Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи 9
1.1. Состояние и перспективы обеспечения топливно-энергетического комплекса России нефтегазовыми трубами нового сортамента 9
1.2. Основные направления производства труб нового сортамента 11
1.3. Объект исследования 12
1.4. Конструкции прессов силой 300 МН и выше 15
1.5. Методы расчета и экспериментального исследования базовых деталей прессов 20
1.6. Метод конечных элементов в исследовании гидравлических прессов 26
1.7. Механические и усталостные характеристики материала базовых деталей 28
1.8. Основные направления и задачи модернизации пресса окончательной формовки 30
Выводы по главе 1 32
Глава 2. Математическая модель пресса П0753 34
2.1. Оценка точности математического моделирования по результатам эксперимента методом фотоупругости 34
2.2. Математические модели узлов и деталей пресса 39
Выводы по главе 2 44
Глава 3. Исследование технических решений для увеличения силы пресса путем увеличение силы существующих рабочих цилиндров 45
3.1. Прочность цилиндров при увеличении силы за счет повышения давления рабочей жидкости и за счет увеличения внутреннего диаметра 45
3.2. Напряженное состояние и прочность поперечин при увеличении силы пресса до 350 МН 52
3.3. Прочность и долговечность колонн при увеличенных нагрузках и различных режимах работы 57
Выводы по главе 3 63
Глава 4. Разработка технического решения по увеличению силы пресс П0753 с использованием дополнительных прессов 65
4.1. Поиск принципиального конструктивного решения 65
4.2. Комплексное конструктивно-технологическое решение по увеличению силы пресса П0753 с 200 МН до 350 МН 72
4.3. Выбор разъемного соединения колонны и плунжера дополнительных прессов 76
Выводы по главе 4 79
Глава 5. Исследование и обоснование предложенной схемы модернизации по критерию обеспечения прочностной надежности базовых деталей 80
5.1. Существующие базовые детали пресса 80
5.1.1. Рабочие цилиндры 80
5.1.2. Поперечины 83
5.1.3. Колонны 85
5.1.4. Балка и штамп 87
5.2. Детали дополнительных прессов 91
5.2.1. Узел цилиндр-колонны-накладка 91
5.2.2. Узел плунжер-разъемная гайка-колонна 93
5.2.3. Верхняя и нижняя дополнительные поперечины 114
Выводы по главе 5 119
Глава 6. Практические результаты работы 121
6.1. Выполнение проекта модернизации на ОАО «ЧТПЗ».
Формовка на прессе П0753М заготовок труб нового сортамента 121
6.2. Экспериментальное исследование модернизированного пресса 123
Выводы по главе 6 127
Общие выводы по работе 128
Список литера туры 131
- Основные направления производства труб нового сортамента
- Механические и усталостные характеристики материала базовых деталей
- Напряженное состояние и прочность поперечин при увеличении силы пресса до 350 МН
- Комплексное конструктивно-технологическое решение по увеличению силы пресса П0753 с 200 МН до 350 МН
Введение к работе
Актуальность
Магистральный трубопроводный транспорт является важнейшей составляющей топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Реконструкция существующих и строительство'новых магистральных трубопроводов требует как увеличения объемов производства трубной продукции, так и повышения ее качества. Для получения труб диаметром>1220'мм с увеличенными пределом текучести материала и толщиной стенки необходимо осуществлять окончательную формовку заготовок с силой 350 МН. На существующей линии по производству труб большого диаметра на ЗАО «ЧТПЗ» окончательная формовка заготовок осуществляется на прессе П0753 с максимальной силой 200' МН. То есть, для получения труб заданного сортамента, требуется строительство новой линии. Общий объем инвестиций в строительство нового цеха и-линии производства труб составит около 350 млн. евро, на реализацию проекта потребуется не менее 5 лет.
Более выгодной экономически является модернизация существующей линии производства труб. Общий объем инвестиций в реконструкцию трубо-электросварочного цеха составляет около 35 млн. евро, срок реализации 1 -1,5 года, время остановки линии для проведения строительно-монтажных работ составляет 30 суток. Значительно больший экономический эффект будет получен за счет сокращения сроков ввода в эксплуатацию линии производства труб нового сортамента.
