Материалы и технологии формирования механических соединений методом холодной пластической деформации
- Авторы: Коган Я.Д.1, Богданова Н.В.2
-
Учреждения:
- AR Materials Solution, Inc
- Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова
- Выпуск: Том 3, № 3 (2017)
- Страницы: 79-89
- Раздел: Оригинальные статьи
- URL: https://journals.eco-vector.com/transsyst/article/view/8012
- DOI: https://doi.org/10.17816/transsyst20173379-89
- ID: 8012
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Постановка задачи. Выбор материалов и технологии изготовления неразъемных механических соединений трубопроводов (фитинга и трубы), формируемых методом холодной пластической деформации.
Метод. Теоретический анализ выбора материалов контактирующих пар на основе упругого последействия материалов трубы и фитинга. Упругое последействие материала трубы должно превосходить упругое последействие материала фитинга.
Результаты. Приведены рекомендации по материалам неразъемных соединений, формируемых при различных методах пластической деформации.
Полный текст
Введение
В статье анализируются материалы и современные технологии производства неразъемных механических соединений методом холодной пластической деформации.
Формирование механических соединений методом холодной пластической деформации является альтернативным методом традиционным технологиям соединения различных материалов и компонентов, производимых путем сварки, пайки и нарезанием резьбы.
Анализируемые типы соединений, получившие известность как MAF-соединения (mechanically attached fitting), широко применяются в авиации, судостроении, производстве гидравлических систем, линий высоковольтных передач и заземлений.
Типы и методы изготовления механических соединений (MAF)
Следующие типы механических соединений, формируемые методом холодной пластической деформации, получили наибольшее распространение:
- радиально сжатые соединения;
- аксиально сжатые соединения;
- радиально – аксиально сжатые соединения.
Рассмотренные механические соединения образуются путем холодной пластической деформации трубы и фитинга, которые работают в непосредственном контакте. Обычно используется стандартная технология, которая основана на деформации контактирующих пар в специальных пресс-формах, в которых размеры компонентов изменяются под действием сжимающей нагрузки [1 - 6].
Приведенные ниже методы пластического деформирования для изготовления механических соединений являются наиболее распространенными:
Радиальное сжатие
Механические соединения высокого качества производятся методом радиального обжатия, которое приводит к радиальной деформации определенной величины (радиально сжатые MAF соединения).
Эта технологическая схема используется для производства неразъемных соединений трубопроводов. Радиальная деформация достигается одновременным обжатием фитинга и трубы по всей длине окружности (360о).
Контактное взаимодействие поверхностей фитинга и трубы обеспечивает высокую адгезию (сцепление) между ними и гарантирует отсутствие течи в процессе эксплуатации систем трубопроводов (рис. 1).
Рис. 1. Механическое соединение, полученное радиальным сжатием
Осевое сжатие
Пластическая деформация достигается путем перемещения специального V-образного кольца (наконечника) по поверхности фитинга в осевом направлении, что создает радиальные сжимающие напряжения во взаимодействующих зонах фитинга и трубопровода, и таким образом обеспечивает необходимую герметичность контакта (аксиально сжатые MAF) (рис. 2).
Рис. 2. Механическое соединение, полученное аксиальным сжатием
Радиально-осевое сжатие (аксиальное обжатие концевого фитинга с раструбом торцевой части трубы)
Эта технология используется для изготовления фитингов, установленных на конце трубы. В этом случае пластическая деформация достигается за счет осевого перемещения фитинга и трубы в специальной пресс-форме, что делает возможным образование сжимающих радиальных напряжений в фитинге и в концевой части трубы. Расширенный конец трубы (раструб) обеспечивает высокую герметичность соединения (рис. 3).
Рис. 3. Механическое соединение, полученное радиально-аксиальным сжатием
Рассмотренные механические соединения гарантируют воздухонепроницаемое состояние в зонах контакта, обеспечивая тем самым высокую производительность соединений в гидравлических трубах под высоким давлением (до 4000 - 5000 psi).
