НИТУ МИСиС, Москва, Россия:

А. П. Коликов, докт. техн. наук, профессор кафедры ОМД, эл. почта: apkolikov@mail.ru
С. О. Ти, магистрант кафедры ОМД
Т. Ю. Сидорова, старший преподаватель кафедры ОМД

Обобщены результаты физического и математического моделирования напряженно-деформированного состояния металла и остаточных напряжений при пластическом формоизменении листовой заготовки и сварке труб большого диаметра. Показано, что уровень остаточных напряжений является важнейшей характеристикой состояния элементов сварных конструкций магистральных трубопроводов (особенно, глубоководных), их усталостной прочности. Описан один из аналитических методов расчета остаточных напряжений при упругопластической деформации прямоугольного бруса и широкой полосы; с позиции механики сплошной среды показано, что под действием изгибающего момента в наружных слоях появляются растягивающие, а во внутренних — сжимающие напряжения, которые изменяют знак при разгрузке, и в металле остаются остаточные напряжения: в наружных слоях — сжимаюшие, а на внутренней поверхности — растягивающие. С применением физического моделирования в 1960-х годах Ю. М. Матвеевым с сотрудниками были выполнены первые исследования остаточных напряжений на образцах, взятых от прямошовных сварных труб диаметром 720 и 1020 мм, изготовленных из листовой стали марки 17ГС на ТЭСА 1020 ЧТПЗ. В результате проведенных исследований авторы впервые получили картину распределения остаточных напряжений и установили, что на каждой технологической операции формуемой трубной заготовки после ее завершения по всему наружному периметру и длине действуют тангенциальные и осевые остаточные растягивающие напряжения σ_ост^max/σ_в ≤ 0,31, которые после экспандирования-калибрования труб снижаются до σ_ост^т = 0,23σ_в и σ_ост^ос = 0,18σ_в. Установлено, что на величину и распределение остаточных напряжений существенно влияют форма заготовки, порядок наложения сварных швов, режимы сварки и механические свойства металла. Этот вывод также был подтвержден экспериментальными исследованиями остаточных напряжений, которые были получены методами рентгеновской дифрактометрии и последовательного стравливания поверхностных слоев с использованием системы МерКулон «Тензор-3». Приведенные результаты экспериментальных исследований показали, что при пластическом формоизменении листовой заготовки и после сварки на наружной поверхности наблюдаются остаточные растягивающие напряжения в металле трубы и в сварном шве, которые могут быть причиной разрушения трубопровода. Показано, что применение физических и экспериментальных методов исследования остаточных напряжений на практике ограничено сложностью измерения напряжений и деформаций при нагрузке и разгрузке деформируемого металла и вызванной в связи с этим стоимостью затрат либо точностью измерения, поэтому в зарубежной практике предпочтение отдано численному моделированию остаточных напряжений, которое начали активно применять с середины 1990-х годов. В работе описаны результаты численного моделирования неравномерности напряженно-деформированного состояния и остаточных напряжений в металле трубного передела на всех стадиях при производстве по схеме JCO: подгибка кромок листа  формовка на прессе шаговой формовки  доформовка «шлицевой трубы» — трубного профиля с разведенными кромками  калибрование-экспандирование трубы. Полученные данные подтвердили вывод Ю. М. Матвеева и других исследователей, что при формовке листовой заготовки на прессовом оборудовании после разгрузки в металле остаются остаточные растягивающие напряжения на наружной поверхности, величина которых достигает σ_о = (0,70…0,75) σ_т, и которые вызывают изменение диаметра и овальности трубы относительно среднего значения. По результатам моделирования по методу конечных элементов показано, что требуемая геометрическая форма трубы и точность размеров по диаметру труб большого диаметра достигается при экспандировании заготовки с величиной овальности не более 5 мм, при этом обеспечивается качественная сборка и сварка кромок соединяемых труб в линии трубопроводной системы. Результаты применения численных методов моделирования с учетом остаточных напряжений рекомендуется учитывать при расчетах технологических параметров формовки трубной заготовки, калибровки инструмента и режимов настройки прессового оборудования.