Обеспечение возможности получения нефтегазовых труб нового сортамента в кратчайшие сроки и с минимальными затратами определяет актуальность работы по модернизации линии производства труб диаметром 1220 мм с увеличением силы пресса окончательной формовки П0753 в 1,75 раза с 200 МН до 350 МН.
Цель и задачи работы
Целью работы является получение технических решений направленных на увеличение силы пресса окончательной формовки заготовок нефтегазовых труб диаметром 1220 мм в 1,75 раза с 200 до 350 МН. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
Построить математическую модель пресса позволяющую исследовать условия взаимодействия базовых деталей, и определять величины реальных напряжений в зонах концентрации.
Исследовать базовые детали существующего пресса с целью определения возможности повышения его силы и выбора направлений модернизации.
Разработать конструктивно-техническое решение для увеличения силы пресса с 200 до 350 МН;
Выполнить теоретическое исследование и оптимизацию новых конструктивных решений по критерию прочностной надежности с целью обеспечения длительной безотказной работы базовых деталей модернизированного пресса;
Выполнить экспериментальное исследование базовых деталей модернизированного пресса для подтверждения достоверности результатов работы.
Научная новизна
Диссертация содержит следующие элементы новизны.
1. Разработаны оптимальные параметры профиля гребенчатого соединения колонн пресса, за счет исследования влияния величины радиуса галтели впадин на величину максимальных напряжений, что позволило на 74% повысить его нагрузочную способность при сохранении габаритных и посадочных размеров.
Разработаны оптимальные параметры галтели фланца главного цилиндра, благодаря чему удалось обеспечить неограниченную долговечность детали при повышении нагрузки в 1,15 раза.
Разработана конструкция дополнительных прессов с использованием цилиндров двойного действия, совмещающих в себе функции рабочего и возвратного цилиндров. Предложена конструктивная схема колонного пресса с встроенным в него дополнительным, позволяющая повысить его силу без увеличения нагрузки на базовые детали и изменения габаритов.
Достоверность
Для подтверждения достоверности разработанных в работе теоретических положений и выбранных на их основе конструктивных параметров деталей и узлов модернизированного пресса проведено его экспериментальное исследование в промышленных условиях методом электротензометрии.
Модернизированный пресс успешно эксплуатируется с 2005 г.
Практическая ценность
Увеличение силы пресса дало возможность увеличить толщину стенки трубной заготовки с 15 мм до 22 мм и повысить предел текучести материала с 460 МПа до 620МПа, что позволяет более чем в два раза расширить сортамент выпускаемых труб.
Внедрение
Проект модернизации реализован на Челябинском Трубопрокатном Заводе. Модернизированный пресс П0753 М силой 350 МН запущен в эксплуатацию в мае 2005 года. Линия производства труб с прессом- окончательной формовки П0753 выпускает трубы диаметром 1220 мм с толщиной стенки 22 мм из материала категории прочности Х70; предназначенные для строительства трубопроводов всех категорий во всех климатических зонах.
8 Публикации
По теме диссертации в журналах опубликовано 3 статьи, получены 3 патента Р.Ф. на изобретения.
Структура и объем
Диссертация состоит из шести глав. Основное содержание и выводы изложены на 129 страницах. В работе 66 рисунков, 4 таблицы, список литературы содержит 35 наименований.
Основные направления производства труб нового сортамента
Строительство новой линии по производству труб большого диаметра, позволяет получить необходимое количество труб нового сортамента. Но, во-первых, стоимость одного только технологического оборудования составит 160 млн. евро, а. общий объем инвестиций в строительство.нового цеха и линии производства труб составит порядка 350 млн. евро. Во-вторых, такой проект будет реализован не ранее чем через 3-5 лет с момента подписания договора. При существующей потребности в трубах большого диаметра это слишком большой срок и за время строительства новых мощностей предприятие может потерять свои позиции на рынке.
