Проектирование станков холодной и горячей гибки труб

Никитин В.А.

СПб.: ЦТСС, 2011 г.

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ГИБКИ ТРУБ

1.1.   Общие сведения о гибке труб

Все трубы, подвергаемые гибке, можно разделить на две основные группы: трубы, играющие роль конструктивных элементов (несущие конструкции, ограждения, строительные конструкции, мебель и т.п.), и трубы, используемые в качестве носителей рабочих сред (жидких или газообразных) или изделий (например, пневмопочта). К гибке труб второй группы предъявляются определенные требования, влияющие на конструкцию трубогибочного оборудования. Такие требования устанавливаются нормативными документами уровня государственных и отраслевых стандартов. В частности, требования к гибке труб, применяемых в судостроении, устанавливаются ОСТ 5.95057-90 «Системы судовые и системы судовых энергетических установок. Типовой технологический процесс изготовления и монтажа трубопроводов». Требования к гибке труб, используемых в трубопроводах тепловых электростанций, устанавливаются ОСТ 24.125.60-89 «Детали и сборочные единицы трубопроводов пара и горячей воды тепловых электростанций».

Применяется два вида гибки труб: холодная и горячая. В качестве источника нагрева при горячей гибке используется энергия переменного электромагнитного поля. Такая гибка называется гибкой с индукционным нагревом. Известны станки для холодной гибки труб диаметром до 426 мм, однако такие станки относятся к категории уникальных. Как правило, холодная гибка применяется для труб диаметром до 273 мм. В отечественном судостроении холодная гибка применяется, как правило, до диаметра 160 мм. Холодная гибка труб диаметром свыше 160 мм требует приложения значительных усилий деформирования. Применение индукционного нагрева позволяет значительно снизить прилагаемые в процессе гибки усилия. Имеются станы для гибки с применением индукционного нагрева труб диаметром до 1626 мм с толщиной стенки до  170 мм (магистральные трубопроводы, фирма

Mannesmann, Германия). В отечественной практике известна установка для гибки труб диаметром до 1020 мм и толщиной стенки до 20 мм (Уралмашзавод). В 2006 году в ЗАО «Трубостан» введен в эксплуатацию стан отечественной разработки для индукционной гибки труб диаметром до 1420 мм с толщиной стенки до 35 мм.

Согласно сложившейся практике в отечественном судостроении гибка труб с индукционным нагревом применяется в следующих случаях:

-для труб большого диаметра (как правило, более 0159 мм);

-для получения крутых гибов с радиусом 5D_T, где D_T- наружный диаметр трубы;

-при необходимости получения двух гибов, расположенных близко друг к другу (прямолинейный участок между двумя гибами 1,0£>г), так как получение такого расстояния на станках холодной гибки труб не представляется возможным. Последние два обстоятельства являются причиной применения рассматриваемых трубогибочных станков для гибки труб диаметром даже от 15 до 60 мм, т.е. в зоне диаметров, являющихся приоритетом для холодной гибки.

При гибке на станках с индукционным нагревом отсутствует многочисленная сменная оснастка, характерная для холодной гибки (гибочные диски, прижимы, ползуны, дорны). Не требуется применение наполнителей (песок, лед, канифоль), практически отсутствует наклеп и уменьшается пружинение. При этом сменной оснасткой являются, как правило, индуктор, нажимной ролик или вкладыши водила. Индукционная гибка труб практически не меняет структуры металла.

Вместе с тем гибка труб с индукционным нагревом имеет свои ограничения. В частности, такая гибка не применяется для труб из меди, медно-никелевых сплавов и алюминия. Это объясняется высокой теплопроводностью перечисленных материалов и, как следствие, невозможностью получить узкую разогретую зону металла, что является обязательным условием получением высококачественного гиба.

В основу процесса гибки труб положена теория деформации поперечного пластического изгиба, при котором напряжения в материале трубы достигают предела текучести. При этом текучесть начинается с внешних слоев материала трубы, распространяясь по мере увеличения изгибающего усилия на внутренние слои. В результате возрастания нагрузки предел текучести достигается по всему сечению стенки деформируемого материала трубы.

В дальнейшем изложении применяется понятие «относительный радиус гибки», представляющий собой отношение радиуса изгиба по средней линии трубы г_г к диаметру D трубы r° =r,/D_T.Относительный радиус гибки оказывает существенное влияние на конструкцию трубогибочного оборудования. Относительные радиусы гибки для некоторых конструкций трубопроводов приведены в табл. 1. Следует указать на то, что гибка относительным радиусом r° < 2,0 считается крутой гибкой, требующей применения специального оборудования и технологической оснастки.

Относительные радиусы гибки для некоторых конструкций  трубопроводов

Таблица 1

В  основу рассматриваемых ниже процессов гибки положена модель линейного чисто пластического изгиба. Согласно [1] такая модель дает достаточно точный результат при относительных радиусах гибки от 3,0-5,0 до

200. В большинстве случаев рассматриваемые здесь радиусы гибки лежат в пределах 1,5-3,0, в отдельных случаях несколько выше. Тем не менее модель линейного чисто пластического изгиба применяется здесь и в других исследованиях ввиду того, что дает правильное общее представление об основных зависимостях и проста с точки зрения инженерных расчетов.

Для материалов средней пластичности, характерных для большинства труб, подвергаемых изгибу, расчетная диаграмма упругопластических деформаций σ - ε имеет вид, представленный на рис. 1. Такая диаграмма учитывает свойство упрочнения материала в процессе деформирования. До точки Lматериал считается упруго деформирующимся по закону Гука, за точкой L- пластически деформирующимся. Наклон первого участка соответствует модулю нормальной упругости Е, наклон второго - модулю упрочнения E_t. Распределение напряжений по сечению трубы показано на рис. 2. Рассматриваемая диаграмма характерна для стали, обладающей малой и средней пластичностью, а также для цветных металлов и их сплавов средней и высокой пластичности для холодной и горячей гибки.