Эта технология используется в производстве новых трубопроводов, а также для ремонта эксплуатационных линий трубопроводов.
Экономическая эффективность соединений обусловлена простотой их монтажа, осмотра, а также возможностью использования труб из различных металлических материалов.
Согласно Subtek [2], производительность рассматриваемой технологии более, чем в два раза выше по сравнению с методом сварки. Кроме того, трудоемкость изготовления таких соединений сокращается на 50%.
Теоретические основы формирования механических соединений
Технология основана на различии механических свойств (упругое последействие) материалов, используемых в контактирующих деталях.
Степень упругого последействия фитинга и трубы, которое возникает после снятия сжимающей нагрузки отвечает за формирование плотного стыка металл-металл. Упругое последействие трубы должно быть больше, чем упругое последействие фитинга в области произведенного обжатия.
Рис. 4 показывает образование механического соединения под действием радиальной сжимающей нагрузки, и упругие последействия контактирующих материалов когда упругое последействие трубы выше упругого последействия фитинга. Поперечные сечения фитинга - трубы представлены на разных этапах формирования механического соединения.
Рис. 4. Взаимосвязь упругого последействия трубы и фитинга
Позиция "а" показывает начальную стадию деформации, в которой фитинг и труба не имеют прямого контакта, и сжимающая нагрузка (PS) равномерно распределена по внешней поверхности фитинга.
Деформация фитинга, которая сопровождается его сжатием, приводит к непосредственному контакту внутреннего диаметра фитинга и внешнего диаметра трубы. Дальнейшее действие сжимающей нагрузки вызывает деформацию трубы. В этом случае сопротивление сжимаемых материалов действию внешней нагрузки растет и возникает эффект упругого последействия материалов фитинга и трубы (PBS.B.). Рисунок 4 (позиция "б") показывает позицию контактирующей пары на этой стадии деформации.
После того, как действие внешней сжимающей нагрузки прекращается упругое последействие внутренних напряжений материалов фитинга и трубы приводит к обратному перемещению деформированных слоев деталей, которое сопровождается расширением фитинга и трубы.
Когда упругое последействие материала фитинга ниже упругого последействия материала трубы, возникает прямой контакт внутренней поверхности фитинга и внешней поверхности трубы, что приводит к высокой адгезии (сцеплению) контактирующих поверхностей (положение "с").
Изменение размеров в результате упругого последействия может быть определено согласно методу, представленному в работе [7]. Степень упругого последствия пропорциональна отношению YS / (t•E), где YS - предел прочности, Е - модуль упругости и t - толщина стенки детали [7].
Для контактирующих деталей упругое последействие является функцией предела величин предела текучести и модуля упругости материалов, используемых в трубе и фитинге. При этом, степень уплотнения определяется, по формуле (1):
(1)
Где: I - степень уплотнения;
YSt - предел текучести материала трубы;
YSf - предел текучести материала фитинга;
Ef - модуль упругости материала фитинга;
Et - модуль упругости материала трубы
Рекомендуемые материалы для формирования механических соединений
Для производства фитингов рекомендуется использовать нержавеющую сталь (преимущественно аустенитного класса), алюминиевые сплавы, технически чистый титан, титановые сплавы с 6% алюминия и 4% ванадия.
Из алюминиевых сплавов, главным образом, используется сплав АД 33 по ГОСТ 4784-97 (6061-Т6, AMS 4127J и AMS 4150L ), из аустенитных нержавеющих сталей используется сталь 03Х17Н14М3 по ГОСТ 5632-72 (21-6-9 AMS 5595 и 316L, AMS 5524 и AMS 5507), из дисперсионно твердеющих сталей - - сталь 07Х16Н4Д4Б, ГОСТ 5632-72 (17-4PH, AMS 5622 и AMS 5643).
Химический состав материалов, а также их термообработка должны обеспечить максимальную пластичность материала при холодной деформации; поэтому, в соответствии со стандартом SAE AS4459 (4) для материала фитингов введен контроль диапазона текучести при растяжении, а для технически чистого титана - содержания водорода.
