Трубогибы и трубогибочные станки для холодной гибки труб

Трубогибы для холодной гибки труб должны создавать уси­лия для гибки труб и поддерживать трубы в рабочем положении. Во время гибки на трубогибе металл трубы в изгибаемом участке доводится до пластического состояния.
Трубогибы разделяются по способам гибки. Выбор способа гибки и трубогиба зависит от диаметра трубы, толщины стенки, материала и необходимого радиуса гиба, необходимого количе­ства гнутых труб, условий производства, имеющегося оборудова­ния, необходимой точности и качества.
Наиболее важным для осуществления качественной гибки яв­ляется правильный выбор способа гибки. Трубы до гнутья, кроме опреде­ленных допусков, как по наружному диаметру, так и по толщине стенки имеют разностенность в продольном направлении, причем разностенность зависит от способа изготовления труб. Если кромки, сваренные продольным швом, имеют разную толщину, то горячекатаные трубы имеют разностенность, вызванную техноло­гией изготовления. Однако относительная толщина стенки делает бесшовные трубы значительно более устойчивыми по сравнению со сварными трубами большого диаметра, значи­тельно более тонкостенными (по ГОСТ наименьшая относительная толщина стенки трубы размером 1300 X 10).

Все имеющиеся механизмы для холодной гибки труб на стан­ках без появления гофр на внутренней части гиба (холодная гладкая гибка) имеют различное конструктивное выполнение (фиг. 1, а—к).
Гибка труб сопровождается нежелательными для последую­щей эксплуатации явлениями. К ним относятся утонение стенки на внешней части гиба, овализация (сплющивание) поперечного се­чения в гибе, образование гофр и изломов на внутренней части гиба. Кроме того, процесс осложняется тем, что после гибки имеется пружинение (упругий отпор), при котором изменяется радиус гиба трубы. Имеет также значение место расположения гиба вдоль трубы. Если радиус гиба мал, то трубу легче гнуть ближе к ее концам и труднее в средней ее части. У согнутого конца трубы утонение стенки на наружной части гиба меньше, чем у гиба, выполненного в средней части. Поэтому в средней части радиус гиба должен быть выбран большим, чем при гибке конца трубы.

Фиг. 1. Способы холодной гибки труб:
а —с обкаткой; б — наматыванием; в — волочением; г — вальцовкой; д — на двух опорах; е— растяжением; ж—с внут­ренним гидростатическим давлением; и — через фильеру, имеющую криволинейную ось; к — по копирам.

Гибка трубы с прямой осью происходит под действием сил, пер­пендикулярных к ее оси, или под действием пары сил, приложен­ных к ее оси. В отличие от обычной теории изгиба, где продольные деформации волокон рассчитываются в предположении неизменяемости поперечного сечения изгибаемой балки, при изгибе труб не­обходимо учитывать, что возникающие напряжения приводят к из­менению формы поперечного сечения трубы, деформации стенки трубы и смещению нейтральной оси. В металле стенок труб при изгибе происходят упругие и упруго-пластические деформации, меняющие его физико-механические свойства.

