Актуальность темы исследования. Причиной интенсивной модернизации трубной промышленности, наблюдаемой в последние годы, часто называют риски, связанные со вступлением России в ВТО, а также обострением конкуренции в отрасли черной металлургии. Однако мероприятия, направленные на увеличение производства, улучшение качества продукции и освоение новых видов труб в первую очередь связаны с необходимостью удовлетворения растущего спроса и с ужесточением требований к продукции со стороны нефте- и газодобывающих компаний. При этом в ряде случаев технические требования к качеству продукции находятся на более высоком уровне, чем требования международных стандартов. Ужесточение требований к трубам нефтяного сорта-мента продиктовано условиями их эксплуатации при бурении и обустройстве скважин нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений. К ним относят действие высоких температур, наличие агрессивных сред с сероводородом и углекислым газом, а также рост нагрузок при эксплуатации скважин, особенно тех, которые имеют глубину более 1,5 километров. Требуемая прочность резьбового соединения под действием растягивающих, сжимающих и изгибающих нагрузок, а также кручения обеспечивается высадкой концов труб.
Необходимость увеличения производительности и повышения качества труб с высаженными концами подтверждается высокой долей импорта этой продукции. Так, доля импорта обсадных и насосно-компрессорных труб в общем объеме потребления составляет от 13 до 22%, а бурильных - до 30-40%. При этом поставляемая продукция имеет как правило более высокое качество.
Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в развитие отечественной теории и практики высадки концов труб внесли Барич- ко Б.В., Выдрин А.В., Ганаго О.А., Ермолов И.В., Зинченко А.В., Козлов И.К., Осадчий В.Я., Остренко В.Я., Стрижак В.И., Шевченко А.А. и др. Однако, несмотря на имеющийся опыт производства труб с высаженными концами и существующие теоретические основы процесса высадки, имеются проблемы с обеспечением качества готовой продукции. По данным ОАО «Первоуральский новотрубный завод» (ОАО «ПНТЗ») доля брака, связанного с незаполнениями калибра металлом, составляет не менее 3%. При высадке отдельных партий за-готовок количество дефектов может достигать 30-40% и выше. При этом дефекты расположены на внутренней поверхности высаженных концов труб как вблизи торца, так и в области переходной части высадки. В ряде случаев трубы подлежат отбраковке по причине образования на внутренней поверхности не-пологого перехода от высаженной части к телу трубы.
Актуальными остаются проблемы повышения производительности при изготовлении труб с высаженными концами, т.к. существующие технологические процессы включают в себя до четырех проходов, в каждом из которых величину утолщения по стенке ограничивают как правило величиной 1,5. Каждая операция высадки осуществляется с контролем температуры конца трубы, а при необходимости осуществляют дополнительный подогрев металла в индукционной установке. Повышается также вероятность получения бракованных изделий за счет увеличения количества операций. Все это ведет к существенному увеличению затрат при производстве труб.
Целью диссертационной работы является совершенствование технологии высадки концов труб нефтяного сортамента, направленное на повышение качества продукции и увеличение интенсификации деформации металла.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:
- выполнить конечно-элементное моделирование процесса высадки с целью изучения закономерностей формоизменения металла, а также с целью установления связи между качеством готовой продукции и режимами нагрева заготовок, режимами деформации концов труб, параметрами настройки оборудования и размерами заготовок;
- разработать математическую модель процесса высадки концов труб, учитывающую особенности течения металла в очаге деформации и позволяющую с высокой точностью рассчитывать необходимое усилие высадки;
- выполнить промышленное исследование процесса высадки концов труб с целью подтверждения закономерностей формоизменения металла, установленных в результате теоретического исследования;
- выполнить промышленное исследование процесса высадки концов труб с целью изучения температурных полей в металле заготовки в процессах нагрева, деформации и последующего охлаждения;
- на основании закономерностей течения металла в очаге деформации при высадке концов труб сформулировать научно-обоснованные требования к размерам заготовок и к калибровке технологического инструмента;
- на основе сформулированных требований к размерам заготовок и к калибровке технологического инструмента, с учетом разработанной математической модели, а также с учетом результатов термографических исследований процесса высадки разработать новую технологию высадки концов бурильных труб ПН 73х9 по ГОСТ Р 50278-92 за один проход;
- в промышленных условиях оценить техническую и технологическую возможности реализации нового процесса.
