книги из ГПНТБ / Таран, Владимир Деомидович. Технология сварки и монтажа магистральных трубопроводов

Горячее гнутье

Чтобы изогнуть трубу на некоторый радиус, необходимо при­ ложить к ее концам изгибающее усилие. Величина усилия зави­ сит от диаметра и толщины стенки трубы, а также от типа и марки

стали.

Изгибающее усилие может быть значительно уменьшено, если трубу гнуть не в холодном, а в нагретом (выше 700°) состоянии, при котором предел прочности малоуглеродистой и низколегиро­ ванной сталей резко снижается.

На рис. 162 показан график изменения предела прочности (в процентах от значений при нор­ мальной температуре) малоугле­ родистой стали Ст. 3. Из графика

Для гнутья трубы нагревают до 1000—1100°.

В процессе гнутья стенки труб теряют устойчивость, вследствие чего происходит их местное сплющивание или во внутренней части кривизны появляются гофры. Чтобы предотвратить потерю устойчивости и получить гладкий погиб, трубу перед нагревом

239

заполняют мелкозернистым, хорошо просеянным и высушенным песком, который затем уплотняют вибраторами, молотками и

т. п. Для этого трубу устанавливают в вертикальное положение

вспециальных вышках с бункерами для песка. После заполнения трубы ее концы плотно закрывают пробками.

Нагревают трубы в горнах или специальных подогреватель­ ных устройствах.

Для гибки чаще всего используют шаблоны с необходимым радиусом кривизны. Трубу при помощи лебедки огибают вокруг шаблона.

Способ горячей гибки дает хорошие результаты, но из-за про­ должительности, высокой стоимости и слабой механизации про­ цесса при строительстве магистральных трубопроводов больших диаметров почти не применяется.

Гнутье со складками

Разновидностью горячего гнутья является гнутье с образова­ нием складок.

Этот способ применяют в тех случаях, когда надо получить криволинейные участки малых радиусов (от R — Dn до R = = 4D„), а также различные отводы и компенсаторы.

Для изготовления участков со складками необходим мест­ ный односторонний нагрев трубы до 800—900° и немедленный по­ гиб в направлении нагретой части. Вследствие понижения пре­ дела прочности металла при высокой температуре сжатый элемент на длине нагрева теряет устойчивость и выпучивается в сторону внешней поверхности трубы. На трубе образуется местная вы­ пуклость в виде складки. При изгибе происходят не только пла­ стические, но и упругпе деформации. Если после погиба трубу сразу же освободить, то возникнет частичная обратная деформа­ ция, изменяющая первоначальную форму складки и уменьшающая полученный угол изгиба.

Для нагрева при гнутье со складками используют газосвароч­ ные горелки обычного типа. Чтобы сконцентрировать и ускорить нагрев применяют сменные наконечники больших номеров. Трубы диаметром выше 300 мм нагревают тремя горелками. Ранее об­ разованные складки, а также тыльную (не нагреваемую) часть трубы в процессе гибки охлаждают водой или укрывают влажными листами асбеста, чтобы предотвратить распространение деформа­ ции дальше необходимой области.

Концы труб закрывают деревянными пробками, чтобы не было циркуляции воздуха, уменьшающего интенсивность нагрева.

Расположение каждой складки и площадь нагрева заранее размечают и ведут нагрев по этой разметке. Гнутье осуществляют при помощи приводных или ручных лебедок.

Одна складка обеспечивает изгиб трубы примерно на 5—7°. Когда надо изогнуть трубу на больший угол, увеличивают число

•складок.

.240

Холодное гнутье труб

Холодное гнутье труб, выполняемое при помощи машин и приспособлений, получает все более широкое распространение благодаря простоте процесса, высокой степени механизации и отсутствию необходимости в технологическом топливе. Место погиба при холодном гнутье может быть гладким и склад­ чатым.

Холодное гнутье при строительстве магистральных трубопро­ водов осуществляется следующими технологическими приемами: 1) чистым изгибом; 2) изгибом с односторонним стеснением в по­ гибе; 3) изгибом с двусторонним стеснением в погибе; 4) изгибом со складками.

Способ ч и с т о г о и з г и б а труб в условиях трассы разра­ ботан во ВНИИСТ [41]. Для гнутья этим способом используют

на специально выровненной площадке и л и на подкладках из бре­ вен. Между трубами помещают распорные домкраты, а на концы труб надевают полумуфты с тягами. При помощи домкратов осу­ ществляют изгиб до необходимого угла (с учетом упругого воз­ врата).

Усилие Р, необходимое для изгиба, можно определить из ра­ венства моментов внешних и внутренних сил материала труб, на­ ходящегося в пластической стадии:

р = 0,1667 а т (Дн3— А ,3)

(XI. 3)

где I — расстояние между тягами и домкратами (см. рис. 163).