Второе направление производства труб нового сортамента состоит в модернизации существующей линии с увеличением усилия формовки. Это направление весьма актуально, так как позволяет получить оборудование с заданными параметрами в сжатые сроки с минимальными затратами. Металлургические технологии имеют длительный период морального старения, поэтому новое оборудование, в основном, отличается от существующего лишь большей мощностью, современными системами привода, управления, механизации и автоматизации. Это позволяет для производственных процессов получить новые технологические возможности и на существующем оборудо вании за счёт модернизации указанных систем, если увеличить срок службы основных несущих базовых деталей, стоимость которых в значительной степени определяет стоимость нового оборудования. Модернизация в несколько раз дешевле и,проводится в кратчайшие сроки. Общий объем инвестиций в реконструкцию трубоэлектросварочного цеха составляет около 35 млн.евро, срок реализации Г.. .1,5 года. Время остановки линии для проведения строительно-монтажных работ составляет 30 суток. ,
На основании сказанного выше можно считать, что оптимальным путем получения труб нового сортамента является модернизация- существующих линий: производства труб, так как она,обеспечивает возможность.получить трубы необходимого качества в кратчайшие сроки и с минимальными затратами. Основная задача, которую должна решить модернизация производства, заключается в увеличении силы пресса окончательной формовки в 1,75 раза.
Одним из основных поставщиков труб диаметром 1020 — 1220 мм для ТЭК является Челябинский Трубопрокатный Завода (ЧТПЗ). Окончательная формовка заготовок труб с толщиной стенки 16 мм из стали класса прочности Х60 производится на прессе модели П0753 силой 200 МН. Пресс, спроектированный и построенный Коломенским заводом тяжелых станков, запущен в эксплуатацию в 1972 г.
Пресс окончательной формовки модели П0753 рис. 1.1. выполняет по следнюю операцию перед подачей U-образной заготовки на сварочный стенд. Заготовка поступает в нижний штамп, полуцилиндрической формы.
Сверху на свободные кромки заготовки через специальные направляющие давит верхний штамп пресса, создавая в цилиндрической заготовке пластические деформации в окружном направлении. Эта операция является определяющей вформировании? геометрии трубы. . , Пресс П0753 секционный и состоит из трех гидравлических прессов с общей силой 200 МН. Каждый пресс состоит из архитрава 1 с двумя главными цилиндрами 2, подвижной поперечины 3 и основания 4. Архитрав и основание стянуты четырьмя колоннами 6 с разъемными гайками 9. Подвижные поперечины всех прессов направляются по колоннам 6 и соединены с плунжерами главных цилиндров. Все подвижные поперечины для большей жесткости пресса и для синхронизации движения соединены общей балкой 7, на которой закрепляется инструмент 8. Возврат подвижных траверс в верхнее положение производится1 шестью возвратными цилиндрами 10, установленными в основаниях прессов и соединенных плунжерами с подвижными поперечинами. Рабочие И возвратные цилиндры питаются рабочей жидкостью от насосно-аккумуляторной станции.
Одновременное движение подвижных поперечин и устранение возможного опережения или отставания одной из поперечин при опускании или подъеме, производится двумя парами синхронизирующих цилиндров 11, действующих при ходе вниз, и двумя парами, действующих при ходе вверх.
В нижнем штампе 12 имеются сменные вкладыши 13, профиль которых выполнен с размерами на 10... 15 % меньше диаметра готовой трубы.
Для производства труб нового сортамента из стали класса прочности Х70 с толщиной стенки 22 мм силу пресса П0753 необходимо увеличить в 1,75 раза с 200 МН до 350 МН.
Столь значительное увеличение силы пресса при сохранении существующих базовых деталей является весьма сложной научно-технической задачей, не имеющей прецедентов в мировой практике прессостроения. Решение этой задачи в кратчайшие сроки определяет возможность получения труб нового сортамента путем модернизации существующего оборудования. Для изыскания .направлений (технических решений) модернизации пресса П0753 с увеличением силы рассмотрим конструкции мощных гидравлических прес-сов силой 300 МН и выше.
Механические и усталостные характеристики материала базовых деталей
Колонны и цилиндры прессов в большинстве случаев изготавливают из кованых сталей Сталь 35 и Сталь 45. Наиболее полные результаты по усталостной прочности этих сталей представлены в работе 111.
