RU2758399C1 - Method for straightening ends of seamless pipes - Google Patents

Abstract

FIELD: metal processing.

SUBSTANCE: invention relates to the field of metal processing by pressure, in particular pipe production. A method for straightening ends of seamless pipes with a diameter of 114-508 mm on a press includes feeding a pipe to its initial position, rigid fixation of the pipe in clamps, pressing a calibration tool into an inner cavity of the pipe with subsequent removal of the tool. The straightening is carried out in two stages using a non-circular tool, which, depending on the diameter of the pipe, is 3-8 axisymmetric sectors adjustable in a radial position with a radius of curvature of 0.7-0.95 of the nominal inner radius of the pipe. Each sector has cylindrical working and conical input and output parts with angles of 4-15°. The second stage is performed by the mentioned tool, turned relatively to the longitudinal axis of the tool by an angle Δα, defined in degrees as:

, where n is the accepted number of sectors of the tool.

EFFECT: straightening of ends of pipes of a wide range of initial ovality is provided.

1 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности трубному производству, в частности к трубопрокатному и трубопрессовому производству и может быть использовано при производстве бесшовных труб как нефтяного сортамента, в качестве подготовки для нарезки резьбы, так и для гладких труб общего назначения. Кроме того, возможно использование для подготовки стыков труб под сварку в различных отраслях промышленности: строительстве трубопроводов, машиностроении, судостроении и пр. The invention relates to the field of metal pressure processing, in particular pipe production, in particular to pipe-rolling and pipe-pressing production and can be used in the production of seamless pipes as an oil country product, as a preparation for threading, and for smooth pipes for general use. In addition, it can be used for the preparation of pipe joints for welding in various industries: pipeline construction, mechanical engineering, shipbuilding, etc.

Технологический процесс производства труб любым способом предусматривает определенную разницу геометрии концов и центральной части трубы. Здесь и далее «Краевой эффект». Это обусловлено существенной разницей условий деформирования металла в процессе передела. В общем случае в процессе формообразования трубы, проходящем постепенно, вдоль оси трубы (трубной заготовки), в деформировании каждого элементарного объема металла принимают участие соседние объемы - ранее продеформированный металл (помогает деформации) и следующий за деформируемым участком (сопротивляется деформации). Процесс формообразования трубы является установившимся в центральной части трубы на некотором расстоянии от торцов (данное расстояние зависит от многих факторов: диаметра трубы, толщины стенки, способа формовки, температуры нагрева - от комнатной температуры до температур, близких к температуре плавления металла - и пр.). На концах труб в силу краевого эффекта создается геометрия, отличная от центральной части. Исключением могут служить непрерывные способы производства труб, например, производство спиральношовных труб с применением конвенционального процесса, когда формовка и сварка рабочих швов производится одновременно, а исходным материалом служит непрерывная полоса металла, образуемая приваркой переднего края каждого нового рулона (листа) к заднему краю ранее сваренной и частично сформованной полосы. The technological process for the production of pipes in any way provides for a certain difference in the geometry of the ends and the central part of the pipe. Hereinafter, "Edge effect". This is due to a significant difference in the conditions of metal deformation in the process of repartition. In the general case, in the process of forming a pipe, passing gradually along the axis of the pipe (pipe billet), in the deformation of each elementary volume of metal, adjacent volumes take part - the previously deformed metal (helps deformation) and the next after the deformed section (resists deformation). The process of pipe shaping is established in the central part of the pipe at some distance from the ends (this distance depends on many factors: pipe diameter, wall thickness, molding method, heating temperature - from room temperature to temperatures close to the metal melting temperature, etc.) ... At the ends of the pipes, due to the edge effect, geometry is created that is different from the central part. An exception can be continuous methods of pipe production, for example, the production of spiral-seam pipes using a conventional process, when the forming and welding of working seams is performed simultaneously, and the starting material is a continuous strip of metal formed by welding the front edge of each new roll (sheet) to the rear edge of the previously welded and a partially formed strip.

