Публикации

Моделирование процесса производства трубы

Каждый знает, что трубопроводы делают из труб, а стальные трубопроводы, соответственно, — из стальных труб. В статье рассказывается о математических методах моделирования процесса производства стальных труб.

Ведущий эксперт группы компьютерного моделирования

По способу производства трубы бывают бесшовными или со сварными швами. Бесшовные трубы как следует из названия являются цельными изделиями, не содержащими сварных соединений. Сварные трубы в свою очередь делятся на прямошовные и спиралешовные.

По типу производства плоской заготовки, трубы изготавливают из горячекатаной и холоднокатаной стали.

В нашей группе предприятий производят только прямошовные сварные трубы. Далее мы расскажем о нашем опыте моделирования технологических операций, используемых в ходе производства данного типа труб, а именно, о валковой формовке труб, формовке труб большого диаметра (ТБД) прессованием и вальцеванием.

Валковая формовка — это постепенная загибка плоской заготовки (штрипса) в трубу при прохождении валков или клетей.

Максимально простая концепция — с помощью калиброванных роликов штрипс постепенно сворачивается в трубу заданного диаметра, но в этом процессе есть множество нюансов.

Например, если пары валков (клети) будут расположены слишком близко друг к другу, то по кромке пластические деформации значительно превзойдут деформации в остальных участках штрипса по ширине. Что в свою очередь приведет к волне в месте сварного шва (если он вообще получится), что в равиоли или других мучных изделиях смотрится красиво, но в трубе — недопустимо. С другой стороны, увеличение межклетьевого расстояния гарантированно убережет продукцию от такого рода дефектов, но значительно увеличит протяженность всего агрегата. Поиску оптимального значения межклетьевого расстояния посвящено большое количество научных работ, сформированы рекомендации, основанные на мировом опыте и практическом использовании сотен агрегатов по всему миру, производящих сварные трубы диаметром от 10 мм.

Если процесс уже изучен, а в мире столько работающих и явно справляющихся со своей задачей агрегатов и технологов, зачем же тут нужны столь затратные расчёты?

Проектирование каждого агрегата ведется с учетом производства определенного, ограниченного сортамента профилеразмеров. Например, тип или марка агрегата ТЭСА 21-89 означает, что на этом трубоэлектросварочном агрегате можно производить сварные прямошовные трубы диаметром от 21 мм до 89 включительно. Толщина стенки тактично умалчивается, но она лежит в диапазоне от 1 до 10 мм и зависит от диаметра трубы. Каждый подобный агрегат спокойно может работать довольно продолжительное время — по 50-60 лет. За это время требования рынка сильно меняются, инженерная мысль не стоит на месте и вот уже здания не из стекла и бетона, а из стальных сварных конструкций и пластика. Помимо этого, ежегодно разрабатываются новые марки стали, превосходящие по механическим характеристикам своих предшественников. А что делать с диаметром 20 или 90 мм, так ли уж невозможно их производство на имеющемся агрегате? Каковы риски при попытке задать штрипс из новой стали? На эти вопросы как раз и может помочь найти ответ имитационное моделирование.

Моделирование любого процесса начинается с построения базовой модели процесса, который отработан и стабилен. Затем сравнивают результаты моделирования и физического процесса — верификация модели. Чтобы убедиться в надежности, базовую модель строят на несколько различных профилеразмеров или марок стали и если результаты так же сходятся с физическими — можно говорить о том что модель валидна и надежна. После того как мы убедились в достоверности результатов, приступаем к отработке гипотез — замена стандартного материала на инновационный с последующей оценкой стабильности процесса по нагрузкам на инструменте; изменение геометрии инструмента и получение нового профилеразмера; изменение геометрии заготовки без изменения геометрии инструмента с последующей оценкой качества получаемого профиля и т.д.

Рис. 1 — Трубоэлектросварочный агрегат

На валидированной модели можно отрабатывать как комплексные гипотезы, так и влияние одного отдельно взятого параметра на весь процесс.

Например, можно проследить как на конкретном профилеразмере будет влиять радиус подгиба кромки в первой клети на схождение кромок в сварочной клети и стабильность самого процесса сварки. Или оценить изменение энергосиловых параметров и конечные свойства в трубе от применения различных марок стали для исходного штрипса. Эти задачи требуют значительных расчетных ресурсов, так как каждый раз нужно провести полный качественный расчет на новых исходных данных. При этом во второй задаче значительную роль будет играть качество исходных данных, а в частности — модели материала.

