Определение технологических факторов прокатки, способствующих возникновению дефектов поверхности на трубах

Автор: Черных Иван Николаевич, Струин Дмитрий Олегович, Шкуратов Евгений Александрович

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy

Рубрика: Обработка металлов давлением. Технологии и машины обработки давлением

Статья в выпуске: 3 т.18, 2018 года.

Бесплатный доступ

Наиболее производительным и современным является способ получения труб на трубопрокатных агрегатах с использованием непрерывных раскатных станов с удерживаемой оправкой. Производство бесшовных труб горячей прокаткой на таких агрегатах может сопровождаться возникновением дефектов на поверхности труб, что приводит к увеличению количества бракованной продукции. С учётом современного уровня техники процесс дефектообразования при производстве труб изучен недостаточно. Дефекты возникают на поверхности труб при осуществлении прокатки в станах линии трубопрокатного агрегата. Характерными видами дефектов поверхности являются раковина-вдав, плена трубопрокатная на наружной и внутренней поверхности труб, а также поперечный разрыв металла. В данной статье рассмотрено качество труб наружным диаметром в диапазоне 219÷325 мм с толщиной стенки в диапазоне значений 8÷24 мм, получаемых прокаткой на агрегатах, имеющих в линии непрерывные раскатные станы с 2- и 3-валковыми калибрами. Качество рассмотрено с точки зрения влияния технологических факторов прокатки (коэффициент вытяжки, обжатие по наружному диаметру, толщине стенки и проч.) на количество брака по отдельным видам дефектов поверхности. В качестве универсального, ранее мало изученного, по величине которого можно судить об уровне дефектности технологии, рассмотрен фактор соотношения деформаций по диаметру к деформации по толщине стенки в раскатном стане. Статистическими методами получен ряд моделей, руководствуясь которыми можно прогнозировать ожидаемый уровень брака по дефектам поверхности при производстве бесшовных труб, а также подбирать условия деформирования, минимизирующие количество брака.

Еще

Качество труб, трубопрокатный агрегат, дефекты поверхности, технологические факторы прокатки

Короткий адрес: https://sciup.org/147232505

IDR: 147232505 | DOI: 10.14529/met180306

Текст научной статьи Определение технологических факторов прокатки, способствующих возникновению дефектов поверхности на трубах

Производство бесшовных труб горячей прокаткой на современных трубопрокатных агрегатах (ТПА) сопровождается возникновением дефектов поверхности различного вида [1]. Наличие дефектов приводит к преждевременному выходу из строя конструкций, составленных из таких труб [2].

В зависимости от глубины залегания, расположения по поверхности и требований стандартов наличие дефектов поверхности может приводить к браку при производстве труб [3]. Это обосновывает актуальность проведения исследований в области дефектообразования.

Перспективной для подобных исследований является технология получения труб с

использованием современных ТПА с непрерывными раскатными станами [4]. Массив имеющейся научно-технической информации с учётом индивидуальных особенностей ТПА может быть применён в виде общих рекомендаций по снижению количества брака. С другой стороны, выполненный анализ позволил выявить для ТПА с любым составом оборудования факторы, влияющие на возникновение дефектов [5–14]: степень тонкостенности раската; частные и суммарные значения коэффициента вытяжки; изменение наружного диаметра и толщины стенки.

