IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Производство криволинейных элементов трубопроводов - достаточно сложная и актуальная задача в современной промышленности.

На сегодняшний день в производственных условиях практически невозможно осуществить качественную гибку труб диаметром более 60 мм в холодном состоянии на малые радиусы, поскольку она сопровождается рядом нежелательных для последующей эксплуатации явлений: утонением стенки на внешней части гиба, сплющиванием поперечного сечения, образованием гофр и изломов на внутренней части гиба, что обусловлено большими усилиями изгиба, поэтому не удается получить радиусы гиба менее 3,5...4,5 диаметра трубы. Трубы диаметром более 60 мм в основном изгибают с нагревом, что приводит к большим энергетическим затратам и требует применения специализированного оборудования.

В то же время, при гибке труб с раскатыванием [1] именно пластическая деформация трубы позволяет существенно снизить изгибающие усилия. Сущность гибки труб заключается в следующем. При вращении раскатника, заведенного в трубу со значительным натягом, в каждой точке кольцевой зоны раскатывания возникает знакопеременный изгиб, при котором изгибные напряжения могут кратковременно достигать предела текучести σ_Т  (рис. 1).

В результате при приложении относительно небольшого усилия происходит гибка в перемещающейся кольцевой зоне раскатывания.

При этом важно оценить остаточные деформации и напряжения в продольном и поперечном сечениях трубы, поскольку они достаточно сильно могут снизить  срок её службы [2].

Существует достаточно много методов оценки остаточных деформаций и напряжений. В зависимости от способов воздействия на объект их можно разделить на механические и физические методы. 

Механические методы основаны на принципе упругой разгрузки объема металла при его освобождении от остаточных напряжений путем разрезки. Измеряя деформации, возникающие при разрезке, можно вычислить остаточные напряжения по формулам теории упругости. К таким методам относятся метод полосок, метод колец, метод обтачивания, метод полного разрушения и т.д.

Физические методы основаны на изменении физических свойств материалов в зависимости от степени упругого деформирования. Физические методы, в отличие от механических, не связаны с обязательным разрушением металла. К ним можно отнести рентгеновский метод, метод твердости, метод хрупких покрытий, электромагнитные методы, метод магнитной памяти металла и т.д. [3].

Нами был использован метод исследования напряженно-деформирован-

ного со­стояния в пластической области измерением твердости, который изложен в работах Е. Г. Герберта, Я. Б. Фридмана, Г. А. Смирнова-Аляева, В. М. Розенберг и Г.Д. Деля. В основу метода положена зависимость между твердостью деформированного металла и интенсивностью напряжений при пластическом деформирова­нии [4].

Деформированный участок трубы был разделен на 3 равноценных по длине зоны: зона начала гибки, середина и конец гиба (рис. 2).

Из каждого участка были вырезаны образцы из внешней, средней и внутренней частей стенки.  Для того чтобы оценить распределение твердости в зависимости от глубины, в образцах были выполнены углубления (рис. 3). Испытания образцов проведены на прессе Бринелля ТШ-2 с усилием 6700 Н. В качестве индентора использовался стальной закаленный шарик диаметром 5 мм. Диаметры отпечатков измерены с помощью микроскопа МИМ-2 с точ­ностью измерения ±0,01 мм. Результаты измерений твердости представлены в таблице.

Таблица

Величины измерений	Зона гиба
	1			2				3
Внешняя стенка
Диаметр отпечатка, мм	2,33	2,22		2,27		2,17		1,92		2,21
Твердость по Бринеллю, НВ	154	170		162		178		231		171
Средняя стенка
Диаметр отпечатка, мм	2,29		2,36		2,5		2,29		2,31		2,42
Твердость по Бринеллю, НВ	159		149		132		159		156		142
Внутренняя стенка
Диаметр отпечатка, мм	2,32		2,25		2,35		2,36		2,1		2,16
Твердость по Бринеллю, НВ	154		165		150		149		191		179

Изменения твердости и интенсивности напряжений в различных зонах гибки трубы, представлены на графике (рис.4).

Из графиков видно, что твердость образцов, вырезанных из  различных стенок трубы, неодинакова и  изменяется в зависимости от зоны гиба. Это связано с тем, что в металле стенок труб при гибке с раскатыванием происходят упругие и упруго-пластические деформации, меняющие его физико-механические свойства.

Экспериментально установлена прямо пропорциональная зависимость между числом твердости по Бринеллю и напряжениями. Из этого можно сделать вывод, что наиболее напряженными являются внутренняя и внешняя части гиба. Это объясняется тем, что на внутренней части гиба возникают пластические деформации сжатия.

В то же время во внешней части гиба происходит значительное растяжение стенки металла. Напряженность средней стенки меньше, т.к. она подвергается воздействию только со стороны раскатника. К концу гиба, напряженность возрастает, потому что упруго-пластические деформации увеличивается.

Результаты находятся в хорошем соответствии с  другими методиками оценки остаточных деформаций при гибке труб с раскатыванием.

Данный метод пригоден для качественной оценки остаточных напряжений и позволяет определять сравнительное изменение величины остаточных напряжений в поверхностном слое материала. Можно оценить уровень и знак напряжений по разности твердостей изделия и эталонного образца, в котором заведомо отсутствуют остаточные напряжения.

Библиографический список

• 1. Патент 818707 Российская Федерация, МКИ В 21 D 9/14. Способ гибки труб / С.Г.Лакирев, Я.М.Хилькевич (РФ); № 2713945/25; опубл. 07.04.81, Бюл.№ 13.
• 2. Козлов, А.В. Технология и оборудование холодной гибки тонкостенных труб: монография / А.В. Козлов, А.В. Бобылев. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007.
• 3. Пригоровский, Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений: справочник / Н.И. Пригоровский. - М.: Машиностроение, 1983.
• 4. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости.‒ М.: Машиностроение, 1971.‒ 199 с.

Код для цитирования: Скопировать