Исследование процессов трения и износа инструмента для пресса окончательной формовки на линии 1020.

ВВЕДЕНИЕ

Быстрорастущие темпы добычи природного газа в 1970-1980 годы диктовали необходимость строительства в стране сверхмощных трубопроводов высокого давления диаметром 1020 миллиметров. С целью сокращения закупок труб за рубежом Совет Министров СССР принял решение по организации такого производства на Выксунском металлургическом заводе.
Проект строительства данного производственного комплекса был объявлен Всесоюзной ударной комсомольской стройкой. Первоначально планировалось, что цех будет специализироваться на выпуске многослойных труб из тонколистового проката. В 1982 году была введена в эксплуатацию первая очередь цеха, рассчитанная на производство 250 тысяч тонн продукции в год. Тогда же началась серийная выпуск многослойных труб, что стало значимым событием на уровне всей страны. Однако эта продукция не нашла широкого признания среди потребителей, и в 1987 году Совет Министров СССР принял решение прекратить производство многослойных труб. В связи с этим цех был закрыт на реконструкцию в октябре того же года, чтобы организовать производство труб большого диаметра по технологиям, соответствующим международным стандартам.
В рамках подготовки производственных площадей было демонтировано около 10 тысяч тонн оборудования и 200 тысяч тонн железобетонных фундаментов. Были возведены новые технологические пролеты здания, а также разработано и установлено современное оборудование модели ТЭСА-1020.
В последний год существования СССР в Выксе вошёл в строй сверхсовременный трубоэлектросварочный цех №4 – самый совершенный технологический комплекс в советской трубной индустрии.
В 1992 году коллектив завода выпустил первую прямошовную одношовную трубу диаметром от 530 до 1020 мм, что ознаменовало новый этап в развитии предприятия. Благодаря этому достижению, Выксунский металлургический завод сохранил свою уникальную позицию в отрасли, став одним из крупнейших производителей стальных сварных труб большого диаметра в России [1].
В 1999 году завод вошел в состав Объединенной металлургической компании (ОМК), что позволило ему укрепить свои позиции на рынке и продолжить развитие. Сегодня АО «Выксунский металлургический завод» (АО «ВМЗ») является ведущим производителем стальных сварных труб большого диаметра и железнодорожных колес, входящим в состав трубных заводов «Большой восьмерки». [2].
Завод выпускает электросварные стальные трубы для магистральных газо- и нефтепроводов с наружным антикоррозионным и внутренним гладкостными покрытиями, а также нефте-, газо-, водопроводные и трубы общего назначения, профильные, обсадные трубы с различными видами резьб [3, 4].
В 2018 году было произведено 693161 тонн труб. Выпуск качественных труб диаметром 813 с толщиной стенки 22,23 мм (марка стали: L415M (проект) «Nooros/ElGamilPipeLineProject») в линии трубоэлектросварочного агрегата (ТЭСА 1020) трубоэлектросварочного цеха № 4 (ТЭСЦ-4) составил 6470 тонн.
В настоящее время трубы большого диаметра изготавливают на двух независимых линиях: «UOE» (ТЭСА-1020) и «JCO» (ТЭСА-1420).
Реализация проектов в период с 2006 по 2008 годы позволила значительно расширить производственные мощности цеха по изготовлению и нанесению антикоррозийного покрытия на трубы. Важнейшим этапом стала установка второго пресса шаговой формовки на линию ТЭСА-1420, что привело к увеличению годовой производительности данной линии с 570 до 950 тысяч тонн труб. В результате общая мощность комплекса достигла отметки в 2 миллиона тонн труб в год.
В 2009 году серьёзно была модернизирована линия 1020. Установка двух гидромеханических экспандеров для экспандирования труб по всей длине на ТЭСА-1020 сделала возможным производство труб с толщиной стенки до 32 мм и длиной до 12,4 метра со стабильными геометрическими параметрами.
Характеристики продукции ТЭСЦ-4 – электросварные прямошовные (одно- и двухшовные) трубы: диаметр – от 508 до 1420 миллиметров, толщина стенки – от 7 до 48 миллиметров.
Применение: магистральные газонефтепроводы, нефтепродуктопроводы и подводные трубопроводы.
Условия эксплуатации – в северной климатической зоне с температурой эксплуатации до минус 60 °С, в агрессивной сероводородной среде.
