Производство электросварных прямошовных труб большого диаметра для магистральных газонефтепроводов осуществляется в несколько этапов:
- подготовка листового металла (контроль качества, очистка, фрезеровка кромок);
- формовка;
- сварка продольного шва;
- калибрование;
- испытания, отделка и приемка.
Одним из основных этапов, обеспечивающих качество готовой продукции, является формовка. На Выксунском металлургическом заводе для достижения высоких показателей качества при сохранении низкой себестоимости изделия применяется поэтапная технология JCOE. Основными этапами данной технологии являются:
- J — J-формовка: подгибка кромок листа в виде буквы J;
- C — C-формовка: гибка заготовки до формы, напоминающей букву C;
- O — O-формовка: сборка заготовки в круглую трубу (O-образная форма);
- E — Expanding (Калибрование раздачей): финальный этап деформации трубной заготовки по калиброванию ее диаметра и снятию напряжений посредством гидромеханического экспандера.
Качество подгибки кромок листа (J-формовка) напрямую влияет на качество готового изделия. Данная операция позволяет предварительно сформовать кромки, что минимизирует деформации и напряжения в трубе на последующих этапах производства. В процессе формовки пуансон давит на лист, постепенно придавая форму его краю, в то время как центральная часть листа остаётся плоской. Для выполнения операции подгибки кромок используется специальная форма матрицы кромкогибочного пресса. Рабочий профиль неподвижной матрицы и пуансона описывается эвольвентой (рис. 1).
Рисунок 1 - Пример операции подгибки кромок
Параметры эвольвенты подбираются исходя из условия обеспечения заданного радиуса трубы. Выбор параметров осложняется двумя основными факторами:
- необходимостью учёта распружинивания стальной листовой заготовки, возникающей после подгибки;
- риском образования дефектов в виде гофры (локальной потери продольной устойчивости) на кромках листа.
Наличие гофры на кромках листа приводит к нарушению процесса сварки кромок и необходимости дополнительной операции по зачистке участков сварного соединения, снижающей производительность производственной линии. Чтобы повысить качество подгибки и исключить необходимость в дополнительной операции, специалисты АО «Объединенная металлургическая компания» совместно с компанией «Адванс Инжиниринг» оптимизировали форму верхнего и нижнего инструмента для подгибки кромки. Процесс оптимизации предполагал перебор множества доступных параметров и оценку возможных деформаций. Выполнение данной операции вручную представляет для специалиста довольно трудоёмкую и длительную процедуру.
Эффективным методом решения подобных задач является использование автоматизированного процесса, который позволяет организовать «расчётный конвейер» для проверки множества вариантов без непосредственного участия эксперта. Для проверки данного подхода специалисты АО «Объединенная металлургическая компания» совместно с «Адванс Инжиниринг» реализовали пилотный проект на платформе DT Seven (от разработчика DATADVANCE).
Оптимизация формы инструмента выполнялась в несколько этапов:
- автоматизация процесса расчета и оценки уровня возможных дефектов;
- описание диапазона изменяемых параметров, установление целевой функции и граничных условий;
- решение задачи.
Расчёт процесса гибки листа для заданной геометрии инструмента включает несколько последовательных этапов. Сначала строится трёхмерная модель инструмента, рабочая поверхность которого имеет сложную форму (эвольвенту). Затем проводятся виртуальные испытания гибки: инженеры АО «Объединенная металлургическая компания» решают задачу деформирования твёрдого тела с учётом различных нелинейностей в программном комплексе MSC.Marc. В модели используется геометрия инструмента и полностью воспроизводится процесс подгибки кромки, включая применение вспомогательного инструмента (рис. 2). На заключительном этапе выполняется анализ результатов и оценивается величина отклонения кромки листа от прямолинейности.
Рисунок 2 - Пример операции подгибки кромок
Первым этапом автоматизации стала полная параметризация типового процесса расчёта и его реализация на платформе DT Seven.
Процесс начинается с параметрической 3D-модели пуансона, разработанной специалистами «Адванс Инжиниринг» в Siemens NX. Модель автоматически перестраивает свою геометрию в зависимости от заданных параметров: радиуса эвольвенты, а также минимального и максимального углов. Для интеграции с платформой DT Seven используется блок прямой интеграции. Его задача — сохранять обновлённую геометрию в нейтральном формате после каждого изменения. Расчётная цепочка включает два независимых блока NX — для верхнего и нижнего инструмента. Такое разделение позволяет запускать их параллельно, что ускоряет общий процесс расчета.
