибается между тремя или четырьмя валками. В трехвалковых вальцах верхний валок имеет больший (в 1,5 раза) диаметр, чем нижние валки. Его установкой относительно нижних валков регулируется диаметр формуемой заготовки; диаметр верхнего валка определяет минимальный диаметр формуемой заготов­ки. Лист изгибается в вальцах последовательно несколько раз до получения заданной формы.

При формовке в трехвалковых вальцах практически невозмож­но получать заготовку строго цилиндрической формы, так как края листа на участке, равном половине расстояния между холо­стыми, остаются прямолинейными. При формовке в четырехвалковых вальцах за счет соответствующей установки крайних холо­стых валков получают заготовку более правильной формы. Для улучшения геометрической формы трубной заготовки применяют также предварительную формовку краев заготовки на валковом формовочном стане или прессе или, наоборот, последующую до-формовку плоских участков на валковом стане.

Формовку трубной заготовки на гидравлических прессах при­меняют главным образом при массовом производстве труб большо­го диаметра (более 426 мм) из листов дуговой сваркой под слоем флюса. Формовка может производиться как в одну цилиндрическую заготовку, так и в две полуцилиндрические заготовки при сварке труб из двух листов (рис. 8.6).

Формовка в валковых станах применяется при производстве прямошовных и спиральношовных сварных труб различных типо­размеров.

При производстве спиральношовных труб трубную заготовку (лист) формуют путем пластического изгиба полосы в плоскости, положенной под некоторым углом 𝛼 к продольной оси листа (см. рис. 8.3, г).

В jiD_T'

Рис. 8.6. Последовательность технологиче­ских операций при формовке трубной заго­товки на прессах при производстве труб с одним (а) и двумя (б) прямыми швами и на С-образных прессах (в, г): в - на пер­вом прессе, г-на втором прессе

Ширина полосы, спи­рально свернутой в трубу с периметром L, равна

. Угол подъема спирали, называемый углом формовки, опре­деляется по формуле:

Таким образом, из поло­сы шириной В можно пол­учить трубы различного диа­метра, свертывая ее в спи­раль под различными углами 𝛼. От выбора угла формовки при производстве спиральношовных труб существенно зависят прочностные свойст­ва и технико-экономические показатели. Оптимальный угол формовки находится в диапазоне 𝛼 = 40 – 66°, т.е. при отношениях ширины по­лосы к диаметру трубы в пределах 2,35 - 1,25.

При производстве труб большого диаметра иногда применяют формовку заготовки не на прессовом оборудовании, а на специаль­ных формовочных станах - формовка на непрерывном формовоч­ном стане. С применением непрерывной валковой формовки рабо­тают некоторые ТЭСА для производства прямошовных сварных труб большого диаметра на Харцизском трубном заводе (Украина), в США и Японии.

На рис. 8.7 показана схема валковой формовки листовой заго­товки в трубу большого диаметра, применяемая на заводе фирмы "Сумитомо киндзок коге" в г. Вакаяма (Япония). В качестве ис­ходной заготовки применяют листы толщиной 6-152 мм, шириной до 4050 мм, длиной до 20 м и максимальным весом до 18 т-Формовку таких листов производят на девятиклетевом формовоч­ном стане. Клети I и II находятся в одном комплексе. Кромки сформованной в клетях I - VII заготовки свариваются между VII и IX клетями токами радиочастотной частоты (450 тыс. Гц) контакт­ным способом со скоростью до 10 м/мин.

По данным фирмы применение такого спо­соба формовки позво­ляет изготовлять тру­бы любой длины и значительно упростить сварку шва под слоем флюса двухдуговыми головками со скоро­стью 2 м/мин.

Рис. 8.7. Схема валковой формовки трубной заго­товки на заводе "Сумитомо киндзок коге" (Япония):

I - IX - номера клетей; 1 - траверса, общая для клетей III-VII; 2 - ролик с длиной бочки, постоян­но уменьшающейся по клетям; 3 - шовосжимающие ролики; 4 - ролики оправки

При производстве сварных труб малого и среднего диаметра из листовой заготовки в рулонах наиболее современным способом формовки трубной за­готовки является непрерывная формовка на многоклетьевых валковых станах. Плоская лента, проходя через валки трубоформовочного стана, сворачивается в круглую трубную заготовку в калибрах, радиус кривизны которых постепенно уменьшается. Зазор между кромками полосы расположен в верхней части заготовки. Формовочный стан включает 6-11 горизонтальных приводных и 6- 8 вертикальных холостых валков. Вертикальные валки предназначены для предотв­ращения распружинивания трубной заготовки, но иногда их ис­пользуют и для увеличения деформации гиба.