Возможность формализации статистических данных о количестве брака по дефектам

Таблица 1

Значения коэффициента корреляции r_xy

Фактор	Обозначение	Диапазон варьирования	Вид дефекта поверхности
Фактор	Обозначение	Диапазон варьирования	ДП	С 1	РНТ	ПНТ	ПВТ	РВТ
В составе ТПА: раскатной стан с 3-валковыми клетями
Степень тонкостенности	D/S ГТ	9,95÷40,6	–0,33	0,42	–0,2	–0,24	–0,3	–0,29
	D/S НС	14,4÷50,2	–0,28	0,44	–0,25	–0,2	–0,25	–0,27
	D/S ИС	13,5÷47,4	–0,29	0,44	–0,24	–0,21	–0,26	–0,27
Изменение наружного диаметра	δ D НС	9,3÷12,9	0,16	0,05	0,4	–0,14	0	0,12
	δ D ИС	1,7÷5,6	–0,16	–0,01	–0,41	0,13	0	–0,14
	Σδ D ИС, КС	3,5÷24,9	0,41	0	–0,33	0,32	0,39	0,26
Изменение толщины стенки	δ S НС	40,3÷71,5	–0,24	0,37	–0,14	–0,23	–0,2	–0,27
Соотношение деформаций по диаметру к деформации по толщине стенки	δ D/ δ S КС	–0,3÷–3,8	–0,39	–0,24	0,3	–0,24	0,31	–0,18
Коэффициент вытяжки	μ НС	1,8÷3,8	–0,24	0,49	–0,17	–0,25	–0,24	–0,27
	μ ПС, НС	3,6÷10,8	–0,31	0,38	–0,24	–0,2	–0,28	–0,26
	μ ТПА	3,6÷12,2	–0,23	0,4	–0,29	–0,14	–0,2	–0,22
В составе ТПА: раскатной стан с 2-валковыми клетями
Степень тонкостенности	D/S ГТ	11,4÷40,6	0,64	0,76	0,5	0,33	0,52	0,02
	D/S ПС	7,8÷13,8	0,6	0,7	0,45	0,33	0,5	0,04
	D/S НС	12,1÷47,8	0,66	0,78	0,52	0,29	0,53	–0,03
Изменение толщины стенки	δ S НС	45,7÷75,9	0,53	0,56	0,44	0,35	0,38	0,01
Соотношение деформаций по диаметру к деформации по толщине стенки	δ D/ δ S НС	0,2÷0,3	–0,58	–0,65	–0,44	–0,33	–0,49	–0,06
Коэффициент вытяжки	μ ПС	2,3÷3,7	0,45	0,39	0,31	0,47	0,37	0,29
	μ НС	2,1÷4,6	0,6	0,68	0,5	0,32	0,44	–0,05
	μ ПС, НС	4,7÷15,8	0,6	0,65	0,46	0,41	0,46	0,08
	μ ТПА	4,8÷16,8	0,6	0,66	0,47	0,39	0,46	0,05

Обработка металлов давлением… поверхности относительно технологических факторов прокатки показана в источниках [6, 14].

Для предварительной оценки связи между факторами и браком по отдельным видам дефектов использовался коэффициент парной корреляции r xy [15]. Для исследуемых выборок и уровней значимости α = 0,05 и α = 0,1 принимаются значения ǀ r_xy ǀ ≥ 0,42 и ǀ r_xy ǀ ≥ 0,34 (табл. 1). Если r xy ≥ 0, то рост фактора будет способствовать увеличению количества брака и наоборот.

Предварительное исследование показало:

– влияние одинаковых факторов на количество брака при производстве труб в разных ТПА может быть противоположно;

– влияние технологических факторов прокатки на вероятность возникновения брака по дефекту вида поперечный разрыв металла одинаково вне зависимости от вида ТПА;

– прокатка в линии ТПА с использованием калибровочного стана потенциально влияет на количество брака по отдельным видам дефектов. В частности, при увеличении сум-

Примечание. ГТ – готовая труба; ПС – прошивной стан; НС – непрерывный раскатной стан; ИС – стан-извлекатель оправки; КС – калибровочный стан; ДП – дефекты поверхности; С – поперечный разрыв металла; РНТ и РВТ – раковина-вдав на наружной и внутренней поверхности трубы; ПНТ и ПВТ – плена трубопрокатная на наружной и внутренней поверхности трубы.

Таблица 2

Виды полученных моделей

№ модели	Вид модели	Формула
1	Линейная	y = ax + b
2	Полиномиальная	y = ax ² + bx + c
3	Экспоненциальная	y = ae bx
4	Степенная	y = ax b