Для алюминиевого сплава АД 33 (ГОСТ 4784-97) значение предела текучести при растяжении должно находиться в диапазоне от 193 до 227 МПа, что достигается при применении дополнительной термической обработки (перестаривание).
Аустенитные нержавеющие стали должны быть в отожженном состоянии и их предел текучести не должен превышать 448 МПа для 21-6-9SS и 310 МПА для стали 316L.
Предел текучести технически чистого титана (CP) должен соответствовать диапазону от 482 до 655 МПа. Кроме того, операция отжига заготовок фитинга должна проводиться в вакууме, с тем, чтобы максимальное содержание водорода не превышало 10 ppm
Независимо от схемы пластической деформации, наилучшие результаты для образования плотного контакта "металл-металл" обеспечивают следующие комбинации материалов для фитингов и труб:
- для титанового фитинга (ВТ1-0) использовать трубы из титанового сплава Ti-3Al-2.5V (AMS4944, AMS4945).
- для алюминиевого фитинга использовать трубы из алюминиевого сплава АД 33 по ГОСТ 4784-97, для фитинга из нержавеющей стали 07Х21Г7, ГОСТ 5632-72 (сталь 21-6-9, AMS5561) использовать трубы из следующих материалов: алюминиевый сплав АД33, ГОСТ 4784-97 (6061-T6 Al), или сталь 07Х21Г7, ГОСТ 5632-72 ( 21-6-9 SS, AMS 5561), или титановый сплав Ti-3Al-2.5V, или сталь 08 Х18 Н10, ГОСТ 5949-75 (304 1/8HD SS)
Более подробная информация о сочетании материалов фитингов и труб для различных схем пластической деформации представлены в таблицах 1- 3 [8-12].
Табл. 1. Материалы для радиально сжатых соединений
Вид материала фиттинга |
Материал фиттинга*
|
Материал трубы* | Максимальное рабочее давление, psi (МПА)** |
| 07Х21Г7, ГОСТ 5632-72 | 07Х21Г7, ГОСТ 5632-72 (21-6- 9, AMS5561) |
|
|
(21-6-9, AMS5656) | 08 Х18 Н10, ГОСТ 5949-75 (304 1/8HD, AMS5564) | 3000 (20,70) |
Нержавеющая сталь |
| Титановый сплав (Ti-3Al-2.5V, AMS4944) |
|
|
| АД33, ГОСТ 4784-97 (6061-T6, AMS4083) |
|
| 03Х17Н14М3 ГОСТ 5632-72
(316L, AMS5648) | 08 Х18 Н10, ГОСТ 5949-75 (304 1/8HD, AMS5564) | 3000 (20,70) |
|
| 08Х18Н12Т, 08Х18Н10Т, ГОСТ 5632-72 (321, AMS5556) | 3000 (20,7) |
Алюминиевый сплав | АД33, ГОСТ 4784-97 (6061-T6, overage) | АД33, ГОСТ 4784-97 (6061-T6, AMS4083) |
1500 (10,3) |
Титан | Титан (CP-Titanium, AMS 4941) | Титановый сплав (Ti-3Al-2.5V, AMS4944) |
4000 (27,6) |
* в скобках приведена маркировка США
** Определяется в зависимости от наружного диаметра и толщины стенки трубы
Табл. 2. Материалы для аксиально обжатых MAF-соединений
Вид материала фиттинга |
Материал фиттинга* |
Материал трубы* | Максимальное рабочее давление, psi (МПА) ** |
| 07Х21Г7, ГОСТ 5632-72 | 07Х21Г7, ГОСТ 5632-72 (21-6- 9, AMS5561) |
4000 (27,6) |
|
(21-6-9, AMS5656) | 08 Х18 Н10, ГОСТ 5949-75 (304 1/8HD, AMS5564) | 3000 (20,7) |
Нержавеющая сталь |
| Титановый сплав (Ti-3Al-2.5V, AMS4944) | 5000 (34,5)
|
|
| АД33, ГОСТ 4784-97 (6061-T6, AMS4083) | 1500 (10,3) |
Алюминиевый сплав | АД33, ГОСТ 4784-97 (6061-T6, overage) | АД33, ГОСТ 4784-97 (6061-T6, AMS4083) |
1500 (10,3) |
Титан | Титановый сплав (Ti-6Al-4V, AMS 4928) | Титановый сплав (Ti-3Al-2.5V, AMS4944) |