Последовательность операций формовки на непрерывных валковых станах определяется выбранными условиями изгиба полосы, обеспечивающими технологичность процесса и минимальные на­пряжения в полосе.

В первых формовочных клетях применяют калибры открытого, последних - закрытого типа. Верхние валки клетей с закрытыми калибрами имеют направляющие шайбы, которые удерживают трубную заготовку от проворачивания и обеспечивают правильное ее вхождение в сварочную клеть.

При формовке трубной заготовки на непрерывных валковых станах в отличие от формовки на прессах или в вальцах деформирующий инструмент формует лишь участок полосы определенной длины, следовательно, неизбежно наличие переходной зоны от одного профиля к другому. В этом случае всегда имеет место неравномерная деформация продольных элементов полосы, причем элементы, находящиеся у кромок, испытывают максимальное растяжение. Неравномерность деформации продольных элементов уменьшается с увеличением длины переходной зоны, а отсутство­вать может лишь при бесконечной длине зоны деформации.

Относительное удлинение кромок полосы в результате растя­жения при формовке зависит от калибровки валков, числа рабочих клетей и расстояния между ними. Рассматривая формовку полосы как непрерывный процесс, когда длина очага деформации равна длине формовочного стана, Б. Д. Жуковский предложил опреде­лять относительное удлинение кромок по формуле:

где L_П - длина проекции кромки на вертикальную ось; L_С - длина формовочного стана.

После несложных преобразований:

где L_П = 2,25D_T, когда линия формовки совпадает с дном трубы. Тогда

Если при формовке исходить из условия деформации кромок в упругих пределах, то для сталей 10 должно быть принято 𝛿 = 0,1%, а для среднеуглеродистых сталей 𝛿 = 0,3%.

В зависимости от допускаемого относительного удлинения кро­мок длина формовочного стана изменяется в следующих пределах:

При расчетах рекомендуется принимать длину формовочного стана (по Б. Д. Жуковскому), равную L_c = (40 - 50)D_{T макс}.

Значительное относительное удлинение кромок в формовочных клетях допустимо потому, что последующая деформация ленты в закрытых калибрах позволяет устранять образовавшиеся в первых клетях гофры.

Число формовочных клетей N определяется конструкцией ста­на и наименьшим расстоянием L_K между клетями: N = L_С /l_K.

На практике для труб средних и особенно больших размеров длину формовочного стана и число клетей принимают меньшими, чем получается по приведенным формулам.

На рис. 8.8 приведены кривые для определения оп­тимальных радиусов свора­чивания полосы в зависимо­сти от отношения l_П /L_Ф (l_П - расстояние от начала очага формовки до данной формо­вочной клети; L_Ф - расстоя­ние от вертикальной плоско­сти, пересекающей ленту в точках, где начинается де­формация, до вертикальной плоскости, где процесс фор­мовки закончен). Б. Д. Жу­ковский предложил формулу и кривую распределения де­формации по клетям (кривая 1 на рис. 8.8).

Рис. 8.8. Кривые радиусов сворачивания полосы:

1 - по данным П. Т. Емельяненко и Б. Д. Жуковского; 2 – по данным Ю.М. Матвеева и Я.Л. Ваткина; 3 – по экспериментальным данным для труб с обычным отношением толщины стенки к диаметру; 4 - для тонко­стенных труб из углеродистой стали и обыч­ных из легированных сталей

Ю.М. Матвеев рекомендует равномерное распределение деформаций по клетям, когда радиус нейтральной линии в каждой клети равен

гда п - порядковый номер первой клети с шовнаправляющей шай­бой; i - порядковый номер данной клети; R_T - радиус трубы.

Центральный угол определяется по формуле

При помощи приведенных кривых можно рассчитать оптималь­ную калибровку валков, обеспечивающую минимальное относи­тельное удлинение кромок.