Заготовки для исследования образцов Стали 35 вырезали газокислородной резкой из четырех поковок, предназначенных для производственных деталей. Поковки получены из слитков различных плавок весом по 25 тонн каждый. Из поковок механической обработкой получены заготовки под образцы размером 280x450x570 мм весом 0,56 тонны каждая. Материалом для образцов служили шлифованные пластины размером 12x280x570 мм. Образцы имели толщину 12 мм, ширину 20 — 30 мм.
Для изготовления образцов из Стали 45 были специально отлиты 4 слитка весом 3 тонны каждый, из которых получены поковки. Из этих поковок вырезаны 4 заготовки для пластин под образцы размером 210x400x580 мм и весом 0,4 тонны каждая. Материалом для образцов служили шлифованные пластины размером 10x210x580 мм. Термическая обработка заготовок точно соответствовала термической обработке деталей из таких же сталей, принятой на Уралмашзаводе. Механические свойства сталей определяли на гага-ринских образцах. Усталостные испытания проводили на растяжение — сжатие с частотой 10 Гц на базе 2x10б циклов. Испытывались образцы гладкие и с концентраторами напряжений в виде круговых отверстий. В 111 результаты усталостных испытаний для образцов с отверстиями даны по номинальным напряжениям. В общем случае оценку запаса прочности по усталости необходимо проводить по максимальным напряжениям в выкружках резьбы. Для получения более широких возможностей использования результатов усталостных испытаний пределы выносливости по номинальным напряжениям переведены в пределы выносливости по максимальным напряжениям. Результаты механических и усталостных испытаний представлены в таблице 1.1. Поперечины прессов обычно изготавливаются из стали марки 35Л. В работе 111 представлены результаты испытаний на усталостную прочность в условиях растяжения - сжатия, причем образцы вырезались из отливок массой примерно 2 тонны. В этих условиях масштабный фактор можно не учитывать.
Предел усталости при пульсационном цикле а0= 190 МПа на базе N = 2-Ю6 циклов. Выше было показано, что сила пресса определяется количеством рабочих цилиндров, величиной давления в гидросистеме, расположением рабочих цилиндров относительно основания. Исходя из этого, необходимо рассмотреть следующие направления модернизации пресса: 1. Увеличение силы существующих рабочих цилиндров. 2. Введение дополнительных рабочих цилиндров. 3. Увеличения силы главных цилиндров совместно с введением дополнительных рабочих цилиндров. Конструктивно-технологические решения для увеличения силы пресса, разработанные в соответствии с пунктами 1, 2, 3, должны обеспечивать неограниченную долговечность вновь изготовленных и существующих конструкций пресса П0753. Для обоснования прочностной надежности конструкций, выполненных в соответствии пунктами 1, 2, 3 необходимо: - построить математическую модель пресса позволяющую исследовать условия взаимодействия базовых деталей, и определять величины максимальных напряжений в зонах концентрации; - исследовать напряженное состояние и прочность конструкций базовых деталей существующего и модернизированного пресса П0753 для обоснования возможности увеличения силы пресса в 1,75 раза с 200 МН до 350 МН. 1. Производство труб нового сортамента с увеличенными толщиной стенки и пределом текучести материала позволяет обеспечить потребности Топливно-энергетического комплекса России в трубах диаметром 1020 - 1220 мм. 2. Получение труб нового сортамента в кратчайшие сроки при минимальных затратах обеспечивает модернизация существующей линии произ-водства труб диаметром 1020 -1220 мм. 3. Основным объектом модернизации является пресс модели П0753 для окончательной формовки заготовок труб. Производство труб нового сортамента требует увеличения силы пресса в 1,75 раза с 200 до 350 МН. 4. Исходя из анализа существующих конструкций прессов силой 300 МН и выше, необходимо рассмотреть следующие направления модернизации пресса 1. Увеличение силы существующих рабочих цилиндров. 2. Введение дополнительных рабочих цилиндров. 3. Увеличения силы главных цилиндров совместно с введением дополнительных рабочих цилиндров. 5. Целью работы является разработка, исследование и обоснование техни ческих решений направленных на увеличение силы пресса. Для дости жения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) Построить математическую модель пресса позволяющую исследовать условия взаимодействия базовых деталей, и определять величины реальных напряжений в зонах концентрации. 2) Исследовать базовые детали существующего пресса с целью определения возможности повышения его силы и выбора одного из выше упомянутых направлений для модернизации.
