Кафедра АППиЭ

Тема: Исследование функциональных возможностей и эффективности модулей резки и контроля качества в технологической линии ТЭСА, направленной на производство прямошовных труб.
Исполнитель: Паздникова Анастасия Алексеевна, гр. 241-об.
Научный руководитель: Теличенко Денис Алексеевич.
Актуальность темы: необходимости совершенствования технологий производства качественных труб.
Цель работы:  изучение принципов работы модулей резки и контроля качества в линии ТЭСА, направленной на производство прямошовных труб.



Автоматизированная трубопроизводственная линия на верфях предназначена для увеличения производительности в изготовлении трубопроводов для судостроения. Внедрение автоматизации обеспечивает механизацию как основных, так и дополнительных операций по изготовлению и обработке труб, а также уменьшает время выполнения заказов в судостроительной отрасли.
В данной работе описывается исследование автоматизированной системы управления модулем резки и контроля качества, разработанной для применения на автоматической линии производства труб.


Производство стальных труб может осуществляться различными методами. В зависимости от выбора исходного материала и технологии изготовления, выделяются:

• электросварные прямошовные трубы;
• электросварные спиральношовные трубы;
• бесшовные трубы с горячей деформацией;
• бесшовные трубы с холодной деформацией.

Электросварные прямошовные трубы.
Штрипс, свернутый в рулон стального листа, разматывается и режется на продольные полосы, которые потом сваривают в сплошную ленту, что обеспечивает непрерывность технологического процесса. Лента подвергается вальцовке, при этом формируется круглая заготовка с открытым швом, который после этого заваривают. Для сварки применяются различные методы: дуговая, индукционная, лазерная, плазменная сварки, а также сварка с использованием электронных пучков. Затем труба проходит этап калибровки и контроля качества, по окончании которых её нарезают на нужные размеры и укладывают для хранения.
Электросварные спиральношовные трубы.
Технология их изготовления аналогична процессу для прямошовных труб, но лента заготовки скручивается в спираль вместо формирования сразу трубы. Спиральный шов обеспечивает изделию повышенную прочность на разрыв.
Бесшовные трубы горячедеформированные.
Эти трубы (или цельнотянутые) изготавливаются из цельной цилиндрической заготовки с использованием горячей деформации. Заготовку нагревают в печи, после чего прошивной пресс преобразует её в полую цилиндрическую гильзу, которая затем проходит через вальцы, вытягиваясь и приобретая заданные диаметр и толщину стенок. Готовую трубу охлаждают, нарезают на отрезки и отправляют на склад.
Бесшовные трубы холоднодеформированные.
От горячедеформированных эти трубы отличаются двумя моментами: после прошивки гильза подвергается охлаждению, а все операции, следующие далее, выполняются в холодном состоянии. В конце изготовленная заготовка проходит отжиг, что улучшает вязкость стали и устраняет внутренние напряжения, появляющиеся при холодной деформации.

Прямошовные трубы чаще всего используют, потому что процесс их производства проще - трубы имеют минимальную длину шва, что упрощает контроль качества шва и повышает надёжность труб.


В российских предприятиях для изготовления сварных труб малого и среднего диаметра наибольшее распространение получила сварка токами высокой частоты и дуговая сварка в среде инертных газов, применяемая при производстве труб из высоколегированных сталей и сплавов. При этом технологический процесс производства труб в линии трубоэлектросварочных агрегатов (ТЭСА) подразумевает формовку холодного штрипса.
Формовка холодного штрипса (холоднокатаного штрипса) - это процесс, при котором штрипс (ленту металла) обрабатывают для придания ему необходимой формы, например, для производства гнутых профилей или труб.
Холоднокатаный штрипс не подвергается нагреванию, что позволяет обеспечить точные размеры, однородность структуры металла и отсутствие окалины. Эластичность материала помогает производить формование без нарушения структурной целостности металла и образования внутренних дефектов.

Технология производства сварных прямошовных труб малого и среднего диаметра в общем виде представлена на рисунке 1.



Автоматизированная линия для производства труб состоит из следующих основных модулей:  
Модуль подготовки предназначен для подготовки рулона перед его загрузкой в производственную линию. На этом участке выполняются операции по подготовке к разматыванию рулона, выравниванию штрипса (полосы) и обрезке его концов.
Модуль фрезерования кромок отвечает за корректировку боковых кромок штрипса с целью обеспечения высокого качества сварного шва.
Модуль формирования трубной заготовки занимается приданием полосе круглой формы, формируя из неё трубную заготовку.
Сварочный модуль выполняет сварку трубной заготовки, обеспечивает предварительное охлаждение сварного шва, а также удаляет внутренний и внешний заусенец.
Модуль термообработки и калибровки предназначен для придания трубе необходимых размеров и формы при помощи калибровочных станков.
Модуль резки    осуществляет обрезку труб на мерные длины.
Модуль контроля качества предусматривает выполнение контроля размеров и характеристик (в том числе с использованием неразрушающих методов контроля).
Полная схема устройства стана ТЭСА представлена на рисунке 2.