Научная новизна представленной работы заключается в следующем:
- установлены закономерности течения металла и формоизменения концов труб в очаге деформации при высадке на гидравлических прессах;
- выявлена зависимость формоизменения металла при высадке концов труб от условий нагрева заготовок, режимов высадки, параметров настройки оборудования пресса и размеров заготовки;
- предложены критерии, характеризующие условия протекания процесса высадки, позволяющие оценить возможность образования дефектов на внутренней поверхности высаженных концов труб;
- установлены причины и условия образования дефектов на внутренней поверхности готовых изделий;
- сформулированы научно-обоснованные требования к размерам заготовки и калибровке технологического инструмента, позволяющие исключить образование дефектов на внутренней поверхности высаженных концов труб, расположенных вблизи торца;
- получено решение задачи по определению усилия деформации при вы-садке концов труб с применением вариационного метода на основе принципа минимума полной мощности, которое учитывает особенности течения металла в очаге деформации, в том числе в области, расположенной за участком перехода от высаженной части к телу трубы;
- предложена методика проведения и обработки опытных данных промышленного эксперимента, направленного на изучение формоизменения металла при высадке концов труб;
- показана возможность интенсификации процесса высадки концов труб, осуществляемой в несколько проходов.
Теоретическую и практическую ценность представляют следующие результаты работы:
- установлены пути повышения качества внутренней поверхности высаженных концов труб, связанные с ужесточением требований к заготовкам и к калибровке инструмента, а также с улучшением режимов нагрева и высадки;
- на основании промышленного исследования температурных полей в металле заготовки и высадки концов труб применительно к технологии ОАО «ПНТЗ» установлена величина уменьшения фактической длины нагрева за счет потерь тепла, а также значение величины, характеризующей неточность осевого положения трубы в очаге деформации;
- получено уравнение для расчета необходимого усилия прессования концов труб, осуществляемого наружу, внутрь трубы или комбинированным способом, обеспечивающее точность результатов на высоком уровне независимо от размеров заготовки и калибровки инструмента;
- разработана и внедрена технология изготовления инструмента путем азотирования поверхностного слоя;
- предложена и внедрена в производство новая технологическая смазка инструмента;
- разработана и успешно опробована в промышленных условиях технология высадки концов бурильных труб ПН 73х9 по ГОСТ Р 50278-92.
Методология и методы исследований. Методологической основой исследований послужили общие положения механики обработки металлов давлением, теория планирования эксперимента и основы статистической обработки экспериментальных данных. Для исследования процесса высадки концов труб нефтяного сортамента помимо вариационных методов механики деформируемого тела, эффективность которых доказана в многочисленных работах, использован метод конечных элементов, реализованный в программе Deform-3D. При этом построение геометрических моделей инструмента осуществлялось в программе SolidWorks. При проведении промышленных исследований процесса высадки использованы хромельалюмелевая термопара и тепловизор ThermaCAM Г640, признанные по результатам поверки годными к использованию. Обработка результатов термографического исследования процесса нагрева и высадки концов труб выполнена в программе FLIR ResearchIR. Измерения заготовок и высаженных концов труб осуществлены с помощью поверенных линеек и микрометров.
Положения, выносимые на защиту:
- комплексная методика проведения исследования процесса высадки концов труб, включающая компьютерное и математическое моделирование, а также промышленные испытания с целью изучения формоизменения металла в процессе деформации и установления причин образования внутренних дефектов на готовых изделиях;
- научно-обоснованные требования к размерам заготовки и к калибровке технологического инструмента, обеспечивающие отсутствие внутренних дефектов, расположенных вблизи высаженного конца трубы;
- методика и результаты промышленного исследования температурных полей в металле заготовки в процессе нагрева и высадки концов труб;
- новая технология высадки концов бурильных труб ПН 73х9 мм по ГОСТ Р 50278-92 за один проход;
- научно-обоснованные выводы о возможности интенсификации процессов высадки концов труб путем уменьшения числа операций.