Напряженное состояние и прочность поперечин при увеличении силы пресса до 350 МН
Все узлы, в которые входят поперечины, имеют две плоскости симмет-рии поэтому при расчете достаточно рассмотреть только четверть узла с приложением соответствующих граничных условий.
Все поперечины литые, изготовлены из стали 35Л со следующими механическими характеристиками: предел прочности GB = 490 МПа предел текучести- 3Q7 = 270 МПа предел выносливости при пульсирующем цикле Go = 190МПа
Расчет напряженного состояния архитрава выполнен на математической модели узла архитрав- цилиндр - колонна; показанной: на рис. 2.5. Цветная картина поля напряжений архитрава представлена на рис. 3.6. Эпюры напряжений по контурам цилиндровых и технологических: отверстий? показаны на рис. 3.7. Максимальные главные напряжения CJmax = 219 МПа получены, на контуре технологического отверстия. Запас прочности по усталости n=Gmax/CTo=190/219 l, что не обеспечивает неограниченную долговечность архитрава.
Напряженное состояние подвижной поперечины определяется на модели узла подвижная поперечина - балка - плунжер, представленной на рис.2.6. Нагрузка от действия главных цилиндров (рабочее давление 55 МПа) передается через плунжер. Картина поля напряжений подвижной поперечины показана на рис. 3.8.
Максимальные главные напряжения 0 =200 МПа получены в районе шпоночного паза для центрирования технологического инструмента. Эти напряжения выше предела выносливости стали 35Л, что не позволит обеспечить неограниченную долговечность подвижной поперечины.
Напряженное состояние основания определятся на модели узла основание - штамп - колонна, представленной на рис.2.7. К внутренней поверхности штампа приложено давление, соответствующее силе 350 МН. Цветная картина напряженного состояния основания показана на рис.3.9.
Максимальные главные напряжения G\ = 170 МПа получены на контуре технологического отверстия в нижней плите основания. Запас прочности по усталости для основания равен Коэффициент запаса по усталости меньше минимально допустимого значения [п] = 1.2 , что не позволяет гарантировать неограниченную долговечность основания.
Прочность колонн при увеличенной силе пресса оценим по наиболее напряженному участку колонны, находящемуся в поперечине между внутренней и внешней гайками. Этот участок находится под действием постоянной силы затяжки колонны и пульсирующей силы за счет действия рабочей нагрузки. Расчет проводится по методике, принятой в конструкторской практике.
Узел колонна-гайки-колонный стакан принимается осесимметричным как по геометрической форме, так и по условиям нагружения. Геометрия и схема нагружения узла показаны на рис. 3.10.
Комплексное конструктивно-технологическое решение по увеличению силы пресса П0753 с 200 МН до 350 МН
При давлении рабочей жидкости CJ =32 МПа дополнительный цилиндр развивает силу 10,4 МН, сила двух цилиндров, входящих в дополнительный пресс, равна 20,8 МН. Дополнительные прессы размещаются в трех основных секциях, их общая сила составит = 62,4 МН, а общая сила пресса Nnp = NOCH + NAOH = 200 + 62,4 =262,4 МНО50МН.
Для дальнейшего увеличения силы пресса и обеспечения более равномер-ного распределения нагрузки по длине заготовки необходимо расположить дополнительные прессы и между секциями основного пресса. С этой целью используется предложенная выше общая конструктивная схема секционного дополнительного пресса. В межсекционных дополнительных прессах (рис. 4.5) вводится дополнительная верхняя поперечина 25, которая передает силу пресса на верхнюю балку 7 (рис. 1.1). В поршневой части плунжера 26 цилиндры возвратного хода не предусмотрены.