На Выксунском металлургическом заводе (ВМЗ) используется пошаговая технология производства сварных труб большого диаметра. Этот метод включает несколько этапов: подгибку кромок заготовки, предварительное формирование U-образного профиля на прессе и последующую окончательную формовку в O-образный профиль. Данная технология позволяет получать трубы диаметром до 1020 мм и толщиной стенки до 32 мм. Процесс начинается с одновременной подгибки продольных кромок заготовки с обеих сторон, после чего основная часть профиля формируется на прессе шаговой формовки. Затем заготовка собирается и сваривается технологическим швом на сборочно-сварочном стане, производится сварка внутренних и наружных рабочих швов, а труба поэтапно расширяется изнутри на экспандере [5].
Однако изготовление труб большого диаметра по пошаговому способу не всегда обеспечивает требуемого качества получаемых труб на стадиях формовки, поскольку пока отсутствуют методики расчета и рекомендации выбора деформационных режимов оборудования по участкам линии, недостаточно исследованы и изучены зависимости и механизмы формообразования заготовки, условия образования дефектов. Также этому способу характерна сложность прогнозирования и контроля параметров в процессе формовки трубной заготовки, получаемая переменная кривизна заготовки по всему сечению. Поэтому при переходе и освоении нового типоразмера труб сталкиваются с проблемами и ошибками прогнозирования деформационных режимов, приводящих к ряду геометрических дефектов трубной заготовки, получаемых на участках деформационной линии.
Дефект «крыша» на кромкогибочном прессе может возникать по нескольким причинам. Во-первых, из-за уменьшения заданной кривизны по всей ширине прикромочного участка. Во-вторых, из-за формирования зон с непостоянным радиусом вблизи кромки, где кривизна приближается к нулю. Кроме того, после сборки и сварки кромок на сборочно-сварочном стане этот дефект может проявляться, если на гибочном прессе была недостаточная глубина изгиба сегментов заготовки на начальных этапах формовки.
Смещение кромок по высоте и углу на кромкогибочном прессе часто связано со следующими факторами:
Сдвиг листа в зоне деформации;
Несинхронная работа гидропривода пресса;
Неравномерность механических характеристик материала по ширине листа.
На прессе шаговой формовки подобные дефекты возникают из-за различий в обработке левой и правой частей заготовки. Это включает неодинаковое горизонтальное смещение половин листа при подаче манипуляторами, разницу в механических свойствах и толщине материала, а также несовпадение режимов обжатия для левой и правой сторон.
На сборочно-сварочном стане смещение кромок часто вызвано некорректной настройкой роликовых балок, что приводит к нарушению их взаимного расположения по высоте и углу.
Дефект «плоское дно» формируется на завершающем этапе пошаговой формовки. Это происходит из-за специфики нагрузки на последнем шаге: обе половины листа изгибаются, из-за чего дно заготовки до финального нагружения опускается ниже нулевой линии. В результате центральный сегмент изгибается меньше, чем требуется по заданному ходу пуансона, что вызывает недоформовку нижней части и образование плоского дна.
Причины дефектов при формовке трубных заготовок:
1.Зависание заготовки на формовочном ноже (возникает из-за превышения критического уровня изгиба центрального сегмента заготовки на финальном этапе формовки).
2.Увеличенный зазор между кромками (причина: недостаточный ход пуансона в процессе шаговой формовки, что приводит к неравномерной обработке по ширине листа).
3.Повышенная овальность трубы перед экспандированием: на прессе шаговой формовки (неравномерное распределение глубины изгиба сегментов на разных этапах обработки); на сборочно-сварочном стане (некорректная пространственная настройка роликовых балок, влияющая на геометрию заготовки); на участке сварки (неравномерный нагрев зон возле кромок, приводящий к их деформации при остывании и разгрузке заготовки перед экспандированием).
Причинами вышеперечисленных дефектов могут стать трение и износ инструмента для пресса окончательной формовки на технологической линии ТЭСА 1020 для производства труб линии 1020, предназначенного для предания U-образной заготовке цилиндрической формы при производстве сварных труб большого диаметра.
Целью данной работы является исследование процессов трения и износа инструмента для пресса окончательной формовки на технологической линии ТЭСА 1020 для производства труб большого диаметра.
Актуальность работы заключается в необходимости повышения качества получаемых по пошаговому способу труб большого диаметра, что можно обеспечить выявлением условий и причин образования дефектов на разных стадиях формовки.
