Таблица 3

К оценке адекватности полученных моделей для ТПА с 2-валковым раскатным станом

Вид ДП	Фактор	№ модели (табл. 2)	Коэффициенты модели			Оценка адекватности
Вид ДП	Фактор	№ модели (табл. 2)	a	b	c	F	α	² ост
ДП	δ D/ δ S НС	3	34,51	–17,84	–	13,19	0÷0,05	0,01
	D/S ПС	1	0,137	–0,94	–	1,39	0,2÷0,3	0,05
	μ ПС	1	0,589	–1,274	–	1,41		0,05
	μ НС	3	0,023	0,813	–	1,36		0,06
ПНТ	δ D/ δ S НС	1	–7,838	2,686	–	2,51	0,1÷0,2	0,08
	μ ПС	2	0,506	–2,358	2,727	1,43	0,2÷0,3	0,08
	μ ПС, НС	1	0,093	–0,496	–	1,53		0,08
	μ ТПА	1	0,087	–0,498	–	1,5		0,08
ПВТ	D/S ПС	1	0,153	–1,091	–	10,48	0÷0,05	0,01
	δ D/ δ S НС	1	–5,537	1,987	–	6,47	0÷0,05	0,01
	μ ПС	1	0,775	–1,793	–	4,65	0,05÷0,1	0,03
	μ ПС, НС	3	0,038	0,192	–	1,43	0,2÷0,3	0,04
	μ ТПА	2	0,007	–0,103	0,575	1,78	0,2÷0,3	0,03
С	D/S НС	2	0,002	–0,096	1,08	8,42	0÷0,05	0,03
	δ S НС	3	4·10^–15	0,44	–	348,69		4·10^–4
	δ D/ δ S НС	2	88,5	–53,7	8,043	16,51		0,01
	μ НС	2	0,396	–2,249	3,114	19,12		0,01
	μ ПС, НС	3	1·10^–8	1,189	–	10,79		0,03
	μ ТПА	2	0,018	–0,325	1,333	6,47		0,02
	D/S ПС	1	0,192	–1,824	–	2,38	0,1÷0,2	0,06
	D/S ГТ	1	0,033	–0,652	–	1,41	0,2÷0,3	0,09

Таблица 4

К оценке адекватности полученных моделей для ТПА с 3-валковым раскатным станом

Вид ДП Фактор № модели (табл. 2) Коэффициенты модели Оценка адекватности a b c F α 2 ост ДП δDНС 1 0,293 –2,727 – 4,21 0,05÷0,1 0,04 РНТ ΣδDИС, КС 3 1,948 –0,11 – 5,88 0,05÷0,1 0,03 δD/δSКС 2 0,208 0,996 1,262 3,19 0,1÷0,2 0,04 D/SНС 2 0,001 –0,13 2,488 1,55 0,2÷0,3 0,06 D/SИС 2 0,001 –0,136 2,463 1,46 0,06 ПНТ ΣδDИС, КС 1 0,056 –0,346 – 3,17 0,1÷0,2 0,05 ПВТ ΣδDИС, КС 1 0,054 –0,413 – 8,05 0÷0,05 0,02 μНС 2 0,499 –3,379 5,78 10,08 0,02 РВТ ΣδDИС, КС 2 –0,004 0,183 –0,927 6,69 0,05÷0,1 0,04 С D/SГТ 3 1·10–10 0,586 – 9,03 0÷0,05 0,03 δSНС 3 6·10–18 0,552 – 17,06 0,01 μПС, НС 3 4·10–10 2,016 – 59,85 0,003 μТПА 4 3·10–14 12,54 – 130,45 0,001 D/SНС 4 5·10–24 13,81 – 5,43 0,05÷0,1 0,07 D/SИС 4 9·10–24 13,86 – 5,65 0,07 μНС 2 0,604 –3,053 3,737 3,42 0,1÷0,2 0,04 марной степени редуцирования в стане-извлекателе и калибровочном стане количество брака по дефекту вида раковина наружная трубопрокатная может снижаться, а по дефекту вида плена внутренняя трубопрокатная – увеличиваться;

– увеличение соотношения деформаций по диаметру к деформации по толщине стенки [10] может способствовать снижению количества брака.

Если коэффициент корреляции ǀ r xy ǀ = 1, можно говорить с максимальной достоверностью, что зависимость между сравниваемыми величинами является линейной. Большинство значений коэффициента корреляции в табл. 1 свидетельствует о нелинейной зависимости.

Сами факторы могут быть зависимыми или независимыми величинами. Проверка проводилась также с использованием коэффициента парной корреляции r xy . Коэффициент корреляции r xy между факторами табл. 1 принимает значения в диапазоне от 0,75 до 1, что говорит о наличии высокой степени связи между ними. Следовательно, зависимость между количеством брака при производстве труб и фактором может быть описана уравнением от одной переменной.

Задача по определению вида эмпирической зависимости решается с использованием метода наименьших квадратов (МНК). В настоящее время метод МНК реализован в ряде компьютерных программ.

В [15] в качестве рекомендации при обработке статистических данных предлагается использовать интервальную группировку данных. То есть весь диапазон варьирования фактора (см. табл. 1) разбивается на несколько равных отрезков, в каждом из которых вычисляется среднее значение фактора и средневзвешенное значение параметра отклика (количество брака). Для определения шага разбиения с учётом объёма выборки n пользуются эмпирическими формулами, в частности формулой Стерджесса [6, 15]:

K - 1 + 3,3221g n .