В дальнейшем дополнительный пресс, расположенный в секции основного пресса и- передающий силу через существующую подвижную поперечину, будем называть секционным прессом (СП). Дополнительный пресс, расположенный между секциями основного пресса и передающий силу через дополнительную подвижную поперечину, будем называть межсекционным прессом (МП). Комплекс дополнительных прессов показан на рис. 4.6.
Увеличение силы пресса осуществляется встраиванием в его конструкцию пяти-дополнительных прессов (рис. 4.6). При проектном давлении рабочей жидкости во всех рабочих цилиндрах (основных и дополнительных) q = 32 МПа пресс П0753М развивает силу 304 МН. Для увеличения суммарной силы пресса до-350 МН давление рабочей жидкости во всех рабочих цилиндрах увеличивается до 37 МПа.
В конструкции модернизированного пресса сила 120 МН, развиваемая 5 дополнительными прессами, передается непосредственно на верхнюю балку, замыкается на нижнем штампе и не воздействует на базовые детали основных прессов, за исключением подвижных поперечин. Архитравы, рабочие цилиндры, колонны и основания основных прессов работают при первоначальных схемах нагружения, а воспринимаемая ими сила 230 МН в 1,15 раза превышает первоначальную проектную силу 200 МН. Кроме того, на большинстве режимов работы пресса сила дополнительных прессов для получения одной и той же силы всего пресса позволяет снизить давление рабочей жидкости и уменьшить нагрузку на базовые детали.
Настоящее конструктивно-технологическое решение по увеличению силы пресса полностью отвечает требованиям, предъявляемым к модернизации пресса окончательной формовки заготовок нефтегазовых труб диаметром 1020 — 1220 мм, а именно: увеличивает силу пресса в 1,75 с 200 МН до 350 МН; осуществляется в кратчайшие сроки, так как изготовление и монтаж новых деталей не требует разработки специальных технологий;не требует доработки существующих базовых деталей и фундамента; не увеличивает габаритных размеров пресса.
Рассмотрим еще раз конструкцию дополнительных прессов рис. 4.2. и 4.5. Обратим внимание на то, что плунжер и колонна имеют разъемное соединение. С точки зрения прочностной надежности и обеспечения жесткости конструкции целесообразней было бы сделать единую деталь представляющую собой колонну с двумя резьбовыми участками и плунжером на конце рис. 4.8. Однако, существует ряд факторов не позволяющих использовать подобную конструкцию колонны. 1. Для обеспечения длительной безотказной работы колонны необходимо произвести предварительную затяжку стыка резьбового соединения узла дополнительная колонна — гайка - дополнительная поперечина. Осуществить же термозатяжку стыка непосредственно в кессоне пресса после установки основания практически не представляется возможным, из-за недостатка места для установки электронагревателей необходимой длинны и осуществления работ. Монтаж же такой колонны возможен только после установки основания. 2. Для монтажа верхней гайки необходимо сделать вырез в основании пресса. Учитывая фактическое состояние оснований и характер их напряженного состояния, считаем это недопустимым. Кроме того, монтаж гаек через такие окна бал бьккрайне неудобен. 3. В процессе работы пресса неизбежно происходит изнашивание полиуретановых уплотнений дополнительного цилиндра. То есть необходимо проводить их регулярную замену. Если колонна и плунжер .будут единой деталью, такая замена приведет к полной разборке дополнительного пресса и частичной разборке основных прессов, что потребует значительных временных затрат, то есть приведет к длительному простою пресса. 4. Габариты поковки для изготовления такой колонны вырастут более чем в два раза, что приведет к удорожанию детали.
Из всего выше изложенного очевидно, что конструкция, в которой плунжер и колонна представляют одну деталь, не может быть использована в дополнительных прессах. Соединение же колонны и плунжера должно отвечать следующим требованиям: обеспечивать прочностную надежность "и неограниченную долговечность соединяемых деталей размещаться в заданных габаритах между колоннами основного пресса и штампом в горизонтальной плоскости и основанием и дополнительным цилиндром в вертикальной легко монтироваться и демонтироваться.