Мощность домкратов следует назначать на 20—25% выше рас­ четного усилия, так как пластическая деформация крайних воло­ кон материала труб может исчерпаться и металл будет работать в стадии упрочения.

Значения усилия Р для труб различных наружных диаметров со стенкой т о л щ и н о й 10 мм, выполненных из металла с пределом текучести стт = 3200 кГ/сма, приведены в табл. 53.

Недостатком описанного способа является то, что труба в процессе гнутья представляет собой как бы напряженную пру­

ватывающий половину ее окружности. При изгибе стенки трубы не теряют устойчивости, так как имеют жесткую опору (стес­ нены).

Кроме опорного башмака, в устройстве для гнутья предусмот­ рены приспособления для захвата концов трубы и приложения к ним усилий. Все приспособления смонтированы на автомобиле, трубоукладчике или передвижном станке. В СССР распространен трубогибочный станок ТГС-1.

Исследованиями, выполненными во ВНИИСТ [42], было уста­ новлено, что трубы диаметром 720 мм со стенкой толщиной 10 мм невозможно изгибать описанными выше способами. Односторон­ нее стеснение трубы большого диаметра не предохраняет ее стенки от потери устойчивости. Для сохранения устойчивости необхо­ димо создать в месте погиба двустороннее стеснение, т. е. охватить трубу двумя полукольцами.

Перед началом гнутья участок, охваченный полукольцами, сжимается так, что в трубе создаются кольцевые напряжения. После этого к трубе прикладывают усилия для создания изгибаю­ щего момента. Такой технологический процесс исключает возмож­ ность эллиптичности трубы и уменьшает вероятность появления

гофр.

В зарубежной практике для тонкостенных труб магистраль­

142

Гофрированные закругления повышают гидравлические сопроти* вления трубопровода, поэтому гнутье со складками в нашей стране не получило распространения.

ИЗГИБ ТРУБЫ ЗА ПРЕДЕЛОМ УПРУГОСТИ

Холодное гнутье труб осуществляется на большие радиусы. Поэтому для анализа поведения металла при изгибе нет необхо­ димости рассматривать трубу как кривой брус. Можно ограни­ читься предположением, что участок изгиба является заделкой, а место точки приложения усилия и направление последнего от­ носительно оси трубы остаются неизменными. Погрешность при расчете в этом случае не превышает 5%.

Рис. 164. Схема изгиба трубопровода. Залиты участки трубы, охваченные пластической деформацией.

При изгибе труб на малые углы деформация происходит в пре­ делах некоторой (небольшой) части площадки текучести или в крайнем случае незначительно превышает предел текучести. Поэтому упрочнение в месте изгиба невелико и без большой пог­ решности им можно пренебречь.

Постепенное увеличение нагрузки, приложенной к концам трубы, вызывает ряд изменений в ее напряженном состоянии. Вначале все поперечное сечение трубы охвачено упругими напря­ жениями (рис. 164, а). Для упрощения рассматриваем изгиб трубы как изгиб бруса, т. е. не учитываем явления сплющивания.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к тому, что наи­ большие нормальные напряжения достигают предела текучести и металл находится в упруго-пластической области (рис. 164, б).

Рассмотрим работу такого упруго-пластического шарнира, приняв за основу эпюру на рис. 164, б.

По условиям равновесия изгибающий момент, приложенный к трубе, должен быть равен моменту внутренних сил.

Если приравнять моменты от внешних и внутренних сил, то для произвольного сечения, отстоящего от заделки на расстоя­

Уравнение (XI.4) дает возможность: а) найти границу уп­ ругой и пластической зон в любом сечении трубы при изгибе, б) составить дифференциальное уравнение изогнутой оси, нахо­ дящейся в упруго-пластической стадии деформирования, в) оп­ ределить величину прогиба при предельном состоянии.

Под действием момента

в крайних участках поперечного сечения трубы появляются зоны пластичности вследствие того, что напряжения в них достигают предела текучести сгт (при усилии Q(l). При дальнейшем увеличе­ нии силы Q область пластических деформаций возрастает, распро­ страняясь по длине и поперечному сечению трубы. По длине трубы граница области пластических деформаций х0 (рис. 164, в) может быть определена из уравнения

Из уравнений (XI. 5) и (XI. 6) находим

Дальнейшее увеличение силы Q вызывает расширение зоны пластических деформаций, которая стремится к предельному со­ стоянию. В идеально упругом материале предельное состояние на­ ступает, кргда зона текучести распространяется настолько, что оставшаяся упругой часть тела не может быть при данной нагрузке геометрически неизменяемой. Нагрузка, соответствующая пре­ дельному состоянию, называется предельной и является макси­ мальной возможной для данного тела [43].