Фиг. 2. Изгиб трубы

Нейтральная ось, проходящая в поперечном сечении прямой трубы через ее центр тяжести, смещается при этом в зависимости от способа гибки в сторону внутрен­ней части гиба (подобно тому, как это происходит при изгибе кривого бруса со сплошным поперечным сече­нием) или в сторону внеш­ней части гиба. Величина и направление смещения ней­тральной оси при одной и той же толщине стенок зави­сит от ряда факторов, в том числе от величины и на­правления продольных сил; смещение возрастает с уве­личением толщины стенки трубы. О величине смещения нейтраль­ного слоя при гибке труб до сих пор имеется мало данных.
При гибке прямой трубы изменение цилиндрической формы и толщин стенок происходит неравномерно по всей поверхности гиба. Наблюдается, что изменение формы поперечного сечения трубы в гибе приводит при заданном приращении кривизны оси трубы к меньшему удлинению по сравнению с удлинением, рассчи­тываемым по теории изгиба балок.
Рассмотрим простейший случай, когда под действием внеш­него изгибающего момента труба находится в условиях чистого изгиба. При чистом изгибе отсутствуют касательные напряжения, а величина изгибающего момента постоянна по длине трубы. Труба изгибается по дуге круга с радиусом гиба R. На внешней части гиба (фиг. 2) возникают растягивающие напряжения, а на внутренней части — сжимающие.
Растягивающие и сжимающие напряжения дают равнодей­ствующие силы N и N1, направленные к нейтральной оси. Эти равнодействующие вызывают напряжения поперечного сжатия и соответствующие поперечные деформации трубы. Моменты попе­речных сил вызывают изменение формы поперечного сечения (сплющивание трубы).
В результате напряжений, возникающих при изгибе, происхо­дит утонение внешней и утолщение внутренней стенок трубы. При значительном утонении наружной части гиба происходит ослабление трубы. Это утонение тем более нежелательно, что внут­ренняя стенка внешней части гиба подвергается в ряде трубо­проводов истиранию под действием движущегося по трубе про­дукта.
При гибке тонкостенных труб на малые радиусы гиба вели­чина утонения стенки трубы должна быть учтена в прочностных расчетах трубопровода. Тонкостенными называют трубы, имея в виду не толщину стенки δ, а отношение этой толщины к наружному диаметру

С расчетной точки зрения труба является тонкостенной, если

Таким образом, подавляющее большинство применяемых труб может быть отнесено к категории тонкостенных. Так, например, согласно существующим нормам расчета элементов паровых котлов на прочность, величина при­бавки С к расчетной толщине стенки трубы определяется по формуле:
С=A1(δ-C)

Коэффициент A1принимается в зависимости от величины техно­логических допусков на толщину стенки.

Величина прибавки С во всех случаях должна быть не менее' 0,5 мм. Определенная при помощи этой формулы и таблицы вели­чина С включает в себя компенсацию утонения стенки в гибах труб при условии, если средний радиус гиба будет не менее 3,5 Dн - для трубопроводов и не менее 2Dн — для змеевиков пароперегре­вателей и экономайзеров. При применении радиусов гибов R меньше указанных выше, величина коэффициента A1 должна быть умножена на для трубопроводов и кипятильных труб, на

для змеевиков пароперегревателей и экономайзеров.
Такой учет утонения не предусматривает способ гибки, поэтому он не отвечает действительным условиям работы трубопровода.
Вопросами действительных деформаций труб при холодной гибке занимался ряд исследователей. Так, напри­мер, Б. С. Дмитриев исследовал деформацию труб (размером 89X5 из стали 15М при радиусе гиба R = 250 мм, размером 133 X 4 и 168 X 7 из стали 10 при R = 400 и 500 мм, размером 135X5 из меди МЗС при R — 400 мм) при холодной гибке с дорном.

На основе подсчета истинных удлинений по формуле

где Lк — длина участка трубы после гибки;
L0— длина участка трубы до гибки,
построены графики истинных деформаций по углу гиба 90° (фиг. 3,а) и 180° (фиг. 3,6) для труб диаметром 89 мм, согнутых ло радиусу R= 2,8 Dн
Из фиг. 3, а и б видно, что возрастающие в начале пластические деформации затем становятся постоянными и в конце гиба падают.

1. Расположение сечения в гибе

б) Расположение сечения в гибе

Фиг. 3. Деформация стенки трубы при гнутье.

Эти деформации распространяются не только на изогнутый уча­сток трубы АБ, но имеют место также в прямолинейных участках до гиба и за ним. На внешней части гиба удлинение меньше, чем это предполагается по расчету средней величины относительного удли­нения.
Если перед началом гиба отсутствует прямой участок, т. е. когда труба крепится к гибочному шаблону непосредственно в начале гиба, то нарастание пластической деформации происходит от этого начала.