Достоверность результатов работы обеспечивается методами математической статистики. Кроме того, результаты теоретических исследований подтверждены промышленными экспериментами, выполненными на гидравлическом прессе SMS Meer в ОАО «ПНТЗ».
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации и ее отдельные результаты доложены и обсуждены на: Международной конференции «IX Конгресс прокатчиков», г. Череповец, 2013 г.; XIV Международной научной конференции «Новые технологии и достижения в металлургии и материаловедении», Польша, г. Ченстохова, 2013 г.; III Международной интерактивной научно-практической конференции «Инновации в материаловедении и металлургии», г. Екатеринбург, 2013 г.; Международной конференции «Пластическая деформация металлов», Украина, г. Днепропетровск, 2014 г.; Международном научно-технического конгрессе «ОМД 2014. Фундаментальные проблемы. Инновационные материалы и технологии», г. Москва, 2014 г.; Между-народной конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении», г. Екатеринбург, 2014 г.; Международной научно-практической конференции «Трубы-2014», г. Челябинск, 2014 г.; Международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные процессы обработки металлов давлением: фундаментальные вопросы связи науки и производства», г. Магнитогорск, 2015 г.; 11-я Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии (СММТ'15)», г Санкт-Петербург, 2015 г.
Публикации. По материалам диссертации имеется 10 печатных работ, в том числе в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК - 3, вошедших в базу данных SCOPUS - 1.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и изложена на 215 страницах машинописного текста, включая 119 рисунков, 18 таблиц и библиографический список из 114 наименований.
Работа выполнена в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности № 11.1369.2014/K от 18.07.2014 (Номер государственной регистрации: 114122470051) на кафедре обработки металлов давлением Уральского федерального университета, а также в рамках реализации Про-граммы Повышения конкурентоспособности УрФУ на 2013-2020 гг.
В результате выполненной диссертационной работы достигнута цель и получены следующие результаты:
- теоретически с применением метода конечных элементов изучено формоизменение металла в процессе высадки концов труб в зависимости от фактических размеров заготовок в пределах допусков на диаметр и толщину стенки, в том числе от их разностенности, длины, температуры и равномерности нагрева концов труб перед высадкой, условий трения на контактной поверхности с инструментом, параметров настройки оборудования пресса, включая точность взаимного расположения трубы, пуансона и матриц;
- установлены причины и условия образования дефектов на внутренней поверхности высаженных концов труб в виде незаполнений штампового пространства металлом, в результате чего сформулированы научно-обоснованные требования к размерам заготовки и к калибровке технологического инструмента;
- разработана математическая модель процесса высадки концов труб, позволяющая с высокой точностью производить расчет усилия прессования, которое необходимо для получения качественного изделия;
- в ходе промышленного исследования процесса высадки концов труб подтверждены закономерности формоизменения металла, установленные по результатам теоретических исследований;
- изучено фактическое распределение температур в металле заготовки в процессе нагрева и последующей высадки;
- предложены пути повышения эффективности технологии высадки, включающие увеличение длины нагрева концов труб перед высадкой, ужесточение требований к размерам заготовок, улучшение условий трения на контактной поверхности с инструментом, а также повышение износостойкости технологического инструмента;
- на основе результатов теоретического исследования процесса высадки концов труб, включая расчет необходимого усилия прессования, разработана новая технология высадки концов бурильных труб ПН 73х9 по ГОСТ Р 50278-92 за один проход;
- новая технология высадки концов бурильных труб ПН 73х9 успешно опробована в промышленных условиях и показала возможность интенсификации процессов высадки;
- в работе представлена научно-обоснованная технология высадки концов труб, имеющая существенное значение для развития производства насосно-компрессорных и бурильных труб благодаря уменьшению числа проходов, уменьшению материало- и энергозатрат, повышению производительности оборудования, качества продукции и уменьшению брака.
Перспективы дальнейшей разработки выбранной темы исследований заключаются в создании методики и написании программы для автоматического расчета калибровки технологического инструмента, режимов нагрева и деформации концов труб, которые позволят минимизировать количество проходов операции высадки исходя из технических возможностей оборудования и требуемого качества продукции.
