image
energas.ru

Газовая промышленность № 12 2017

Транспортировка газа и газового конденсата

01.12.2017 11:00 ПРИМЕНЕНИЕ КОНЦЕПЦИИ DIGITAL TWIN ДЛЯ ТРУБНОЙ ПРОДУКЦИИ НА ПРИМЕРЕ ОТВОДА ХОЛОДНОГО ГНУТЬЯ В УСЛОВИЯХ СТРОИТЕЛЬСТВА СОВРЕМЕННЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
Современный подход численного моделирования Digital twin включает разработку, верификацию и применение модели для анализа трубной продукции в условиях ее жизненного цикла, от изготовления до эксплуатации. В статье показан процесс исследования надежности изготовления и использования отводов холодного гнутья с применением численной модели. Разработанная численная модель деформирования трубы при изготовлении отводов холодного гнутья учитывает полный технологический цикл изготовления в стандартных трубогибочных машинах, модель материала соответствует реальным трубным сталям класса прочности К60, в том числе и с повышенной деформационной способностью. Результаты расчетов верифицированы натурным экспериментом изготовления отводов. Полученное остаточное напряженно-деформированное состояние отводов позволяет использовать численную модель для оценки работы детали в трассовых эксплуатационных условиях, а также для оценки и оптимизации технологического режима изготовления отводов. Проведенные имитационные эксперименты позволили оценить остаточный уровень деформационной способности металла готовых отводов.
Ключевые слова: ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ОТВОД ХОЛОДНОГО ГНУТЬЯ, ДЕФОРМАЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ, ТРУБОГИБОЧНАЯ МАШИНА, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПАРАМЕТР, НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ, ТРУБА-ЗАГОТОВКА, ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.
Открыть PDF


σВВЕДЕНИЕ

Особое значение для надежности и безопасности новых образцов трубной продукции имеет процесс обоснования требований к ней и отработка технологии изготовления на основе исследований, испытаний опытных образцов. Современный подход численного моделирования с использованием концепции цифрового двойника Digital twin позволяет разрабатывать и верифицировать модель в процессе изготовления и испытаний опытных образцов. С помощью цифрового двойника производится оптимизация конструкции и технологии изготовления, что подтверждается контрольными испытаниями [1]. В статье представлен опыт разработки и применения цифрового двойника отвода холодного гнутья, изготовленного из труб с высокой деформационной способностью [2, 3].

 1.png

СОЗДАНИЕ «ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА» ТРУБНОЙ ПРОДУКЦИИ НА ПРИМЕРЕ ХОЛОДНОИЗОГНУТОГО ОТВОДА

Цифровой двойник отвода холодного гнутья (ГО) получен путем моделирования в среде ANSYS его изготовления на типовом трубогибочном станке с полным соответствием кинематического нагружения трубы-заготовки (рис. 1).

1_1.png

Модель свойств металла трубы-заготовки соответствует реальной диаграмме «напряжения – деформация» металла труб для зон с активными тектоническими разломами (АТР), полученной при испытаниях образцов на растяжение. На рис. 2 представлена трехмерная геометрическая модель изготовления отвода.

Численной моделью учтена реальная геометрия рабочей части трубогибочного станка и вспомогательного оборудования. Геометрия параметризирована для изменения под любые типоразмеры труб-заготовок и модели трубогибочных станков. Верификация модели проведена путем сопоставления с натурными исследованиями процесса изготовления отводов холодноизогнутых с уменьшенным радиусом изгиба. Отклонения при сравнении результатов не превысили 5 %.

1_1_1.png

Далее представлены результаты анализа цифровых двойников отводов холодноизогнутых, в том числе с увеличенным углом гиба (ГОУ) из трубы-заготовки диаметром 1420 мм с толщиной стенки 21,7 мм; К60 (предел текучести σТ = 550 МПа, временное сопротивление σВ = 650 МПа) с высокой деформационной способностью (ВДС) для зон АТР, изготовленных на трубогибочной машине ГТ 1424 производства ОАО «КрЭМЗ».

1_1_2.png  

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТВОДА ХОЛОДНОИЗОГНУТОГО С ПОМОЩЬЮ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА

При каждом единичном гибе происходит обжатие верхней образующей трубы-заготовки о формирующее лекало (башмак) с образованием локальных «волн» с обеих сторон от обжатой части (рис. 3).