Уровень брака при производстве труб в разных ТПА различен. Для сравнения рассматриваемых технологий и оценки вероятности возникновения максимальное значение брака по отдельному виду дефектов поверхности при производстве труб приравнивалось к 1, остальные значения после группировки данных вычислялись в долях относительно максимального.

После получения моделей, отражающих зависимость количества брака при производстве труб от выбранных факторов (см. табл. 1), производилась их оценка с использованием F -критерия Фишера и величины остаточной дисперсии. Значения эмпирических коэффициентов a , b , c для полученных моделей (табл. 2) с указанием уровня достоверности α сведены в табл. 3, 4.

Исследование показало (см. табл. 3, 4):

– наибольший комплекс технологических факторов оказывает влияние на формирование брака по дефекту поверхности вида поперечный разрыв металла;

– для обеих линий ТПА количество брака по причине дефекта поверхности вида поперечный разрыв металла увеличивается с ростом относительного обжатия толщины стенки в раскатном стане δS НС и суммарного коэффициента вытяжки при прошивке и раскатке μ ПС, НС (рис. 1);

– дефекты вида поперечный разрыв металла (рис. 1а) возникают при прокатке труб в раскатном стане при коэффициенте вытяжки на участке оправочных станов (рис. 1б), равном 8,0 и 12,2 для линии ТПА с 2-валковым и 3-валковым непрерывным раскатным станом с удерживаемой оправкой;

– соотношение деформаций по диаметру к деформации по толщине стенки в линии ТПА с 2-валковым раскатным станом оказывает влияние на появление брака по большинству исследуемых видов дефектов (рис. 2а). Подобным фактором для линии ТП может

а)

Коэффициент вытяжки при прошивке и раскатке

б)

а)

Рис. 2. Влияние технологических факторов прокатки на количество брака по различным видам дефектов: а) соотношения суммарных деформаций по наружному диаметру и толщине стенки в непрерывном раскатном стане; б) суммарной степени редуцирования наружного диаметра в стане-извлекателе оправки и калибровочном стане

Рис. 1. Влияние технологических факторов прокатки на количество брака по дефекту вида поперечный разрыв металла: а) суммарного относительного обжатия толщины стенки в непрерывном раскатном стане; б) суммарного коэффициента вытяжки процессов прошивки и раскатки

Суммарная степень редуцирования

б)

также выступать параметр суммарной степени редуцирования в станах ИС и КС Σδ D ИС, КС (рис. 2б). Факторы, влияние которых показано на рис. 2, являются оценочными. Повлиять на их величину, на уровень дефектности в целом и по отдельным видам дефектов можно за счёт факторов прокатки в прошивном и непрерывном оправочном станах. Соответствующие модели приведены в табл. 3, 4;

– наличие отдельно стоящего в линии ТПА калибровочного стана и прокатка в нём с увеличением степени редуцирования наружного диаметра способствует уменьшению количества брака по дефекту вида раковина-вдав на наружной поверхности (см. рис. 2б).

Выводы

1. Рассмотрено качество бесшовных горячекатаных труб, получаемых прокаткой с использованием современных ТПА с непрерывными раскатными станами с удерживаемой оправкой.
2. Получен ряд моделей, отражающих зависимость количества брака от технологических параметров прокатки в линии ТПА.
3. Различные комбинации факторов прокатки на участке прошивной – непрерывный стан влияют на формирование конечной картины брака при производстве труб как по дефектам поверхности в целом, так и по отдельным видам дефектов. Увеличение степени редуцирования наружного диаметра при прокатке с использованием отдельно стоящего калибровочного стана в линии ТПА способствует уменьшению количества брака по дефекту вида раковина-вдав на наружной поверхности.
4. Дефект вида поперечный разрыв металла вне зависимости от конструкции непрерывного стана возникает при величине суммарного обжатия толщины стенки свыше 60 %. При этом его появление связано с качеством гильзы.
5. Количество брака по дефекту вида поперечный разрыв металла частично формиру-
ется за счёт трансформации из дефектов другого вида, поскольку зависит от тех же факторов, что и количество брака по дефектам вида плена наружная и внутренняя трубопрокатная.
6. В целом полученный ряд моделей согласуется с имеющимися в научно-технической литературе данными. С этой точки зрения модели уточнены с учётом режимов прокатки, применяемых на современных ТПА.
7. Мало исследованными с учётом современного оборудования ТПА технологическими факторами прокатки, влияющими на формирование брака, являются полученные модели для факторов соотношения деформаций по диаметру к деформации по толщине стенки и суммарной степени редуцирования наружного диаметра в стане-извлекателе оправки и калибровочном стане.
8. Руководствуясь полученными моделями, можно прогнозировать ожидаемый уровень брака по дефектам поверхности при производстве бесшовных труб прокаткой на современных ТПА, а также подбирать условия деформирования, минимизирующие количество брака по дефектам поверхности.