1. Ерпалов, М.В. Проблемы и достижения в производстве насосно-компрессорных труб с высаженными концами на ОАО «ПНТЗ» / М.В. Ерпалов, А.А. Богатов, С.В. Сыстеров, Ю.Б. Кулемин // Черные металлы. - 2015. - №2. - С. 28-33. (0,60 п.л./0,30 п.л.)
2. Ерпалов, М.В. Исследование формоизменения металла при высадке концов труб / М.В. Ерпалов, А.А. Богатов, С.В. Сыстеров, Ю.Б. Кулемин // Сталь. - 2015. - №3. - С. 60-63. (0,59 п.л./0,30 п.л.)
Erpalov, M.V. Shaping of metal in upsetting the ends of a pipe / M.V. Erpalov,
A. A. Bogatov, S.V. Systerov, Yu.B. Kulemin // Steel in Translation. - 2015. - Vol. 45. - P. 212-215. (0,39 п.л./0,20 п.л.)
3. Ерпалов, М.В. Исследование температурных полей при высадке концов труб / М.В. Ерпалов, А.А. Богатов, С.В. Сыстеров, Ю.Б. Кулемин // Сталь. - 2015. - №9. - С. 42-46. (0,43 п.л./0,21 п.л.)
Другие публикации:
4. Ерпалов, М.В. Проблемы и достижения в производстве насосно-компрессорных труб с высаженными концами на ОАО «ПНТЗ» / А.И. Дронов, В.В. Головин, Г.Н. Кондратьева и др. // IX Конгресс прокатчиков: Материалы Международной конференции. - Череповец, 2013. - С. 170-176. (0,70 п.л./0,35 п.л.)
5. Ерпалов, М.В. Экспериментальное исследование температурных полей при индукционном нагреве концов труб перед высадкой / М.В. Ерпалов, И.Е. Осипов, Ю.Б. Кулемин и др. // Пластическая деформация металлов: Материалы Международной конференции. - Украина, Днепропетровск, 2014. - С. 131-137. (0,69 п.л./0,35 п.л.)
6. Ерпалов, М.В. Экспериментальное исследование температурных полей при индукционном нагреве концов труб перед высадкой / М.В. Ерпалов, И.Е. Осипов, А.А. Богатов // Труды междунар. конф. «Трубы-2014». - Че¬лябинск: РосНИТИ, 2014. - Ч. 2 - С. 52-56. (0,72 п.л./0,36 п.л.)
7. Ерпалов М.В. Исследование и совершенствование технологии производства насосно-компрессорных труб с высаженными концами / М.В. Ерпалов, А.А. Богатов, А.С. Кунина // Инновации в материаловедении и металлургии: Материалы III Международной интерактивной научно-практической конференции. - Екатеринбург, 2013. - С. 96-97.(0,18 п.л./0,09 п.л.)
8. Ерпалов, М.В. Модернизация технологии высадки концов труб с целью повышения эффективности гидравлического пресса фирмы SMS Meer / М.В. Ерпалов, Г.Н. Кондратьева, А.А. Богатов // Инновационные технологии в металлургии и машиностроении: Материалы Международной конференции. - Екатеринбург, 2014. - С. 581-592. (1,26 п.л./1,63 п.л.)
9. Ерпалов, М.В. Проблемы и достижения в производстве насосно-компрессорных труб с высаженными концами на ОАО «ПНТЗ» /
A. И. Дронов, В.В. Головин, Г.Н. Кондратьева и др. // Новые технологии и достижения в металлургии и материаловедении: Материалы XIV Международной научной конференции. - Польша, Ченстохова, 2013. - С. 123¬131. (0,60 п.л./0,30 п.л.)
10. Ерпалов М.В. Освоение технологии высадки концов труб нефтяного сортамента на ОАО «ПНТЗ» / М.В. Ерпалов, Г.Н. Кондратьева,
B. И. Тазетдинов и др. // ОМД 2014. Фундаментальные проблемы. Инновационные материалы и технологии: Сборник докладов международного научно-технического конгресса. - М.: ООО «Белый ветер», 2014. - Ч.2. -C.64-69. (0,35 п.л./0,17 п.л.)