Расстояние Lогиб зависит от единичного угла загиба и является критическим параметром, ограничивающим величину передвижки при изготовлении ГОУ. Превышение этого расстояния при передвижке приводит к вдавливанию башмаком вершины имеющейся волны, что приводит к росту ее амплитуды до недопустимых размеров и образованию гофр (рис. 4). Передвижка при гибе на величину менее Lогиб приводит к продвижению волны вдоль образующей без роста ее амплитуды, вплоть до ее вырождения.

1_1_3.png

Процесс гофрообразования в значительной степени зависит от диаметра и тонкостенности (отношения диаметра к толщине) трубы-заготовки, а не от марки материала. Для труб диаметром 1420 мм и толщиной стенки 21,7 мм построена зависимость критического размера Lогиб от величины единичного угла при гибе (рис. 5). Исключение гофрообразования требует точного замера единичного угла гиба (угла загиба трубы при максимальном подъеме гибочного ложемента за цикл).

Деформируемость поперечного сечения приводит к высокой степени зависимости качества отводов от вспомогательного оборудования. Некорректная настройка дорна под толщину стенки приводит к наличию локальных изгибов металла стенки трубы-заготовки о края башмака и смятию трубы (рис. 6).

Подобная деформация поперечного сечения приводит к резкому возрастанию пластической деформации металла в локальных участках и при этом трудно диагностируема стандартными методами измерения геометрии отвода.

1_1_4.png

АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ХОЛОДНОИЗОГНУТЫХ ОТВОДОВ С ПОМОЩЬЮ ИХ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА

Распределение эквивалентных напряжений в теле ГОУ неоднородно, и резко выделяются две потенциально опасные зоны. Первая находится на переходах от гнутой части к прямолинейной и присутствует на любых ГО и ГОУ. В данной зоне преобладают продольные напряжения, и их максимум сконцентрирован в зоне так называемой нейтральной линии, где рекомендуется при изготовлении ГО и ГОУ располагать продольный сварной шов трубы-заготовки. На рис. 7 представлена эпюра распределения продольных напряжений по высоте сечения ГОУ 20D 1420 х 21,7 мм К60 ВДС. Максимум остаточных напряжений достигает 0,8σТ, где σТ – фактический предел текучести основного металла трубы.

1_1_5.png

Во второй зоне (прямолинейные участки, в особенности со стороны упорного ложемента) преобладают остаточные кольцевые напряжения (до 0,9σТ), вызванные деформацией прямолинейного участка трубы, огибающего торцы гибочного и упорного ложементов. Это приводит к овализации поперечного сечения. Для уменьшения степени овализации торцов отвода в процессе его изготовления на заводах используют распорки. В результате численного эксперимента установлено, что для исключения появления кольцевых напряжений в стенке металла трубы-заготовки на прямолинейных участках распорки должны полностью предотвращать деформацию торцевого сечения, т. е. обладать большой жесткостью и иметь большую зону контакта по образующей. В противном случае возникают максимумы остаточных напряжений на перегибах об упорный ложемент и распорку.

1_1_6.png

Таким образом, поле остаточных напряжений неравномерно распределено по телу отвода (рис. 8).

Максимумы остаточных напряжений как в кольцевом, так и в продольном направлении сконцентрированы в нейтральной зоне, где при изготовлении ГО и ГОУ располагается продольный сварной шов трубы-заготовки.

Проведение на цифровых двойниках модельных гидравлических испытаний показало, что разрушение отводов должно происходить на прямолинейных участках (рис. 9).

1_1_7.png

Натурные гидроиспытания ГОУ до разрушения прошли с разрывом основного металла на прямолинейном участке, в зоне нейтральной линии, подтвердив результаты, полученные при моделировании.

Анализ цифрового двойника позволил определить процесс накопления пластической деформации в теле отвода. На первых гибах происходит процесс накопления пластической деформации на образующих до уровня, соответствующего радиусу изгиба по формуле:

1_1_8.png

где εпл – продольная пластическая деформация; rтр – радиус трубы; Rизг – радиус изгиба.