Известен cпособ подготовки концов труб нефтяного сортамента под нарезку резьбы, включающий деформацию на прессе, отличающийся тем, что в процессе деформации концу трубы на длине 10-35 мм от ее торца в направлении тела трубы придают форму усеченного конуса с диаметром малого основания на 2-10 мм меньше наружного диаметра трубы и с диаметром большого основания, равным наружному диаметру трубы, с сохранением исходной толщины стенки (патент № 2 555 305 B21B 21/00 (2006.01) опубл. 10.072015 г.). Данный способ хорошо применим для создания условий для захода режущего инструмента для нарезки конической резьбы на концах труб, но и он не обеспечивает требуемую форму концевого участка трубы на всю длину резьбовой части, длина которой может составлять более 100 мм. При достаточно глубоких отклонениях от цилиндрической формы концов обрабатываемых таким образом труб возможно получение резьбы неполного профиля на расстоянии более 35 мм от торца, а также образование черновин. Во всех случаях это приводит недостаточной герметичности резьбового соединения, а также к снижению его долговечности.There is a known method of preparing the ends of oil country tubular goods for threading, including deformation on a press, characterized in that in the process of deformation, the end of the pipe at a length of 10-35 mm from its end in the direction of the pipe body is given the shape of a truncated cone with a small base diameter of 2-10 mm less than the outer diameter of the pipe and with a large base diameter equal to the outer diameter of the pipe, while maintaining the original wall thickness (patent No. 2 555 305 B21B 21/00 (2006.01) publ. 10.072015). This method is well applicable to create conditions for the entry of the cutting tool for cutting tapered threads at the ends of pipes, but it also does not provide the required shape of the end section of the pipe for the entire length of the threaded part, the length of which can be more than 100 mm. With sufficiently deep deviations from the cylindrical shape of the ends of the pipes processed in this way, it is possible to obtain an incomplete profile thread at a distance of more than 35 mm from the end, as well as the formation of roughings. In all cases, this leads to insufficient tightness of the threaded connection, as well as to a decrease in its durability.

Также известен способ калибровки концов труб (Авторское свидетельство СССР № 547250 - опубл. 27.04.77), состоящий в обжиме нагретого до пластического состояния конца трубы матрицей по наружной поверхности с одновременным деформированием металла со стороны внутренней поверхности вибрируемым калибр-дорном. Недостатки данного способа очевидны: сталь, даже нагретая выше температуры перехода в аустенитное состояние (это ~ 1000°C для большинства углеродистых низколегированных сталей), обладает упругостью, и, как следствие, после завершения калибровки и снятия матрицы, возникает упругий возврат, т.е. частичное возвращение исходной геометрии.Also known is a method for calibrating pipe ends (USSR Inventor's Certificate No. 547250 - publ. 27.04.77), which consists in crimping the pipe end heated to a plastic state with a matrix on the outer surface with simultaneous deformation of the metal from the inner surface by a vibrating mandrel gauge. The disadvantages of this method are obvious: steel, even heated above the transition temperature to the austenitic state (this is ~ 1000 ° C for most carbon low-alloy steels), has elasticity, and, as a consequence, after the completion of calibration and removal of the matrix, an elastic return occurs, i.e. ... partial return of the original geometry.

Во всех случаях результаты калибровки (правки) круглыми калибрующими инструментами зависят от исходной геометрии трубы. На фигуре 1 показана характерная форма поперечного сечения концевой части трубы. Общая форма, представляя собой некоторую непараметрическую замкнутую кривую, содержит один или несколько участков перегиба (на фиг.1 их два), где радиус кривизны меньше номинального радиуса трубы, а также один или несколько недогнутых зон, соответственно, с радиусами кривизны больше номинального. Общую оценку «некруглости» трубы, таким образом, можно оценивать двум по количественным критериям: контрольному - по разности D_max и D_min (фиг. 1), далее условно именуемая Овальность, и аналитическому, представляющую собой обобщенную сумму всех элементарных отклонений от круглой формы, так, что:In all cases, the results of calibration (straightening) with round calibrating tools depend on the original pipe geometry. Figure 1 shows a typical cross-sectional shape of the end portion of a pipe. The general shape, representing some nonparametric closed curve, contains one or more bend sections (there are two of them in Fig. 1), where the radius of curvature is less than the nominal radius of the pipe, as well as one or more non-bent zones, respectively, with radii of curvature greater than the nominal. The overall assessment of the "out-of-roundness" of the pipe, thus, can be assessed by two quantitative criteria: control - by the difference D _max and D _min (Fig. 1), hereinafter conventionally called Ovality, and analytical, which is the generalized sum of all elementary deviations from the round shape , so:

, где n - общее количество элементарных дуг окружности, описывающих форму трубы, Δr_i - разность номинального радиуса трубы и радиуса кривизны i-той элементарной дуги, α_i - угол i-той элементарной дуги, исчисляемый в радианах. При этом очевидно, что для исходной трубы

, where n is the total number of elementary circular arcs describing the shape of the pipe, Δr _i is the difference between the nominal radius of the pipe and the radius of curvature of the i-th elementary arc, α _i is the angle of the i-th elementary arc, calculated in radians. Moreover, it is obvious that for the original pipe