244

Предельное состояние деформируемой трубы схематически по­ казано на рис. 165. При х = жпред изгибающий момент опреде­ лится из уравнения (XI.4) в предположении, что ф0 = 0:

найдем ж„рРд (т. с. положение границы пластичной зоны), под­ ставив значение уравнения (XI. 11) в уравнение (XI. 7):

245

Подставив значение у0 в уравнение (XI. 13), получим диф­ ференциальное уравнение изогнутой оси трубопровода

Стрела прогиба при пластическом изгибе в 1,5 раза больше,

Дальнейшее увеличение прогиба без возрастания поперечной нагрузки приведет к повороту трубы в пластическом шарнире.

Полученные результаты дают возможность определить вели­ чину хода домкратов, создающих изгибающее усилие, которое приводит к образованию пластического состояния металла трубы в месте прогиба.

ТРУБОГИБОЧНЫЕ МАШИНЫ

Установка УГГ-2

Установка (станок) УГТ-2 для холодного гнутья труб (рис. 166) имеет жесткую раму, на которой укреплены башмак 2, гибочный ложемент 3, упор 1, гидравлические домкраты, двигатель, редук­ тор, арматура с принадлежностями гидросистемы и другие эле­ менты.

Первые установки УГТ-2 предназначались для гибки труб диаметром 720 мм со стенкой толщиной 10 мм и испольаовались на строительстве газопровода Ставрополь — Москва.

Рама у становки представляет собой сварную металлическую конструкцию, в передней и задней частях которой поставлены проушины для крепления дышла и ограничителя разворота.

246

Стальной пли чугунный башмак является опорой двойной кри­ визны; на этой опоре формируется вогнутая часть изгибаемой трубы.

Гидравлическая система (рис. 167) приводит в действие упор с кольцевым ложементом и две пары гидравлических домкратов (передних и задних), связанных с гибочным ложементом. Питаю-

Рис. 166. Установка дляхолодного гнутья труб УГТ-2.

Рис. 167. Принципиальная схема гидравлической системы установки УГТ-2.

I — масляный бак; 2 — насос; з — предохранительный клапан; 4 — передние домкраты; 5 — задние домкраты; в — гидроупоры; 7 — напорный золотник; 8 — золотник на

200 кГ 1смг; 9 — эолотник на 80 кГ1сма; 10 — волотник четырехходовой; 11 — запорный вентиль.

щий насос системы приводится в движение двигателем внутреннего сгорания мощностью 6 л. с. с редуктором (привод может осуществляться и от электродвигателя).

Перед гнутьем трубу размечают, т. е. с одного ее конца на продольном сварном шве мелом отмечают отрезки длиной 900 мм. Число отрезков соответствует необходимому числу гибов.

247

После разметки трубу укладывают краном на гибочный ло­ жемент и продвигают до тех пор, пока ее конец не достигнет края ложемента упора. Затем запускают двигатель и включают перед­ ние гидравлические домкраты. По мере того, как эти домкраты поднимаются, выдвигают упоры до тех пор, пока ложемент упора не будет плотно соприкасаться с трубой.

После этого включают задние домкраты; происходит гнутье по способу двустороннего стеснения в погибе. По окончании гнутья и остановки двигателя упоры опускают, чтобы продвинуть трубу для следующего гиба. Угол изгиба трубы за одну установку 2°30'.

Для повторения гиба трубу со стороны задних домкратов про­ талкивают трубоукладчиком до очередной метки (т. е. на 900 мм). Перед этим трубу приподнимают, чтобы она вышла из гибочного ложемента.

Изогнутую трубу краном вынимают из станка в сторону пе­

волн. Иногда можно наблюдать местные деформации глубиной не более 8 мм, которые вполне допустимы.

Установка УГТ-4

Для гнутья труб диаметром 820 мм со стенкой толщиной 9— 11 мм разработана установка УГТ-4.

Сложность холодного гнутья возрастает с увеличением диа­ метра труб и отношения диаметра к толщине стенки. Поэтому гнутье труб диаметром 820 мм выполняется по особой техно­ логии. В начале процесса участок трубы, охваченный полуколь­ цами, сжимают и в нем возникают кольцевые напряжения. Затем к трубе прилагают усилия для создания изгибающего момента. При такой технологии гофры почти отсутствуют.

Станок УГТ-4 за один гиб образует угол при толщине стенки 9 мм 1°10', при толщине стенки 11 мм 1°45'. Рабочее машинное время, затрачиваемое на один гиб, 3—4 мин.

Станок ТГС-1

Для гнутья труб диаметром 219—529 мм в холодном состоянии можно использовать и станок ТГС-1. Этот станок смонтирован на трапецеидальной раме и приводится от двигателя внутреннего сгорания.

Основными элементами станка (рис. 168) являются башмак 1, удерживающий трубу, лекало 2 и гибкий корсет 3. Меняя башмак, лекало и корсет, можно гнуть трубы разных диаметров.

Гибкий корсет состоит из ряда соединенных между собой стальных звеньев. Круглыми вырезами звеньев корсет соприка­ сается с трубой; ребра звеньев упираются в поверхность лекала.

248