Список литературы Определение технологических факторов прокатки, способствующих возникновению дефектов поверхности на трубах

Дефекты стальных слитков и проката: справочное издание / В.В. Правосудович, В.П. Сокуренко, В.Н. Данченко и др. - М.: Интермет Инжиниринг, 2006. - 384 с.
Establishment of a database and a classification of the defects in the metal of pipes according to their severity / M. Bettayeb, E. Bouali, N. Abdelbaki, M. Gaceb // 20th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2012. - Prague, Czech Republic, 2012. - P. 607-615.
ГОСТ Р 53383-2009. Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Технические условия. - М.: Стандартинформ, 2009. - 21 с.
Лубе, И.И. Исследование и совершенствование технологии горячей прокатки труб из непрерывнолитой заготовки на агрегатах с непрерывным станом: автореф. … дис. канд. техн. наук: 05.16.05 / И.И. Лубе. - М., 2010. - 21 с.
Пластометрические исследования металлов / Н.А. Мочалов, А.М. Галкин, С.Н. Мочалов, Д.Ю. Парфенов. - М.: Интермет Инжиниринг, 2003. - 318 с.
Статистический анализ брака наружной поверхности котельных труб / Ю.В. Зильберг, В.Г. Чус, А.С. Кагарлицкий и др. // Обработка металлов давлением: сб. науч. тр. - М.: Металлургия, 1976. - Вып. 59. - С. 257-273.
Зильберг, Ю.В. Формоизменение поверхностных дефектов заготовки при производстве труб на ТПА с непрерывным станом / Ю.В. Зильберг, Б.В. Гнездилов // Сталь. - 1984. - № 9. - С. 59-61.
Использование программного продукта с открытым кодом для выявления причин дефектообразования при изготовлении прецизионных труб / С.И. Паршаков, А.А. Богатов, А.В. Серебряков и др. // Труды XVII Международной научно-технической конференции «ТРУБЫ-2009». - Челябинск: ОАО «РосНИТИ», 2009. - С. 305-309.
Галкин, С.П. К вопросу о выборе типа прошивного стана / С.П. Галкин, А.В. Гончарук, Б.А. Романцев // Сталь. - 2012. - № 1. - С. 42-46.
Видоизменение дефектов горячепрессованных труб при холодной пильгерной прокатке / А.А. Терещенко, О.Ю. Кравченко, А.В. Скрынник, Я.В. Фролов // Пластическая деформация металлов. - 2014. - Т. 2. - С. 160-163.
Минаев, А.А. Специфика использования катаной и непрерывнолитой заготовки для производства труб / А.А. Минаев, М. Захур, Ю.В. Коновалов // Производство проката. - 2005. - № 4. - С. 29-37.
Глазунова, Н.А. Классификация по видам дефекта «продир» на внутренней поверхности горячекатаных труб / Н.А. Глазунова, О.В. Рожкова, И.А. Ковалева // Литье и металлургия. - Минск: Изд-во БНТИ, 2014. - № 1 (74). - С. 28-32.
Матвеев, Б.Н. Совершенствование производства труб из высоколегированных сталей // Сталь. - 2000. - № 3. - С. 56-58.
Чуев, А.А. Пути решения проблем повышения качества поверхности труб, прокатываемых на ТПА-140 с двухклетевым станом продольной прокатки / А.А. Чуев, В.Н. Данченко // Металлургическая и горнорудная промышленность. - Днепропетровск: НИИ Укрметаллургинформ, 2012. - № 3. - С. 49-53.
Фастовец, Н.О. Математическая статистика. Примеры, задачи и типовые задания: учеб. пособие для нефтегазового образования / Н.О. Фастовец, М.А. Попов. - М., 2012. - 99 с.

Еще

Статья научная