, несмотря на то, что элементарные отклонения имеют разные знаки, а также

, despite the fact that elementary deviations have different signs, and also

Таким образом, при калибровке трубы (конца трубы) во всех случаях требуются одновременно деформации разных знаков - и растягивающие (увеличивающие радиус кривизны), и сжимающие (соответственно, снижающие радиус). Решения, используемые для калибровки труб, чаще всего состоят в том, что всему периметру трубы сообщается заведомо избыточная растягивающая, или сжимающая деформация. В случаях, когда требуется сохранить исходный периметр конца трубы, знак деформаций чередуется. Реализуется это всегда посредством напрессовки на тело трубы некоторой пресс-формы с требуемой геометрией и размерами. Однако развитие деформации в процессе калибровки происходит неравномерно по периметру трубы благодаря физической нелинейности процесса. Таким образом, в процессе правки конца трубы с профилем, показанным на фиг. 1, и применением внутреннего инструмента (дорна) с цилиндрической рабочей частью и заходным конусом, раньше всего начнется и будет происходить с наибольшей скоростью деформирование участков перегиба, как зон, где концентрируются напряжения, где деформация требует наименьших энергетических затрат. При этом, как только деформация на данных участках достигнет зоны текучести (см. фиг. 2), деформация остальной части профиля трубы прекратится. Действительно, всякое приращение деформации Δε в зоне текучести потребует приращение напряжения Δσ существенно меньшее, чем в упругой зоне (при напряжении ниже предела упругости), и меньшее, чем в зоне пластичности (между пределами упругости и текучести). Благодаря всему вышеизложенному, избыточное растяжение или сжатие профиля трубы приводит к избыточной деформации в концентраторах напряжений, т.е. в местах с наиболее искаженной геометрией и, в общем случае, к изменению направления овальности, т.е. замене местами осей. Дополнительно, если калибровка конца трубы осуществляется раздачей, на деформируемых участках образуется утонение стенки, поскольку вся абсолютная величина растяжения не распределяется по периметру трубы, а концентрируется на нескольких узких участках. Учитывая все вышеизложенное, следует считать, что для достижения круглой формы трубы общая деформация должна быть превышать значение δε (см. выше) на величину, равную упругому возврату. Данное требование может быть реализовано подбором размеров калибрующего инструмента применительно к исходной геометрии каждой конкретной трубы. В условиях реального трубопрокатного производства неизбежна изменчивость процесса, приводящая к тому, что каждая труба имеет свои собственные отклонения от круглой формы, особенно концы. В таблице 1 приведены данные по исходной геометрии концов труб размером 406.4 х 21.44 мм - данные по внутреннему диаметру.Thus, when sizing a pipe (pipe end), in all cases, deformations of different signs are required simultaneously - both stretching (increasing the radius of curvature) and compressing (respectively, reducing the radius). The solutions used for sizing pipes most often consist in the fact that a deliberately excessive tensile or compressive deformation is communicated to the entire perimeter of the pipe. In cases where it is required to maintain the original perimeter of the pipe end, the sign of deformations alternates. This is always done by pressing a certain mold with the required geometry and dimensions onto the pipe body. However, the development of deformation during the calibration process occurs unevenly along the pipe perimeter due to the physical nonlinearity of the process. Thus, in the process of straightening the pipe end with the profile shown in FIG. 1, and the use of an internal tool (mandrel) with a cylindrical working part and a lead-in cone, deformation of the bend areas begins and will occur with the highest speed as zones where stresses are concentrated, where deformation requires the least energy costs. In this case, as soon as the deformation in these areas reaches the yield zone (see Fig. 2), the deformation of the rest of the pipe profile will stop. Indeed, any increment in deformation Δε in the yield zone will require an increment in stress Δσ that is significantly less than in the elastic zone (at a stress below the elastic limit) and less than in the plastic zone (between the elastic and yield limits). Due to all of the above, excessive stretching or compression of the pipe profile leads to excessive deformation in stress concentrators, i.e. in places with the most distorted geometry and, in the general case, to a change in the direction of ovality, i.e. swapping axes. Additionally, if the pipe end is calibrated by expansion, a thinning of the wall is formed in the deformable sections, since the entire absolute value of the extension is not distributed along the pipe perimeter, but is concentrated on several narrow sections. Considering all of the above, it should be considered that in order to achieve a round shape of the pipe, the total deformation must exceed the value of δε (see above) by an amount equal to the elastic return. This requirement can be realized by selecting the size of the calibration tool in relation to the initial geometry of each specific pipe. In the conditions of real pipe-rolling production, process variability is inevitable, leading to the fact that each pipe has its own deviations from the round shape, especially the ends. Table 1 shows data on the original geometry of the ends of pipes measuring 406.4 x 21.44 mm - data on the inner diameter.