В последние годы разработаны новые способы формовки, час­тично или полностью устраняющие недостатки, связанные с неравномерным распределением продольных деформаций по длине формуемой полосы. Это достигается при помощи изгиба нейтрального сечения формуемой трубной заготовки, который достигается специальной установкой клетей формовочного стана.

Ю.М. Матвеевым разработан метод аналитического расчета и моментов, возникающих при различных способах формовки. Суть метода базируется на представлении процесса формовки как изгиба листа, находящегося на двух опорах, сосредоточенной нагрузкой (рис. 8.9). Когда лист неподвижен, его пластическая деформация начинается при достижении изгибающим моментом величины

где L, S - длина и толщи­на формуемой заготовки; σ_т - предел текучести ма­териала; W_пл - момент сопротивления пластиче­скому изгибу.

Рис. 8.9. Схема изгиба листа при формовке (Ю.М. Матвеев):

а - схема действующих сил; б - эпюра момен­тов; в - распределение напряжений при непод­вижном листе; г - распределение напряжений при движущемся листе; д - изменение радиуса изгиба при неподвижном (7) и движущемся (2) листе

Пластическая дефор­мация начинается в точке соприкосновения металла с верхним валком. У ниж­них валков пластическая деформация в листе не возникает.

Участки, где пласти­ческая деформация отсут­ствует, определяются по формуле:

Радиус кривизны р_т изгибаемого листа в сечении, соответствующем началу пластиче­ской деформации (х_Т):

р_Т = S(E/𝜎_T).

На участках изгибаемого листа, расположенных от нижних ро­ликов на расстоянии меньшем х_Т, пластическая деформация отсут­ствует, а остальные деформации имеют место только на участке длиной менее (l_оп - 2х_Т).

Распределение напряжений по толщине изгибаемого листа на участке упруго-пластического изгиба таково, что на расстоянии S_T по обе стороны оси листа происходит упругая деформация, а от S_T по наружной и внутренней поверхности - пластическая деформа­ция (см. рис. 8.9, в). На границе зон упругой и пластической деформации напряжения равны пределу текучести металла:

где р - радиус изгибаемой заготовки в рассматриваемом сечении. Изгибающий момент в любом сечении

Из этого равенства определяется радиус кривизны в любом се­чении на участке упруго-пластической деформации. После оконча­ния изгиба радиус р увеличивается вследствие пружинения метал­ла. Остаточный радиус R на основании теоремы А. А. Ильюшина о разгрузке равен:

При движении листа в сечениях опор (нижних валков) возни­кают различные деформации:

в сечении а – а

в сечении е – е

где М_а - момент в сечении а - а; М - максимальный момент в се­чении е - е; М_d - момент в сечении d-d.

Кривизна листа достигает максимума в середине расстояния между нижними валками (см. рис. 8.9, д) и постепенно уменьша­ется, сохраняя значительную величину у второй опоры. При отсут­ствии упрочнения изгибающий момент от действия внутренних сил для очага деформации:

Усредненный изгибающий момент внешних сил:

где b_Н - ширина полосы.

Полагая, что усредненный изгибающий момент сил, действую­щих со стороны валков, равен моменту внутренних сил сопротив­ления металла изгибу на участке очага деформации l_Д, значение средней величины усилия формоизменения будет равно:

Принимая, что усилие Р_ср приложено посередине длины очага деформации, крутящий момент для двух валков будет определяться:

Значение длины очага деформации определяется из геометри­ческих соотношений и соответствует расстоянию от момента встре­чи металла с валками до линии центров валков

где r_Н – радиус калибра нижнего валка.

и энергосиловые параметры горячей формовки полосы в валках первой клети:

- удельная механическая работа, затрачиваемая на изгиб,

где l_ф - расстояние от начала формовки до оси валков первой кле­ти;

l_ф = l₁ + l₂ ; d_ф - диаметр калибра; σ_т - предел текучести ме­талла;

- крутящий момент в первой клети

где R_K - катающий радиус.

Полное усилие и давление металла на валки определяются ис­пользованием общих закономерностей прокатки труб в круглых калибрах, изложенных в гл. 4.