1 ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
1.1 Краткая характеристика производства

В составе дивизиона труб большого диаметра в АО «ВМЗ» (рисунок 1) располагаются две линии (ТЭСА-1020 и ТЭСА-1420) для производства труб большого диаметра и линии антикоррозионных покрытий.

Рисунок 1 – Выксунский металлургический завод

Линия ТЭСА-1020 производит трубы диаметром 530 мм с толщиной стенки 8 мм класса прочности до К60. 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). Мощность при производстве труб диаметром 1420 мм - 950 тыс. тонн труб в год.
Таким образом, трубы производятся на двух независимых линиях с различными способами производства – UOE (ТЭСА 1020В) и JCOE (ТЭСА 1420).
Сортамент продукции ТЭСА 1020 позволяет производить трубы стальные электросварные прямошовные диаметром 530 мм, стойкие против сероводородного растрескивания, которые должны соответствовать требованиям настоящих технических условий.
Технологические процессы производства труб и используемое производственное оборудование соответствуют современным мировым стандартам и созданы с учетом последних научно-технических достижений как отечественной, так и зарубежной промышленности в области сварки труб.
Электросварные прямошовные трубы с одним продольным швом диаметром 530 мм и толщиной стенки 8 мм производятся из сталей классов прочности от К38 до К60, предназначенных для использования в магистральных газопроводах и нефтепроводах. Эти трубы способны выдерживать рабочее давление до 100 атмосфер, включая специальные исполнения для северных регионов. Технические возможности позволяют изготавливать трубы, способные выдерживать рабочее давление вплоть до 250 атмосфер.
В таблице 1 приведены диаметры и соответствующие им толщины стенки труб, производимых в линии.











Таблица 1 - Сортамент труб, производимый ТЭСА 1020
Нормативный документ Диаметр, мм Толщина стенки, мм Класс прочности, марка стали Область применения

ТУ 14-ЗР-45-2001
530-1020
ст. 8,0-16,0
К54 Для строительства магистральных, в том числе надземных, газопроводов давлением 5,4 МПа с температурой эксплуатации до –60 °С

ТУ 1381-011-48124013-2003
530-1020
ст. 8,0-16,0
К52 (09ГСФ) Для сооружения технологических и промысловых трубопроводов на рабочее давление до 7,4 МПа, транспортирующих нефть и нефтепродукты, содержащие сероводород, а также предназначенные для нанесения наружного и внутреннего антикоррозийного покрытия

ТУ 1303-006.2-593377520-2003
530-1020
ст. 8,0-25,0 К48–К56 (20Ф, 09ГСФ, 13ХФА,
15ХМФА,
08ХМФЧА) Для сооружения технологических и промысловых трубопроводов, транспортирующих нефть, нефтепродукты, пресную и подтоварную воду на рабочее давление до 7,4 МПа, повышенной эксплутационной надежности, коррозионно- стойкие и хладостойкие

ТУ 1381-073-05757848-2014
530-1220
ст. 8,0-30,0
09ГСФ, 13ХФА Трубы стальные электросварные прямошовные наружным диаметром 530—1220 мм для обустройства месторождений АО «НК «Роснефть»