Полезная модель относится к области обработки металлов давлением, в частности, к производству сварных прямошовных труб большого диаметра. Также возможно применение в химическом и нефтяном аппаратостроении для калибровки круглых обечаек сварных сосудов различного назначения.The utility model relates to the field of metal forming, in particular, to the production of longitudinal welded large diameter pipes. It is also possible to use it in chemical and petroleum engineering for the calibration of round shells of welded vessels for various purposes.
Формообразующие процессы, в т. ч. сварка, применяемые при изготовлении сварных прямошовных труб большого диаметра независимо от способа формовки – UOE, JCOE, трехвалковая формовка – не обеспечивают идеальной цилиндрической формы трубы. Характерно, что каждая отдельная операция, начиная с механической обработки кромок плоского листа (а для UOE и JCOE процессов – еще раньше – от приварки технологических планок), «вносит свой вклад» в искажение геометрии трубы. При этом отклонения от цилиндрической формы, возникающие в результате выполнения каждой операции, никогда не компенсируют друг друга, а только суммируются. Это обусловлено рядом факторов, учесть которые невозможно: разброс механических свойств исходного листа (и в пределах одной партии/плавки, и по площади листа), недостаточность парка инструмента, текущее состояние оборудования, износ инструмента и пр. Учитывая это обстоятельство, при всех способах производства прямошовных труб большого диаметра - диаметром от 457 до 1625 мм (18÷64 дюйма) завершающей формообразующей операции является калибровка трубы по всей длине. Наиболее часто применяемый способ такой калибровки – пошаговая раздача трубы с помощью гидромеханического экспандера.Shaping processes, including welding, used in the manufacture of large diameter longitudinal welded pipes, regardless of the forming method - UOE, JCOE, three-roll forming - do not provide an ideal cylindrical shape of the pipe. It is characteristic that each individual operation, starting with the machining of flat sheet edges (and even earlier for UOE and JCOE processes, from the welding of technological strips), "contributes" to the distortion of the pipe geometry. In this case, deviations from the cylindrical shape resulting from the performance of each operation never compensate each other, but only add up. This is due to a number of factors that cannot be taken into account: the scatter of the mechanical properties of the original sheet (both within the same batch / melt and over the sheet area), insufficient tool park, the current state of the equipment, tool wear, etc. Taking this into account, with all production methods longitudinal welded pipes of large diameter - from 457 to 1625 mm (18 ÷ 64 inches) in diameter, the final shaping operation is the sizing of the pipe along the entire length. The most commonly used method of such calibration is the step-by-step expansion of the pipe using a hydromechanical expander.
Современный уровень техники содержит общепринятую и весьма рациональную конструкцию и принцип действия гидромеханического экспандера. На фиг. 1 показаны обязательные элементы гидромеханического трубного экспандера. Осевое усилие, далее преобразуемое в радиальные, создается силовым гидроцилиндром (поз. 2), закрепленным на жесткой станине (поз. 3). Шток силового гидроцилиндра (поз. 4), располагающийся внутри штанги (поз. 6), жестко соединен с клиновой пирамидой, по граням которой при движении скользят ползуны (поз. 7). Сами ползуны в осевом направлении сохраняют неподвижность, опираясь на корпус труборасширительной головки (поз. 5), соединенный со штангой (поз. 6), и подвижны в радиальном направлении за счет радиального скольжения относительно корпуса и торцевого кольца (поз. 8). Приводятся же в рабочее движение ползуны вместе с закрепленными на них пуансонами (поз. 10), которые, собственно, и осуществляют раздачу (экспандирование) трубы (поз. 1), клиньями пирамиды (поз. 9). Характерно, что раздача (рабочий ход) осуществляется обратным тянущим движением штока. В противном случае возможен осевой изгиб штока, что вполне возможно, поскольку его длина достаточно велика и составляет сумму максимальной длины обрабатываемых труб и габаритной длины