Модель материала стали может быть как самой простой — модуль Юнга, предел текучести, плотность, так и особенно усложненной, учитывающей характер разрушения материала, механику упрочнения и разупрочнения от действия знакопеременной нагрузки, зависимость этих свойств от температуры и скорости деформации.

В доступных всем СТО, ТУ и ГОСТ как правило механический свойства проката определяются либо одной из границ (верхняя или нижняя), либо диапазоном и в лучшем случае указано предел текучести, предел прочности и удлинение. По двум точкам можно построить только прямую, что будет очень условно отражать характер деформирования в ходе прокатки (подробнее здесь).

Как это может сказаться на результатах моделирования, читайте в следующей части.

Прямошовные трубы большого диаметра валковой формовкой производить нецелесообразно, поэтому наибольшее распространение получили способы постепенной формовки заготовки штампами, формовка на вальцах и UOE процесс.

Рис. 2 — Схема формовки трубной заготовки

Каждый способ производства обладает рядом преимуществ и недостатков, существует и некоторое условное разграничение по сортаменту типоразмеров и назначения труб для каждой схемы.

Так, например, применяют многопозиционную формовку на прессах (схема а). Формовка заготовки производится постепенным изгибом листа штампами, начиная с одной из его кромок.

За каждый ход пресса сравнительно узкий участок листа изгибается между верхним и нижним штампами. После каждой операции гибки следующий участок плоской заготовки подается в штампы пресса при помощи манипуляторов. Использование сменных штампов позволяет изготавливать трубы широкого сортамента, включая трубы с большим отношением толщины стенки к диаметру трубы за счет использования узких штампов.

В основу формовки на вальцах положена схема изгиба листа между тремя (схема б) или четырьмя валками. Для производства сварных труб чаще применяют четырехвалковые вальцы.

В трехвалковых вальцах вращение передается только верхнему валку или также двум нижним. Верхний валок имеет диаметр в 1,3 …1,5 раза больше нижних. Его установкой относительно нижних валков регулируется диаметр формуемой заготовки. При формовке в трехвалковых вальцах у заготовки с краев остаются плоские участки, что является недостатком этого способа.

Формовка листа производится путем гибки между верхним и нижними валками за несколько реверсивных движений (от 9 до 11). После формовки сформованный цилиндр стаскивается с верхнего валка. Для компенсации прогиба верхний валок выполнен профильным с максимальным диаметром в центре валка, а нижние валки имеют несколько опор по длине. Преимуществом данного способа является возможность быстрой настройки на другой типоразмер труб, что делает эту технологию достаточно экономичной.

Способ прессовой формовки листа UOE показан на схеме в. На валковом стане происходит загибка кромок листа по радиусу, соответствующему радиусу готовой трубы. На прессе предварительной формовки листу придают U-образную форму. Далее на прессе окончательной формовки в закрытых штампах листу придают цилиндрическую О-образную форму. После сварки кромок проводят экспандирование (Е) — раздачу на гидромеханическом или гидравлическом прессе.

Моделирование всех схем несет в себе огромный потенциал к снижению ресурсоемкости расчетов — их можно упростить до 2D постановки. Не для всех задач сопряженных с решением проблем производства ТБД можно применить такое допущение, но для большего их числа эта «хитрость» позволяет значительно уменьшить время расчетов.

В рамках проработки возможностей 2D постановки для моделирования формовки трубной заготовки на вальцах нами была подтверждена гипотеза о влиянии качества модели материала на точность модели.

Для эксперимента на одной из распространенных марок стали, пластические свойства описаны в двух вариантах:

V1 — кривая получена упрощением до пяти интервалов по данным с разрывной машины;
V2 — модель пластических свойств определена двумя точками как если бы были взяты данные из ГОСТ 1050-2013

На графике ниже приведены пластические свойства для двух вариантов. В то время как при расчетах по ГОСТ предполагается линейный характер зависимости напряжения от удлинения, при испытаниях на разрывной машине видны существенные отклонения от линейности.

Рис. 3 — Сравнение пластических деформаций

При сравнении результатов моделирования двух вариантов расстояние между кромками трубы, рассчитанное со свойствами с разрывной машины меньше на 12.47%, чем на заготовке, смоделированной по ГОСТ 1050-2013.

Рис. 4 — Сравнение результатов моделирования

Конечно, Вы в праве усомниться и провести собственные расчеты — мы будем этому только искренне рады, особенно если поделитесь своими результатами в комментариях к статье или любым другим удобным для Вас способом.