Величина угла нарастания деформации выражается зависимо­стью

При гибке труб в холодном состоянии происходит наклеп ме­талла и возникают остаточные напряжения. На внутренней части гиба возникают пластические деформации сжатия. Когда в изо­гнутом участке трубы под действием внутреннего давления начнет увеличиваться радиус гиба, в сжатых слоях будут действовать рас­тягивающие напряжения. При этом наблюдается эффект Баушинтера—металл после пластической деформации сжатия имеет по­ниженный предел текучести при растяжении. В то же время в на­ружной части гиба, где происходит растяжение стенки металла, имеется повышенный предел текучести.
Для ответственных трубопроводов, работающих под давлением, в коррозионной среде или при циклической нагрузке сравнительные испытания на образцах, вырезанных из труб, недостаточны. В этих случаях прочность изогнутого трубопровода должна проверяться прямыми испытаниями.

Экспериментальными исследованиями В. Г. Гребенкина по изучению напряженного состояния изогнутых в холодном состоя­нии труб 76X7,5 мм; 38X3,5 мм и 38X4 мм под действием внутрен­него давления установлено, что с увеличением степени овальности осевые и окружные напряжения увеличиваются. Разрушающее внутреннее давление в гибе близко или более давления, необходи­мого для разрушения прямой трубы. Прочность изогнутых участ­ков по отношению к прямым повышается с увеличением отношения

Разрушение происходило почти у всех испытанных образцов только на несогнутом прямом участке.
Работы других исследователей, проведенные над трубами, согнутыми в холодном состоянии, показывают, что разрушение по; действием внутреннего давления происходит на изогнутом участке в области, близкой к нейтральной оси гиба.
При гибке сечение трубы в зависимости от способа гибки Iдопусков в трубогибочном оборудовании приобретает форму овала с большей осью сечения, расположенной перпендикулярно плоскости (центровой линии) оси гиба трубы (фиг. 2). Овализация трубы в гибе сильно сказывается на напряженном состоянии. Овальность криволинейных участков трубопроводов ограничена по ГОСТ 9842-6 и не должна превышать 12,5%.
В процессе эксплуатации с повышением внутреннего давления труба в изогнутом участке стремится принять круглую форму, что создает изгибные напряжения в этом участке и изменяет опорные реакции.
Величина допускаемой овальности зависит от назначения криволинейного участка трубопровода. Когда большая ось сечения лежит в плоскости оси гиба (центральной оси) трубы, овальность уменьшает его жесткость.
Если при упругом изгибе труб происходят незначительные абсолютные приращения кривизны и коэффициент жесткости кривой трубы можно считать величиной постоянной, соответствующей начальной кривизне трубы, то при гибке труб (например, по схеме чистого изгиба) сама задача заключается в значительном изменении кривизны, поэтому по мере уменьшения радиуса гиба коэффициент уменьшения жесткости должен постепенно уменьшаться, как это вытекает из исследований Кармана по упругому изгибу труб.
При определении усилий, необходимых для гибки, величина этого коэффициента зависит от степени сплющивания трубы, которая в свою очередь зависит от конструкции и размеров устройств, под­держивающих постоянную форму поперечного сечения.
Достаточно незначительных перемещений сплющивания, чтобы вызвать существенные изменения в величине и распределении изгибных напряжений в трубе и соответственно понизить коэффи­циент изменения жесткости трубы, который при круглом поперечном сечении считаем равным единице, т. е. как у сплош­ного бруса.

Величина коэффициента сплющивания при различных ограни­чителях до настоящего времени научно не обоснована, поэтому расчет изгибающего момента ведется без учета сплющива­ния.

Фиг. 4. Диаграмма распределения нормальных напряжений в поперечном сечении трубы при изгибе

Расчет изгибающего момента для гибки тонкостенных труб. Для выбора параметров трубогибочного останка необходи­мо определять величину потреб­ного изгибающего момента в за­висимости от известных параме­тров труб (геометрические разме­ры трубы, предел текучести, мо­дуль упрочнения и радиус гиба). Если для упрочняющегося мате­риала трубы принять условную диаграмму напряжений — дефор­маций в поперечном сечении тру­бы (фиг. 4), то можно получить с достаточной для практики точ­ностью формулу для определения изгибающего момента.

Для наглядности труба на чертеже повернута так, чтобы диа­грамма распределения напряжений в ней соответствовала диа­грамме растяжения; по горизонтали откладываем расстояния во­локон металла трубы от нейтрального слоя и соответствующие им деформации, а по вертикали — нормальные напряжения в се­чении трубы.