труборасширительной головки. Три дополнительных обязательных элемента конструкции экспандера: убирающаяся стойка (поз. 11), предназначенная для предотвращения изгиба штанги и штока под действием силы тяжести в «холостом» положении, когда внутренняя поверхность трубы не вошла в соприкосновение с опорным роликом головки (поз. 12) – это второй дополнительный элемент, а также направляющие втулки штока (поз. 13), предотвращающие изгиб штока, за счет суммирования сопротивления изгибу штока и штанги. Различия в конструкции экспандеров для труб большого диаметра от разных разработчиков касаются, главным образом, устройств, предназначенных для подачи и позиционирования трубы.The current state of the art contains a generally accepted and highly rational design and principle of operation of a hydromechanical expander. FIG. 1 shows the required elements of a hydromechanical tube expander. Axial force, then converted into radial, is created by a hydraulic power cylinder (item 2), fixed on a rigid frame (item 3). The rod of the hydraulic power cylinder (pos. 4), located inside the rod (pos. 6), is rigidly connected to the wedge pyramid, along the edges of which sliders slide (pos. 7) during movement. The sliders themselves in the axial direction remain stationary, resting on the body of the expansion head (item 5), connected to the rod (item 6), and are movable in the radial direction due to radial sliding relative to the body and end ring (item 8). The sliders are brought into working movement together with punches fixed on them (pos. 10), which, in fact, carry out the distribution (expansion) of the pipe (pos. 1), by the wedges of the pyramid (pos. 9). It is characteristic that the distribution (working stroke) is carried out by the reverse pulling movement of the rod. Otherwise, axial bending of the rod is possible, which is quite possible, since its length is large enough and amounts to the sum of the maximum length of the pipes being processed and the overall length of the expansion head. Three additional mandatory elements of the expander design: retractable stand (pos. 11), designed to prevent bending of the rod and stem under the action of gravity in the "idle" position, when the inner surface of the pipe does not come into contact with the support roller of the head (pos. 12) - this is the second optional element and the stem guides (key 13) to prevent stem bending by adding the stem and stem bending resistance. Differences in the design of large diameter pipe expanders from different developers relate mainly to devices designed for feeding and positioning the pipe.
При дальнейшем рассмотрении возможных вариантов конструкции экспандера следует учитывать условное общепринятое разделение экспандера на основные узлы. Принято выделять: Труборасширительную головку экспандера – сменный узел, опорные размеры которого зависят от диаметра трубы. Как правило, одна труборасширительная головка предназначается для экспандирования довольно узкого диапазона диаметров труб. Труборасширительная головка состоит из: корпуса (поз. 5 фиг. 1), пирамиды (поз. 9) имеющей 12 граней (здесь и далее рассматривается вариант с 12-гранной пирамидой); соответствующего количеству граней пирамиды ползунов (поз 7.), каждый из которых имеет сменный пуансон (поз. 10); радиус поверхности и длина рабочей части которого зависят от диаметра и толщины стенки трубы, а также торцевого кольца (поз. 8). When further considering the possible options for the design of the expander, one should take into account the conventional conventional division of the expander into main nodes. It is customary to distinguish: The expander pipe head is a replaceable unit, the support dimensions of which depend on the pipe diameter. Typically, one expansion head is designed to expand a fairly narrow range of pipe diameters. The pipe expansion head consists of: a body (pos. 5 of Fig. 1), a pyramid (pos. 9) with 12 faces (hereinafter, a variant with a 12-sided pyramid is considered); corresponding to the number of faces of the pyramid of sliders (pos. 7.), each of which has a replaceable punch (pos. 10); the radius of the surface and the length of the working part of which depend on the diameter and thickness of the pipe wall, as well as the end ring (pos. 8).