Как правило, при расчетах нужно проверить множество гипотез. Сами же модели собираются однотипно с небольшими изменениями, что означает большой объем рутины для человека, проводящего расчеты. Чтобы избежать ошибок, вызванных повторением однотипных действий на помощь приходят различные способы автоматизации процесса подготовки моделей. Выбор способа автоматизации зависит от масштабности задачи, возможностей программного обеспечения и личных предпочтений инженера-расчетчика. В нашей работе основной метод автоматизации расчетных процессов — это создание скриптов и плагинов к расчетным моделям, в основном с использованием языка программирования Python. Подробнее о скриптах пойдет речь в третьей части.

Одна из самых распространенных задач — создание карточки свойств. Даже имея на руках результаты испытаний с разрывной машины предстоит еще много работы по обработке и приведению данных в требуемый программным обеспечением вид. Для начала нужно из инженерных значений получить истинные. Затем проредить точки, так как в таблице из нескольких тысяч значений бывает попадаются одинаковые и расчетному ПО такие ситуации «не нравится». Так же надо разделить упругий участок и пластический определив предел текучести, отсечь все точки после предела прочности. Стандартная карточка материала на нашем портале содержит все значения диаграммы одноосного растяжения для трех направлений (вдоль, поперек и под углом 45 градусов) в двух вариантах — инженерные и истинные значения.

Для облегчения процесса обработки этих данных под свои задачи был разработан скрипт на Python.

Загрузив в качестве исходных данных инженерные значения одноосного растяжения получаем отчет следующего вида:

Рис. 5 — Обработка данных одноосного растяжения через скрипт на Python

В шапке отчета прописывается количество загруженных значений, сколько из них были записаны с ошибкой (неверный формат числа, пропущенная строчка, лишний символ и т.д.), условный предел текучести с диаграммы определенный как граница между линейным участком исходной диаграммы и началом пластического. После приводится графическое изображение исходного графика для сравнения с тем что будет экспортирован после преобразования в истинные значения и чистки от лишних участков.

Сам по себе алгоритм не несет в себе ничего уникального, это последовательность тех же действий что проделывает каждый инженер с данными от разрывной машины — кто-то делает это вручную, кто-то с помощью макросов, а мы с помощью скрипта.

Возвращаясь к производству труб большого диаметра хотелось бы отметить, что постановка модели в 2Д достаточно однотипна и после того как мы убедились в валидности модели и надежности результатов расчета можно создать плагин, который упростит нам работу или позволит передать расчеты непосредственно технологам.

Рис. 6 — Стартовое окно плагина

Один из таких плагинов, окно которого изображено выше, сейчас находится у нас в стадии разработки. Создав базу с актуальными геометриями инструмента, дополнив ранее описанным скриптом с обработкой пластических свойств и настроив алгоритм постобработки результатов расчета можно передать отработку гипотез даже незнакомому с тонкостями МКЭ человеку.

Это одно из направлений развития, другим является создание алгоритмов расчета идеальной геометрии инструмента опираясь на напряженно — деформированное состояние заготовки. Это направление больше относится к технологии валковой формовки — так как там незначительные отклонения в геометрии или положении инструмента одной валковой пары оказывает существенное влияние на весь процесс производства. Данную работу предполагается вести в два этапа:

Определение оптимальных алгоритмов распределения радиуса гибки по клетям агрегата. Для этого разрабатывается плагин для создания цветка калибровки. Цветок калибровки — это условное наложение всех переходных сечений трубы в одной плоскости и выглядит следующим образом:

Рис. 7 — Цветок калибровки в 2D

Разработка геометрии инструмента на основании результатов плагина из пункта 1. Этот плагин должен брать за основу оптимальный цветок калибровки и строить соответствующий инструмент, собирать расчетную модель, по результатам которой можно оценить нагрузки на инструмент и стабильность процесса формовки.

Приведенные примеры плагинов разрабатываются на базе многоцелевого конечно-элементного комплекса для инженерного анализа Abaqus. Весь описанный функционал уже реализуется в ряде узкоспециализированного программного обеспечения и, казалось бы, зачем «изобретать велосипед». Но технический прогресс не уйдет далеко известными и проторенными тропами, поэтому мы продолжим работу по этим направлениям.

Уважаемые читатели, присылайте свои вопросы, предложения по этой статье или другим интересующим темам на адрес инжинирингового портала. Ваша обратная связь важна для команды инжинирингового портала. Спасибо за внимание.

С уважением, команда Инжинирингового портала