Модуль резки включает в себя датчики и оборудование, предназначенное для резки труб на мерные длины.


Принцип работы автоматической резки:
1. Сначала полуавтоматическим краскораспылителем наносится пилотная линия белого цвета под углом 90о к сварному. Данная линия необходима для автоматического позиционирования трубы в клети оптическим датчиком и предотвращения смещения шва.
2. Труба проходит через следящие ролики, энкодер определяет её заданную длину и скорость движения. Датчик подаёт импульсный сигнал с измерительного ролика на ЧПУ.
3. ЧПУ подаёт команду приводу перемещения каретки, сообщая ей скорость, равную скорости трубы. При достижении равенства скоростей система управления приводами включает механизм зажима трубы.
4. При прохождении заданной длины отрезаемой трубы включают гидропривод, с помощью которого механизм поперечной подачи с режущим инструментом подают на резку.
Летучая пила активируется в нужный момент, определяемый системой управления на основе данных от энкодеров. Датчики фиксируют положение пилы относительно трубы и контролируют скорость её движения. Это позволяет резать трубу в заданных точках с высокой точностью.

В виду отсутствия исходных данных были рассмотрены основные структуры регулирования, представленные ниже.
Входные сигналы:

• Скорость материала - постоянно считывается. Формируется в предыдущих блоках и не регулируется в данной секции;
• Длина трубы - задаётся оператором в начале технического процесса и сохраняется для всех модулей;
• Диаметр трубы - аналогично длине трубы.

В виду отсутствия исходных данных были рассмотрены основные структуры регулирования, представленные ниже.


1.   Контур контроля положения материала в модуле резки, представлен на рисунке 3.



Сигнал Nпд.ф. с датчика наличия материла (ДПм) говорит, что материал исправно поступает в модуль.
Если по истечении определённого времени сигнал не пришёл, значит произошла авария и нужно отключить двигатель (ДПТ).
Датчик положения материала (ДПм) контролирует правильность положения трубы, в зависимости от её диаметра, и регулирует его при помощи наклонных роликов рольганга (Рг).


2.   Контур работы системы зажима, представлен на рисунке 4.

 


Датчик длины материала (ДДм) считает длину проходящей через него трубы, и когда фиксирует достижение заданного значения, подаётся сигнал на включение пневмоцилиндра (ПЦ). Датчик длины обнуляется и начинает считать длину следующей трубы.
После активации пневмоцилиндра происходит срабатывание системы зажима (СЗ), которая прижимает каретку с пилой к трубе, после чего они движутся вместе до окончания резки. Положение каретки фиксируется и дальше работает контур положения пилы.
После завершения процесса резки и возврата пилы в исходное положение, пневмоцилиндр выключается, деактивируя систему зажима, и освобождая тем самым трубы от каретки.

3.   Контур контроля положения пилы относительно каретки, представлен на рисунке 5.

 


Положение пилы относительно каретки описывается двумя состояниями: пила либо поднята, либо опущена. При включении пневмоцилиндра (ПЦ) происходит переход и первого состояния во второе, сопутствующее разрезанию материала. Процесс изменения фиксируется датчиком положения пилы (ДПп).

4.   Контур контроля скорости диска пилы (крутящий момент), представлен на рисунке 6.

 


Контур контроля скорости диска пилы включает в себя контур контроля положения пилы. Датчик положения пилы (ДПп) нужен для включения и выключения пилы.
Если пила в крайнем верхнем положении, то она включается двигателем (ДПТ). При достижении крайнего нижнего положения пила выключается и деактивирует пневмоцилиндр (ПЦ), для отключения системы зажима.  Сам крутящий момент контролируется датчиком скорости пилы (ДСп).

5.   Контур контроля положения каретки относительно материала, представлен на рисунке 7.

 

Когда срабатывает система зажима (СЗ) фиксируется факт изменения положения каретки. После окончания процесса распила, и её отключения, включается двигатель (ДПТ), и каретка стремится вернуться в своё начальное положение. После достижения начальной точки движение останавливается.

6.   Контур контроля скорости каретки относительно материала, представлен на рисунке 8.

 

Данный контур, включает в себя все представленные выше контуры.
Когда каретка возвращается в начальное положение, её скорость регулируется с учётом скорости подаваемого материала и длины трубы, которую необходимо отрезать.