Наиболее «слабым» элементом конструкции труборасширительной головки, является контакт между ползуном и пирамидой. Сам по себе данный контакт работает в достаточно жестких условиях: нормальное усилие, передаваемое металлу трубы через пуансон, велико, особенно при толщинах стенки трубы более 20 мм, как следствие велика и сила трения, несмотря на непрерывно подаваемую в зону контакта смазку. Дополнительно в большинстве случаев на каждой грани имеется направляющий паз с поднутрением (Т-образный паз) – показано на фиг. 2, который, во-первых, уменьшает площадь контакта, во-вторых, образует дополнительные поверхности износа. Данные пазы выполняют следующие функции: предотвращение аксиальных перемещений ползунов; фиксация взаимного положения граней пирамиды и ползунов в радиальном направлении, в т. ч. ползунов, расположенных в нижней полуокружности. Наличие данных пазов следует считать обязательным элементом конструкции экспандера, а также причиной ряда недостатков рассматриваемого оборудования. В частности, большое количество поверхностей контакта, подвергающихся износу с разной скоростью – поверхности нормального контакта (поз. 14 фиг. 2), боковые плоскости (поз. 15) и обратные поверхности (поз 16) – делает конструкцию практически неремонтопригодной. При этом все указанные поверхности оказывают влияние на работоспособность головки. В частности, износ, или задиры на поверхностях нормального контакта, могут привести к заклиниванию и разрушению соединения пирамиды и штока. Не менее опасен износ боковых поверхностей – наличие увеличенного и неравномерного по длине контакта зазора между боковыми поверхностями паза пирамиды и выступа ползуне так же, как и в случае, описанном выше, может привести к заклиниванию контакта вследствие перекоса ползуна в результате его поворота вокруг радиальной оси. Наименее выраженный в процессе работы износ обратных контактных плоскостей также может привести к заклиниванию. В целом вся конструкция труборасширительной головки с Т-образными пазами требует регулярного обслуживания в части мониторинга состояния и очистки поверхностей скольжения со своевременной зашлифовкой образующихся царапин, замены антифрикционных вкладок, проверки затяжки болтовых (винтовых) соединений и пр. Известны способы минимизации ущерба, наносимого износом скользящих соединений труборасширительных головок. В частности известен патент РФ № 2615671 (B21D 39/20 (2006.01) B21D 41/02 (2006.01)), опубл. 20.12.2016, где для экспандирования труб диаметром менее 20 (508 мм) дюймов предлагается на выбор ряд мер, направленных на увеличение передаваемого усилия и уменьшения возможности разрушения соединения между штоком и пирамидой. В частности там предлагается изготавливать шток (по терминологии, приятой в патенте – штангу) монолитным с пирамидой (по терминологии, приятой в патенте – клином) - этот вариант способен в случае заклинивания предотвратить отрыв штока от пирамиды, при этом труба получает задиры, несовместимые с требованиями к качеству труб. Там же вводится понятие острия клина, представляющего собой дополнительное соединение, не ослабляющее конструкцию, разъединение которого не приводит к разрушению и ряд дополнительных мер и вариантов конструкции. Данное решение, как было указано выше, не исключает возможности заклинивания и лишь минимизирует возможный ущерб. Известен также патент РФ № 2 667 946 (B21D 3/14 (2006.01) B21D 41/02 (2006.01)), опубл. 25.09.2018, где предлагается в различных вариантах материального исполнения и соотношений твердости скользящих поверхностей применение сменных поверхностных элементов рабочей части пирамиды (по терминологии патента – конуса) – вкладышей. При этом достаточно массивные вкладыши крепятся к граням пирамиды с помощью винтовых соединений. Недостатки такого решения очевидны: применение винтовых соединений, располагаемых равномерно по всей площади граней пирамиды, существенно ослабит пирамиду, являющуюся основным элементом конструкции головки за счет большого количества резьбовых отверстий. Кроме того, винты будут работать на срез/смятие. И основной недостаток – мягкие сменные вкладыши будут защищать только поверхности нормального контакта, а боковые и обратные плоскости (поз. 15 и 16 фиг. 2) будут подвергаться износу с прежней скоростью. The "weakest" element of the expansion head design is the contact between the slider and the pyramid. By itself, this contact works under rather harsh conditions: the normal force transmitted to the pipe metal through the punch is large, especially with pipe wall thicknesses of more than 20 mm, as a result, the friction force is also high, despite the lubricant being continuously supplied to the contact zone. In addition, in most cases, each edge has an undercut guide groove (T-groove) - shown in FIG. 2, which, firstly, reduces the contact area, and secondly, forms additional wear surfaces. These grooves perform the following functions: prevention of axial movements of the sliders; fixing the relative position of the faces of the pyramid and sliders in the radial direction, including sliders located in the lower semicircle. The presence of these slots should be considered a mandatory element of the expander design, as well as the reason for a number of shortcomings of the equipment under consideration. In particular, a large number of contact surfaces subject to wear at different rates - normal contact surfaces (item 14 in Fig. 2), side planes (item 15) and reverse surfaces (item 16) - makes the structure practically unrepairable. Moreover, all of these surfaces affect the performance of the head. In particular, wear, or scuffing on normal contact surfaces, can lead to seizure and destruction of the pyramid-stem connection. No less dangerous is the wear of the side surfaces - the presence of an increased and uneven length of contact of the gap between the side surfaces of the groove of the pyramid and the protrusion of the slider, as in the case described above, can lead to jamming of the contact due to the skew of the slider as a result of its rotation around the radial axis. The least pronounced wear of the reverse contact surfaces during operation can also lead to seizure. In general, the entire structure of a pipe expansion head with T-shaped slots requires regular maintenance in terms of monitoring the condition and cleaning of sliding surfaces with timely grinding of the resulting scratches, replacing anti-friction inserts, checking the tightening of bolted (screw) connections, etc. There are known ways to minimize damage caused by wear of sliding pipe expansion head connections. In particular, RF patent No. 2615671 (B21D 39/20 (2006.01) B21D 41/02 (2006.01)), publ. 12/20/2016, where a number of measures are proposed to expand pipes with a diameter of less than 20 (508 mm) inches, aimed at increasing the transmitted force and reducing the possibility of destruction of the connection between the stem and the pyramid. In particular, there it is proposed to make a rod (in the terminology, pleasant in the patent - a barbell) monolithic with a pyramid (in the terminology, pleasant in the patent - a wedge) - this option is able to prevent the rod from being pulled off the pyramid in case of jamming, while the pipe receives seizures incompatible requirements for the quality of pipes. There, the concept of a wedge tip is introduced, which is an additional connection that does not weaken the structure, the separation of which does not lead to destruction, and a number of additional measures and design options. This solution, as mentioned above, does not exclude the possibility of jamming and only minimizes possible damage. Also known RF patent No. 2 667 946 (B21D 3/14 (2006.01) B21D 41/02 (2006.01)), publ. 09/25/2018, where the use of interchangeable surface elements of the working part of the pyramid (in the terminology of the patent - a cone) - inserts is proposed in various versions of material design and hardness ratios of sliding surfaces. In this case, rather massive liners are attached to the faces of the pyramid using screw connections. The disadvantages of this solution are obvious: the use of screw connections, evenly spaced over the entire area of the pyramid faces, will significantly weaken the pyramid, which is the main element of the head design, due to the large number of threaded holes. In addition, the screws will shear / crush. And the main drawback is that the soft replaceable liners will only protect the surfaces of normal contact, and the side and back planes (pos. 15 and 16 in Fig. 2) will be subject to wear at the same rate.
Учитывая все вышеизложенное, техническая задача формулируется следующим образом: разработать конструкцию труборасширительной головки для экспандирования труб большого диаметра на клиновых парах скольжения без применения Т-образных направляющих пазов. Достигаемые таким образом цели будут состоять в исключении заклинивания клиновых пар в результате перекоса, обеспечение ремонтопригодности пирамиды, общее повышение надежности механизма в целом.Considering all of the above, the technical problem is formulated as follows: to develop a design of a pipe expansion head for expanding large-diameter pipes on sliding wedge pairs without the use of T-shaped guide slots. The goals achieved in this way will be to eliminate jamming of wedge pairs as a result of misalignment, to ensure the maintainability of the pyramid, and to generally increase the reliability of the mechanism as a whole.