Обозначим:

εт— деформация, соответствующая пределу текучести;
у — текущая координата точки, лежащей на средней линии поперечного сечения трубы;
УТ — координата границы пластической зоны;
МТ — изгибающий момент, соответствующий началу пластичес­кой деформации трубы;
φт— центральный угол границы упругой зоны поперечного се­чения трубы;
Из условия равновесия изгибающий момент равен моменту внутренних сил. Поэтому

Запишем ряд зависимостей: (1)
элементарная площадка сечения трубы

Если принять гипотезу плоских сечений, удлинение будет про­порционально расстоянию волокна от нейтральной линии

В зоне упругих деформаций

В зоне пластических деформаций

Подстановка этих зависимостей в формулу (1)

или после интегрирования

Где

Если в крайних волокнах трубы появятся пластические деформации

тогда из формулы (2) получаем (3)

Наибольшие деформации будут в наиболее отдаленной от оси трубы образующей

Так как

то

Откуда
(4)
Таким образом, по полученным формулам (4) и (2), зная механические свойства (Е, Е1,) и геометрические параметры, трубы (r, R), легко вычис­лить потребный изгибающий момент.

Очевидно, что при возник­новении пластических деформаций

Для упрощения вычисле­ния необходимого изгибаю­щего момента на фиг. 5 пока­заны, графики зависимости от

при различных отно­шениях модуля упрочнения Е1к модулю упругости Е.
Для труб из сталей, имею­щих протяженную площадку текучести, как это принято, полагаем, что на диаграмме растяжения упрочнение отсутствует (E1=0).
В этом случае формула (2) принимает вид
(5)

Пригодность формулы (5) определяется условием

Фиг. 5. График для подсчета изгибаю­щего момента.

Если все сечение трубы подвергается пластическим деформа­циям φТ= 0) , то по формуле (5) можно определить предельную способность трубы

Этому частному случаю соответствует нижний график

Овализация труб.Для трубопроводов высокого давления, где нагрузка пульсирующая, наблюдаются случаи появления мельчай­ших трещин, которые сопровождаются утечками продукта. Тре­щины появляются в двух участках гиба, а именно в точках Г—Г и С—С
(фиг. 2), причем в большинстве случаев в точ­ках С.
Основным фактором, ослабляющим трубу, является ее овализация. При увеличении овализации прочность трубопровода, пред­назначенного для транспортирования продукта при пульсирующей нагрузке, уменьшается.
Овальность сечения определяется по формуле (ГОСТ 9842-61)

Разрушение металла в точках С—С происходит потому, что в результате более значительных деформаций в этих местах из-за изменения радиуса кривизны и большей толщине возникают боль­шие остаточные напряжения. Когда труба находится под давле­нием, она стремится принять круглую форму, и радиус кривизны и точках С—С увеличивается, а в точках Г—Г уменьшается, что вызывает в металле напряжения того же знака, что и остаточные 'напряжения. Поэтому для снятия внутренних напряжений после гибки следует производить отжиг труб.
Если в изогнутом трубопроводе находится транспортируемый продукт, способный вызвать коррозию, то наличие значительной овальности и соответственно повышенных внутренних напряжений металла стенки трубы способствует появлению коррозионных трещин. Поэтому при разработке оборудования для гибки стре­мятся к тому, чтобы овальность в гибе была наименьшей.
Величина допускаемой овальности зависит от назначения тру­бопровода. Так, например, для котельных агрегатов разность между наибольшим Dmaxи наименьшим Dmin
наружным диаметром грубы в гибе не должна превышать значений, приведенных и табл. 1.

Таблица 1
Разность между наибольшим и наименьшим диаметром в гибе

При гибке можно приближенно определить величину овализации [1].
Малая ось овала при гибке определяется по уравнению
Dmin=Dн-a
где а — величина уменьшения диаметра трубы после гнутья в мм
(а = рk) ;
р — коэффициент, зависящий от материала трубы.

где k — коэффициент, зависящий от радиуса гиба, толщины стенки и диаметра трубы;
— экстраполированный предел текучести

Для АМГ коэффициент равен 3,123, для стали 20 — 2,799, а для 1Х18Н9Т — 2,535.