При достижении необходимого радиуса изгиба и дальнейшем его поддержании происходит распределение пластической деформации вдоль образующей (рис. 10–12).

Как показывает практика, изготовление отвода даже на заводе – нестабильный процесс (табл. 1 и 2).

1_1_9.png

Нестабильность процесса гибки приводит к выбросам пластической деформации вдоль образующей, представленной на рис. 13.

1_1_11.png

При изготовлении ГОУ 25D уровень пластической деформации при стабильном режиме изготовления εплстаб = 2 %. При реальном (нестабильном) режиме изготовления пластическая деформация достигает 3 %.

На рис. 14 представлено распределение пластической деформации в кольцевом направлении по телу ГОУ 20D при стабильном процессе изготовления.

Как видно, на прямолинейных участках также присутствует пластическая деформация металла стенки ГОУ, которая проявляется за счет деформации поперечного сечения на опорном и гибочном ложементах, особенно на первых и последних гибах (рис. 15).

1_1_12.png

Деформация поперечного сечения и его овализация приводят к неоднородности в показаниях остаточного угла, замеренного на верхней и нижней образующих. Установка распорок не гарантирует идентичности результатов замера. Как показали результаты моделирования изготовления отвода, обеспечивающая наибольшую стабильность измерений оптимальная зона замера угла как в процессе гиба, так и остаточного, расположена в срединной плоскости трубы-заготовки. Измерение углов загиба в срединной плоскости позволит обеспечить единство технологических режимов изготовления отводов на разных марках трубогибочных машин.

1_1_13.png

Для анализа работы отводов совместно с прилегающим трубопроводом проведено численное моделирование участков трубопроводов в идентичных условиях залегания (граничных условиях нагружения моделей) [4]. Участки содержат зону изгиба с различными радиусами (от 40 до 60 м для холодноизогнутых отводов и 5 и 7 м для горячегнутых отводов). Результаты, представленные в работе, демонстрируют значительный рост эксплуатационных напряжений с увеличением угла поворота и уменьшением радиуса изгиба (рис. 16).

При этом следует учитывать, что в отводах горячего гнутья в результате термического процесса, в отличие от холодного гнутья, остаточные напряжения практически отсутствуют. Применение отводов холодного гнутья при больших углах и малом радиусе изгиба может привести к потере прочности при эксплуатации.

1_1_14.png 

ВЛИЯНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ИЗГИБЕ ОТВОДА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МОДЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Оценка влияния пластической деформации на остаточные механические свойства проводилась для труб с высокой деформационной способностью класса прочности К60, размером Ø1420 х 21,7 мм, российского производства [5–7]. При этом были учтены все необходимые технологические особенности серийного производства труб, нагрев до температуры 200–220 ºС перед нанесением АКП и др. Опытный отвод холодного гнутья изготавливался на трубогибочной машине ГТ-1424 с созданием участков труб с радиусами изгиба R ≈ 20Dн, R ≈ 25Dн и R ≈ 30Dн. Были вырезаны и исследованы образцы деформированного металла на прямых участках, а также в местах изгиба в растянутой и сжатой зонах и в «нейтральной» – напротив продольного сварного шва.

1_1_15.png

Результаты сравнения показали высокую сходимость с данными цифровой модели, по остаточному углу – 97 %, по деформациям – в пределах 95 %. Таким образом, расхождение не превысило 5 %.

По результатам экспериментальных исследований деформированного металла холодногнутых отводов отмечено следующее.

1_1_16.png

Металл отвода претерпевает изменение механических свойств деформированного основного металла в меньшей степени в поперечном направлении, прочностные свойства и отношение σТТ(Rt0,5)/σВ практически не меняются, но снижается пластичность (5 и р) (рис. 17). В продольном направлении имеет место ожидаемое существенное изменение предела текучести σТТ(Rt0,5) и отношения σТТ(Rt0,5)/σВ в разных направлениях для металла растянутой и сжатой зон, а также снижение пластичности (рис. 18). В растянутой зоне наблюдается повышение σТТ(Rt0,5) и σТТ(Rt0,5)/σВ, а в сжатой зоне – наоборот, их снижение. Указанные закономерности характерны для испытаний плоских образцов.