Рассматриваемая партия труб была изготовлена в минусовой допуск по диаметру - для 100 % калибровки концов труб раздачей. Допуск на овальность составлял 1.5 мм. При этом, несмотря на то, что часть труб по обоим концам укладывалась в допуск, калибровка концов таких труб также производилась - для обеспечения допуска по диаметру. В результате калибровки посредством запрессовки внутреннего калибра (калибровка раздачей) в допуск по овальности вошли концы только тех труб, которые имели исходную овальность в районе максимальных значений - от 2.5 до 3 мм. Наихудшие результаты калибровки были показаны на трубах, имеющих минимальную исходную овальность концов. The considered batch of pipes was manufactured with minus tolerance in diameter - for 100% calibration of the pipe ends by expansion. The ovality tolerance was 1.5 mm. At the same time, despite the fact that some of the pipes at both ends fit within the tolerance, the ends of such pipes were also calibrated to ensure the diameter tolerance. As a result of calibration by pressing in the inner gauge (calibration by distribution), the ovality tolerance included the ends of only those pipes that had the initial ovality in the region of maximum values - from 2.5 to 3 mm. The worst calibration results were shown on pipes with the minimum initial ovality of the ends.

Учитывая все вышеизложенное, техническая задача может быть сформулирована следующим образом: найти способ калибровки концов бесшовных труб каждого типоразмера/сортамента (диаметра, толщины стенки и класса прочности) с применением калибрующего инструмента постоянной формы для широкого диапазона исходной овальности.Considering all of the above, the technical problem can be formulated as follows: to find a way to calibrate the ends of seamless pipes of each standard size / gauge (diameter, wall thickness and strength class) using a calibrating tool of constant shape for a wide range of initial ovality.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что калибровку концов необходимо производить в два этапа: на предварительном этапе создается избыточная деформация с образованием нескольких зон перегиба посредством запрессовки внутрь трубы (фиг. 3. Поз 1) некруглого инструмента, представляющего собой в зависимости от диаметра трубы 3-8 осесимметричных секторов с радиусом кривизны 0.7-0.95 номинального внутреннего радиуса трубы (фиг. 3 поз. 2); основная калибровка производится аналогичным инструментом, повернутым относительно оси трубы на угол, равный (в градусах)The technical problem posed is solved due to the fact that the ends must be calibrated in two stages: at the preliminary stage, excessive deformation is created with the formation of several bend zones by pressing inside the pipe (Fig. 3. Pos. 1) a non-circular tool, which, depending on the pipe diameter 3-8 axisymmetric sectors with a radius of curvature of 0.7-0.95 of the nominal inner radius of the pipe (Fig. 3, pos. 2); the basic calibration is performed with a similar tool, rotated relative to the pipe axis by an angle equal to (in degrees)

, где n - количество секторов инструмента. Для обоих этапов величина R_техн, являющаяся функцией от расстояния от центра кривизны сектора до общего центра инструмента, представляет собой настраиваемый параметр, зависящий от номинального внутреннего диаметра трубы.

, where n is the number of sectors of the instrument. For both stages, the value of R _tech , which is a function of the distance from the center of curvature of the sector to the common center of the tool, is an adjustable parameter depending on the nominal inner diameter of the pipe.

Claims (2)

Способ правки концов бесшовных труб диаметром 114-508 мм на прессе, включающий подачу трубы в исходное положение, жесткую фиксацию трубы в зажимах, запрессовку калибрующего инструмента во внутреннюю полость трубы с последующим извлечением инструмента, отличающийся тем, что правку производят в два этапа с использованием некруглого инструмента, представляющего собой в зависимости от диаметра трубы 3-8 осесимметричных регулируемых по радиальному положению секторов с радиусом кривизны 0,7-0,95 номинального внутреннего радиуса трубы, а каждый сектор имеет цилиндрическую рабочую и конические входную и выходную части с углами 4-15°, при этом второй этап производят указанным инструментом, повернутым относительно продольной оси инструмента на угол Δα, определяемый в градусах как:A method of straightening the ends of seamless pipes with a diameter of 114-508 mm on a press, including feeding the pipe to its original position, rigidly fixing the pipe in the clamps, pressing a calibrating tool into the inner cavity of the pipe, followed by removing the tool, characterized in that the straightening is performed in two stages using a non-circular a tool, which, depending on the pipe diameter, represents 3-8 axisymmetric radially adjustable sectors with a radius of curvature of 0.7-0.95 of the nominal inner radius of the pipe, and each sector has a cylindrical working and conical inlet and outlet parts with angles of 4-15 °, while the second stage is performed with the specified tool, rotated relative to the longitudinal axis of the tool at an angle Δα, defined in degrees as:

, где n - принятое количество секторов инструмента.

, where n is the accepted number of sectors of the instrument.

Images