1. Ушаков А. С., Кондратов Л. А. О производстве стальных труб // Сталь. 2020. № 10. С. 34–44.
2. Коршак А. А., Нечаев А. М. Проектирование и эксплуатация газопроводов. — СПб. : Недра, 2008. — 488 с.
3. Шинкин В. Н., Коликов А. П., Мокроусов В. Н. Расчет максимальных остаточных напряжений в стенке трубы при экспандировании с учетом остаточных напряжений заготовки после трубоформовочного пресса SMS MEER // Производство проката. 2012. № 7. С. 25–29.
4. Эфрон Л. И. Металловедение в «большой» металлургии. Трубные стали. — М. : Металлургиздат, 2012. — 696 с.
5. Штремель М. А. Разрушение материала : моногр. Книга 1. — М. : Изд. Дом МИСиС, 2014. — 670 с.
6. Буркин Ю. Н., Логинов Ю. Н., Тропотов А. В. и др. Анализ способов определения и устранения остаточных напряжений в трубных заготовках // Сб. научн. трудов «Достижения, теория и практика трубного производства». — Екатеринбург : ГОУ ВПО «УГТУ УПИ», 2004. С. 87–97.
7. Селезнев В. Е., Алешин В. В., Прялов С. И. Основы численного моделирования магистральных трубопроводов. — 2-е изд., перераб. и доп. / под ред. В. Е. Селeзнева. — М. : МАКС-Пресс, 2009. — 436 с.
8. Wen S. W., Hilton P., Farrugia D. C. J. Finite element modellino of a submerged arc welding process // Journal of Materials Processing Technology. 2001. Vol. 119, Iss. 1-3. P. 203–209.
9. Lorenz K., Dueren C. Steels for Line Pipe and Pipeline Fittinge // The Metals Sosiety. 1981. P. 322–332.
10. Матвеев Ю. М., Иванцов В. Я., Грум-Гржимайло Н. А. Производство электросварных труб большого диаметра. — М. : Металлургия, 1968. — 191 с.
11. Гончаров Ю. Г., Ефименко С. П., Малинка А. В. и др. Неразрушающий контроль труб для магистральных нефтегазопроводов. — М. : Металлургия, 1985. — 248 с.
12. Кудрявцев И. В. Влияние остаточных напряжений на усталостную прочность стали. — М. : Металлургия, 1978. — 392 с.
13. Томленов А. Д. Механика процессов обработки металлов давлением. — М. : Издательство машиностроительной литературы, 1963. — 235 с.
14. Казакевич Г. С., Рудской А. И. Механика сплошных сред. Теория упругости и пластичности. — СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2003. — 264 с.
15. Абрамов В. В. Остаточные напряжения и деформации в металлах. — М. : Металлургия, 1962. — 356 с.
16. Коликов А. П., Романцев Б. А., Алещенко А. С. Обработка металлов давлением : Теория процессов трубного производства : учебник. — М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2019. — 502 с.
17. Воронцов В. К., Полухин П. И., Белевитин В. А., Бринза В. В. Экспериментальные методы механики деформируемых тел (технологические задачи обработки давлением). — М. : Металлургия, 1990. — 480 с.
18. Данченко В. Н., Гринкевич В. А., Головко А. Н. Теория процессов обработки металлов давлением. — Днепропетровск : Пороги, 2010. — 386 с.
19. Ильюшин А. А. Механика сплошной срелы. — М. : МГУ, 1978. — 288 с.
20. Хажинский Г. М. Механика мелких трещин и надежнось элементов трубопроводов. — М. : ИНЭК, 2007. — 295 с.

21. Коликов А. П., Котелкин А. В., Лютцау А. П. и др. Применение метода рентгеновской дифрактометрии для исследования остаточных напряжений в деталях при холодной обработке давлением // Черные металлы. 2013. № 3. С. 20–24.
22. Коликов А. П., Лелетко Л. С., Яковлев М. Г. и др. Исследование неравномерности напряженно-деформированного состояния по остаточным напряжениям и повышение качества сварных труб // Сб. трудов 10-го Конгресса прокатчиков. Липецк. 2015. С. 190–200.
23. Shinkin V. N. Failure of large-diameter steel pipe with rolling scabs // Steel in Translation. 2017. Vol. 47. No. 6. P. 363–368.
24. Samusev S. V., Fadeev V. A. Continuous Shaping of Welded Straight-Seam Pipe in the Open Stands of a Pipe-Welding System // Steel Translation. 2019. Vol. 49. P. 447–453.
25. Zhigulev G. P., Skripalenkо M. N., Fadeev V. A. et al. Modeling of Deformation Zone during Plate Stock Molding in Three-Roll Plate Bending Machine // Metallurgist. 2020. Vol. 64. P. 348–355.
26. Чечулин Ю. Б., Боклар Н. Ю. Физическое моделирование предварительной формовки труб с использованием сборного инструмента / Тр. ХIХ Междунар. науч.-техн. конф. «Трубы-2011» : сб. докл. — Челябинск : ОАО «РосНИТИ», 2010. Ч. 1. С. 224–225.
27. Thibaux P., Hoecke Van D., De Vos G. Influence of forming and Flattening on the Measured tensile properties of linepipe // Proceeding of 6^th International Pipe line Conference. 2006. Calgary, Canada. P. 141–147.
28. Tsuru E., Akata J., Shinohara K., Uoshida T. Numerical and evaluation of formability and bucking resistance for high strength steel UOE pipe // Zairyo to Prosesu CAMP ISIJ. 2010. Vol. 23. No. 1(2). P. 297–300.
29. Hillenbrand H. G., Graef M. K., Gross-Weege J. Development of line pipe for deep-water applications // Proc. of the 12^th International Offshore and Polar Engineering Conference, ISOPE, Kitakyusyu. 2002. P. 287–294.
30. Asahi H., Hara T., Tsuru E. Development of Ultra-high strength Linepipe, X120 // Nippon Steel Technical Report. 2004. No. 90. P. 82–87.
31. Adeeb S., Horsley D. Investigating the Effect of UOE Forming Process on the Buckling of Line Pipes Using Finite Element Modeling // Proc. of the Int. Pipeline Conference IPC2006 (Septemder 2006, Canada). P. 169–174.
32. Masamura K., Nagahama Y. Manufacturing Processes and Products of Steel Pipes and Tubes in JFE Steel // Technical Report. January 2000. No. 7. P. 1–6.
33. Derichs W., Genser B. New Technologies for the Economical and Flexible Production of Large Diameter Pipes // Proc. of Int. Conference New Technologies for Tube and Pipe Production (October 2005, Czech Republic). — 6 р.
34. Коликов А. П., Звонарев Д. Ю., Таупек И. М. Применение математического моделирования для расчета режимов пластического формоизменения толстолистовой заготовки и повышение качества труб большого диаметра // Черные металлы. 2018. № 11. С. 60–66.
35. Коликов А. П., Звонарев Д. Ю., Таупек И. М., Сидорова Т. Ю. Математическое моделирование процесса пластического формоизменения листовой заготовки по всему технологическому переделу производства труб большого диаметра // Черные металлы. 2017. № 7. С. 41–45.
36. Simufact Material Manual. Simufact Engineering GmbH. — Hamburg, 2016. — 58 p.