1_1_17.png

Важно отметить, что пластическая деформация металла при холодном изгибе трубы вызывает соответствующее снижение пластических свойств металла как в продольном, так и в поперечном направлениях. Исследования поведения трубной стали дополнены испытанием пластин металла, вырезанного из трубы, при продольных пластических деформациях, достигающих 7 %.

1_1_18.png

Проведенные испытания прочностных и пластических свойств металла (в поперечном и продольном направлениях) при наличии продольной пластической деформации величиной 1,5–7,0 % полностью перекрывают возможный диапазон деформаций металла при изгибе отводов и возможных деформациях трубопроводов в зонах подвижек грунтов активных тектонических разломов мощностью сброса уровня 3 м.

1_1_19.png

Результаты испытаний металла пластин полностью соотносятся со свойствами деформированного металла отвода. Видно, что с увеличением продольной пластической деформации растяжения пластин и трубы имеет место рост прочностных свойств металла и отношения σТТ(Rt0,5)/σВ (т. е. σТТ(Rt0,5) растет быстрее, чем σВ).

Под воздействием пластической деформации растяжения или сжатия происходит снижение пластичности в поперечном и продольном направлении. При величине пластической деформации ≈3…4 %, которая может иметь место при изготовлении отводов с уменьшенным R ≈ 20…25Dн, снижение значений δ5, δр достигает 3–4 % относительно исходных свойств трубы.

На цифровой модели полученного отвода холодного гнутья проведено исследование поведения металла под действием внутреннего давления до разрушения, результаты представлены на рис. 9.

При расчетной величине разрушения 19,9 МПа разрушение отвода произошло при давлении 20,1 МПа (рабочее давление 9,8 МПа), что свидетельствует о высокой точности модели и высокой несущей способности отвода (пластически деформированной трубы). 


Выводы

По результатам исследований цифрового двойника отвода холодного гнутья больших углов изгиба, подтвержденных натурными исследованиями металла, определено следующее.

Металл трубы, деформируясь в процессе формирования в трубогибочной машине отвода холодного гнутья, претерпевает необратимые пластические деформации величиной до 4 % и более, приводящие к разнонаправленному изменению его механических характеристик в растянутой и сжатой зонах в продольном и кольцевом направлениях, а также на прямых участках в кольцевом направлении. Так, свойства вязкости (δ5, δр) изменяются по образующей и направляющей на величину, близкую к величине пластической деформации. Независимо от угла изгиба минимально допустимое (нормативное) значение δр деформированного металла отвода в обоих направлениях уменьшается на величину фактических пластических деформаций.

Результаты гидравлических испытаний отводов, изготовленных из отечественных труб для АТР, продемонстрировали их высокую несущую способность и способность обеспечить герметичность после высокого уровня пластических деформаций изгиба (~4 %) при изготовлении отводов холодного гнутья с большим (20D) углом гиба, которые также характерны для АТР на МГ «Сила Сибири».

Применение отводов холодного гнутья больших углов изгиба ограничивается высоким ростом остаточных напряжений в металле и продольных эксплуатационных напряжений, приводящих к риску развития КРН и потери прочности.

При определении минимально допустимого радиуса (максимального угла) изгиба отвода главным требованием вязкости деформированного металла является обеспечение равномерного удлинения в объеме 3 % с учетом изменчивости режимов изгиба.

При изготовлении отводов холодного гнутья важнейшей задачей является контроль изменчивости режимов гнутья в трассовых условиях. Отклонения (перегибы) ведут к высоким пластическим деформациям.

Цифровая модель Digital twin отвода холодного гнутья позволяет определить требования к технологическим режимам изготовления и уровень механических свойств, необходимый для обеспечения эксплуатационной надежности.

Выявлена высокая чувствительность качества ГОУ к параметрам технологического процесса изготовления и правильности настройки оборудования. Определены факторы и причины возникновения наиболее частых отклонений в геометрии отводов, а именно гофров и овальности поперечного сечения. 


1_1_20.png


Ассоциация производителей труб
119590, РФ, г. Москва,
ул. Улофа Пальме, д. 1
Тел./факс: +7 (499) 147-13-57
Е-mail: info@pipeunion.ru


← Назад к списку