4000 (27,6) |
* в скобках приведена маркировка США
** Определяется в зависимости от наружного диаметра и толщины стенки трубы
Табл. 3. Материалы для радиально-аксиально сжатых соединений
Вид материала |
Материал фиттинга* |
Материал трубы* | Максимальное рабочее давление, psi (МПА) ** |
| 07Х16Н4Д4Б, ГОСТ 5632-72 (17 – 4PH, AMS5643) |
Титановый сплав (Ti-3Al-2.5V, AMS4945) | 2000 – 4000 (13,8 – 27,6) |
| 07Х21Г7, ГОСТ 5632-72 | 07Х21Г7, ГОСТ 5632-72 (21-6- 9, AMS5561) | 3000 (20,7) |
Нержавеющая сталь |
| 304 1/8HD (AMS5564) | 1500 – 3000 (10,3 -20,7) |
| (21-6-9, AMS5656) | Титановый сплав (Ti-3Al-2.5V, AMS4945) | 500 – 5000 (3,4-34,4) |
|
| Титан (CP-Titanium, ASTM B338) | 750 (5,2 ) |
|
| АД33, ГОСТ 4784-97 (6061-T6, AMS4083) | 500 – 1500 (3,4-10,3) |
Титан
| Титановый сплав (Ti-6Al-4V, AMS 4928) | Титановый сплав (Ti-3Al-2.5V, AMS4945) | 3000 (20,7) |
* в скобках приведена маркировка США
** Определяется в зависимости от наружного диаметра и толщины стенки трубы
Выводы
- Представлен анализ материалов и современных технологий производства неразъемных соединений методом холодной пластической деформации
- Обсуждены теоретические основы формирования механических соединений и роли фактора упругого последствия.
- Представлен анализ сочетаний материалов для контактирующих пар, используемых для формирования механических соединений, которые гарантируют высокую надежность гидравлических трубопроводов высокого давления (27,6-34,5 МПа).
Об авторах
Яков Давидович Коган
AR Materials Solution, Inc
Автор, ответственный за переписку.
Email: yakovkogan@sbcglobal.net
доктор технических наук
СШАНаталья Васильевна Богданова
Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова
Email: nabo146@mail.ru
кандидат технических наук, доцент кафедры ТМиМ
РоссияСписок литературы
- ASTM F1387-99 Standard Specification for Performance of Piping and Tubing Mechanically Attached Fittings. 2005.
- Lokring technology. - URL: http//www.sabtek.co.uk (19.10.2017).
- Products. - URL: http//www.dmcusa.com (19.10.2017).
- SAE AS4459, Fittings, Tube, Fluid System Aerospace Standard. Externally Swaged.
- Zhen L., Cui Y. X. & Shao W. Z. Materials Science and Engineering / L. Zhen, Y. X. Cui, W. Z. Shao. - 2002. - vol. 336, - Iss. 1-2, pp.135-142.
- Радкевич М. М. Технология упрочняющей программной механико-термической обработки / М. М. Радкевич. - СПб: Издательство Политехнического университета, 2011. - 263 с.
- ASM Handbook, vol. 20, Materials Selection and Design. 293 p.
- ASTM Designation: A370-07a Standard Test Methods and Definition for Mechanical Testing of Steel Products
- ASTM Designation: E8-04 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials
- ASM International. Metals Handbook.
- Сорокин В. Г. Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин и др; под общ. ред. В. Г. Сорокина. -М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.
- Смирнягин А. П. Промышленные цветные металлы и сплавы. Справочник / А. П. Смирнягин. - М.: Издательство "Металлургия". - C. 1-974.