Следующим этапом автоматизированной цепочки стала интеграция блоков решения задачи в MSC.Marc. В среде MSC.Marc рассчитывается процесс подгибки кромок листа с длиной 4200 мм методом конечных элементов. Рассмотрение заготовки с короткой длиной позволяет сократить машинное время. Этап расчета в MSC.Marc реализован с помощью подхода общей интеграции, суть которого заключается в автоматическом изменении текстовых файлов с постановкой задачи или скриптов выполнения задачи, с последующим его запуском в решателе.
Для интеграции специалисты АО «Объединенная металлургическая компания» подготовили расчетную модель, в которую оставалось подставить геометрические модели инструмента, задать необходимые параметры и запустить на расчет. Подготовленный скрипт интегрирован в DT Seven в виде блока Text. Его считывает блок Program, который, в свою очередь, запускает решатель с указанным скриптом. Для удобства задача в MSC.Marc была разделена на три последовательных этапа (три независимых блока):
- pre - подготовка задачи и формирование файла решателя;
- solver - решение задачи;
- post - обработка результатов.
Для автоматизации процесса оценки степени искривления кромок специалисты «Адванс Инжиниринг» разработали специальный скрипт, который был интегрирован в DT Seven с использованием блока PythonScript. По результатам работы блока выполняется оценка графика, строится аппроксимация и рассчитываются различные виды оценки искривления, все результаты работы блока сохраняются в виде изображения. Пример работы блока на одном из тестовых примеров показан на рисунке 3.
Рисунок 3 - График оценки искривления
Совместными усилиями АО «Объединенная металлургическая компания» и «Адванс Инжиниринг» создан воспроизводимый, масштабируемый workflow, готовый к включению в петлю оптимизации инструмента. Общий вид цепочки, сформированный по результатам автоматизации первого этапа работ представлен на рисунке 4.
Рисунок 4 – Workflow первого этапа работ
На следующем этапе, посвящённом выбору оптимальных параметров, расчётная цепочка была доработана. В числе ключевых изменений:
- добавление блока планирования эксперимента (многопараметрических расчетов) и оптимизации;
- добавление блока Excel для ввода нового параметра (смещение инструмента) и расчёта на его основе параметров эвольвенты.
Блок Excel был интегрирован к основной части цепочки, и вместе с ним "упакован" в блок Composite с портами, принимающими значение смещения на входе и выдающими численные значения результатов расчета коробления на выходе. Порты блока Composite соединены с портами блока DSE.
В блоке DSE заранее был настроен перечень изменяемых параметров с границами изменения и откликов. По заданным параметрам и откликам, встроенный инструмент блока DSE - Smart Selection предложил выбрать технику Surrogate-based optimization (SBO). Техника оптимизации SBO сочетает в себе точность алгоритмов градиентного спуска и исключает ограничение "локального минимума", а также позволяет работать с "шумными" и "тяжелыми" моделями. Общий вид оптимизационной цепочки представлен на рисунке 5.
Рисунок 5 – Workflow второго этапа работ
В качестве варьируемого параметра выступала длина инструмента, заданная в предопределённом диапазоне. Остальные геометрические размеры профиля автоматически пересчитывались через параметрические зависимости, реализованные в Excel-формулах, обеспечивая согласованность геометрии. Целевая функция — минимизация максимального отклонения профиля кромки от номинальной геометрии, вычисленного постобработкой в Python-скрипте. Граничные условия включали технологические и конструктивные ограничения, исключающие физически нереализуемые конфигурации.
За сутки было автоматически просчитано более 10 вариантов геометрии. Основное вычислительное время (>90%) занимал нелинейный конечно-элементный анализ в MSC.Marc, что подтверждает высокую эффективность автоматизации препроцессинга и постпроцессинга.
По результатам расчета были получены следующие результаты:
- установлено, что в границах изменения исходных параметров значение искривления может отличаться до 1,5 раз;
- установлены основные зависимости между параметрами эвольвенты и величиной искривления;
- найдена оптимальная геометрия эвольвенты, позволяющая минимизировать гофрообразование.
Применение нового инструмента оценки деформации, устраняющего гофры кромок на этапе подгибки, позволяет не только повысить качество продукции, но и увеличить производительность цеха за счёт исключения дополнительной технологической операции. Согласно предварительным расчётам, реализация данного решения обеспечивает снижение себестоимости и полную окупаемость затрат на внедрение в течение 12 месяцев.
- НОВОКШОНОВ Д.Н., ТУЙЧИЕВ С. Ч. (АО «Объединенная металлургическая компания»)
- МИТРАКОВ А.С., БЫКОВА Ю.С. (ООО «Адванс Инжиниринг»)