7.   Контур контроля скорости материала при выводе трубы из модуля резки, представлен на рисунке 9.

 


Скорость вывода материала из модуля обязательно должна быть больше скорости подачи материала в него. Это необходимо для предотвращения столкновения отделённых частей и бесперебойной работы модуля.
Для этого необходимо постоянно считывать скорость рольганга и поддерживать её большей скорости подачи материала в модуль.

Важно отметить, что в данном модуле скорость поступления материала не контролируется, поскольку она задаётся предшествующими ему секциями формирования и сварки труб.
Весь модуль настроен на то чтобы в нём происходила адаптация скорости резки трубы на мерные длины к скорости поступаемого в модуль материала.

Принципиальная схема в общем виде представлена на рисунке 10.





Данный модуль предназначен для контроля качества сварных швов при помощи методов неразрушающего контроля.
Для неразрушающего контроля качества сварных швов применяются различные методы, регламентированные ГОСТ 10705-80, включая магнитный, ультразвуковой, вихретоковый и рентгеновский.
Наиболее часто используется ультразвуковой контроль, благодаря его экономичности и высокой эффективности в выявлении дефектов.
Принцип работы УЗК:
Ультразвуковой контроль - это метод неразрушающего контроля, основанный на использовании звуковых колебаний высокой частоты (свыше 20 000 Гц). Эти волны проникают в материал и отражаются от внутренних дефектов, таких как трещины, поры или неровности. Волна, которая проникает в сварной шов, при обнаружении дефекта отклоняется от стандартного распространения.
Анализируя время прохождения волны и силу отраженного сигнала, оператор может определить тип, размер и положение дефекта.
Приборы, которыми проводится ультразвуковой контроль труб и металлоконструкций, работают аналогично.
Главный рабочий элемент - пластина пьезодатчика, выполненная из титанита бария или кварца. Пьезодатчик находится в щупе - его располагают вдоль соединений и плавно перемещают возвратно-поступательными движениями. Пока происходит перемещение щупа, к пластине поступает высокочастотный ток, из-за этого она и излучает перпендикулярно своей длине ультразвуковые колебания.
Отраженные волны принимает такая же пластина с принимающим щупом. Она преобразует колебания в переменный ток, который сразу отклоняет волну на мониторе осциллографа. В итоге возникает промежуточный пик.
При УЗК-диагностике датчик посылает короткие переменные импульсы упругих колебаний с разной длительностью, которые разделяются паузами. За счет этого определяется присутствие и глубина залегания дефекта [5].
Дефектные трубы после ультразвукового контроля устраняют с последующим контролем исправленных участков.
По требованию потребителей продукции, в соответствии с требованиями нормативно-технической документации, может осуществляться испытание труб внутренним гидравлическим давлением.

В современной черной металлургии ключевой задачей является повышение конкурентоспособности за счет снижения себестоимости проката при одновременном улучшении его качества.
Решение этой задачи достигается в основном за счет модернизации производства, включающей в себя как замену устаревшего оборудования, так и усовершенствование существующего для повышения его надежности и эффективности.
В данной работе рассматриваются следующие вариант модернизации устаревшего оборудования:
1) Замена традиционной ленточной пилы на лазерную резку (CO2 или волоконный лазер). Лазерная резка обеспечивает более высокую точность, меньшую зону термического влияния и возможность резки более сложных профилей, однако примерно в 3 раза дороже пилы.
2) Замена или внедрения дополнительного альтернативного метода неразрушающего контроля качества изготавливаемых труб. УЗК самый безопасный и не дорогой метод неразрушающего контроля, но возникают сложности для материалов с крупнозернистой структурой и высоким коэффициентом затухания. К таким материалам относятся, например, аустенитная сталь, бета-титан, чугун (особенно с пластинчатым графитом), сплавы с повышенным содержанием никеля.
В зависимости от способа проведения ультразвуковой контроль может быть ручным (РУЗК), механизированным (МУЗК) или автоматизированным (АУЗК).   Замена РУЗК на АУЗК или на вихретоковый.

Редактируется...

"Трубы горят", выкладывайте продолжение.

Похвалю за оформление.
Настя, в качестве предложения: давайте попробуем разместить схему структурную и может быть электрическую, аналогичную ВМС-КП.

На консультацию жду в субботу тогда.

Сложная штука. Завтра будет о чем поговорить. Докладов все равно мало.

Сложная штука. Завтра будет о чем поговорить. Докладов все равно мало.

Да, Андрей Николаевич, в теме есть что не только обсудить, но и вообще понять. Беда та же что и у Ивана - мало исходных данных.
Но Настя - большая молодец.