Указанная техническая задача может быть решена за счет применения внешних направляющих устройств. При этом общая компоновка и принцип действия экспандера, показанные на фиг. 1, не меняются. Центральная пирамида (поз. 17 фиг. 3) располагается между двумя концевыми дисками (поз. 18 фиг. 3), имеющими диаметры, превышающие диаметр описанной вокруг оснований окружности, но меньше минимального внутреннего диаметра экспандируемых труб (данное ограничение касается, главным образом, большего основания). На краевых дисках закреплены направляющие штоки (поз. 3 фиг. 3), параллельные граням пирамиды и проходящие через отверстия в ползунах (поз. 4 фиг. 3) через антифрикционные втулки (на фиг. 3 не показано), изготовленные из более мягкого материала, чем направляющие штоки. Торцы ползунов соприкасаются и имеют скользящие в радиальном направлении соединения с торцевыми кольцами – передним (поз. 5 фиг. 3) и задним (поз. 6 фиг. 3). Последнее жестко соединено с корпусом (поз. 7), который, в свою очередь, соединен со штангой (поз. 8) и имеет по центру отверстие, через которое проходит шток (поз. 9). В рассматриваемом варианте экспандер в целом работает аналогично вышеописанным аналогам: шток осуществляет обратный ход, двигая относительно неподвижного корпуса пирамиду с концевыми дисками и направляющими штоками. Клинья (грани) пирамиды двигают ползуны в радиальном направлении, а осевую неподвижность ползунов обеспечивает система из направляющих штоков и торцевых колец. Прямым ходом шток возвращает ползуны в исходное положение. Данный вариант конструкции труборасширительной головки менее компактен, чем традиционная схема с Т-образными пазами, но позволяет обеспечить ремонтопригодность пирамиды, вместе с удешевлением технологии ее изготовления, исключает заклинивание, а также переносит часть неизбежного в случае применения скользящих соединений износа на легкозаменяемые и дешевые элементы направляющие штоки и антифрикционные втулки. Конструкция ползунов может предусматривать по аналогии с втулками направляющих штоков антифрикционные вкладыши, контактирующие с гранями пирамиды. Следует иметь в виду, что труборасширительные головки во всех вариантах имеют систему отверстий, каналов и пазов для подачи смазки к трущимся поверхностям. This technical problem can be solved by using external guiding devices. In this case, the general arrangement and operating principle of the expander shown in FIG. 1 do not change. The central pyramid (pos. 17 in Fig. 3) is located between two end discs (pos. 18 in Fig. 3), having diameters exceeding the diameter of the circle described around the bases, but less than the minimum inner diameter of the expanded pipes (this limitation applies mainly to the larger grounds). On the edge discs, guide rods are fixed (pos. 3 in Fig. 3), parallel to the faces of the pyramid and passing through the holes in the sliders (pos. 4 in Fig. 3) through antifriction bushings (not shown in Fig. 3), made of softer material, than guide rods. The ends of the sliders are in contact and have radially sliding connections with the end rings - front (pos. 5 in Fig. 3) and rear (pos. 6 in Fig. 3). The latter is rigidly connected to the body (pos. 7), which, in turn, is connected to the rod (pos. 8) and has a hole in the center through which the stem (pos. 9) passes. In the embodiment under consideration, the expander generally works similarly to the above-described analogs: the rod carries out a reverse stroke, moving a pyramid with end discs and guide rods relative to the stationary body. The wedges (edges) of the pyramid move the sliders in the radial direction, and the axial immobility of the sliders is provided by a system of guide rods and end rings. With a straight stroke, the rod returns the sliders to their original position. This variant of the design of the expansion head is less compact than the traditional scheme with T-shaped slots, but it allows to ensure the maintainability of the pyramid, together with the reduction in the cost of its manufacturing technology, eliminates jamming, and also transfers part of the wear, which is inevitable in the case of sliding joints, to easily replaceable and cheap guide elements. rods and anti-friction bushings. The design of the sliders can provide, by analogy with the bushings of the guide rods, anti-friction bushings in contact with the faces of the pyramid. It should be borne in mind that pipe expansion heads in all versions have a system of holes, channels and grooves for supplying lubricant to rubbing surfaces.
