С полезным измерительным эффектом и особенностями

Способ	Измерительный эффект		Особенности
	Возбуждение	Детектирование
Индуктивный или трансформаторный	Магнитное поле	Индуктивность	• Эффект измерения массы трубы, т.е. необходимо знать диаметр трубы => требует измерения диаметра трубы. • Затратная и дорогостоящая калибровка измерительной системы. • Надежное измерение толщины стенки только примерно до 20 мм (скин-эффект). • Уменьшенное рабочее расстояние (несколько мм) => требует затратной системы охлаждения катушек. • Высокие требования к проводке труб (эффект качания).

 

Таблица 2.1 (продолжение)

 

Радиометрический с γ-излучением	Рентгеновское излучение	γ-излучение		• Эффект измерения массы трубы, т.е. необходимо знать диаметр трубы => требует измерения диаметра трубы. • Плотность зависит от температуры => требует измерения температуры. • Измерение двойной толщины стенки => требует допущения или измерения геомет­рии для определения толщины одной стенки => легко приводит к ошибкам измерения. • Низкая динамика измерения (аналоговая постоянная времени τ = 20-30 мс => время переходного процесса = 3τ). • Радиоактивность => сложная задача защиты от облучения при эксплуатации, транспортировке, утилизации и т.д.
Ультразвуковой				• Реальное локальное измерение одной стенки. • Ультразвуковой сигнал обычно находится в диапазоне нескольких мкс => обеспечивает высокую скорость измерений. • Скорость распространения ультразвука зависит от температуры => требует измерения температуры.
Ультразвуковой	Электромагнитный			• Уменьшенное рабочее расстояние (несколько мм) => требует затратной системы охлаждения катушек. • Типичная для прокатных станов точность подвода трубы требует затратной системы наведения катушек.
Ультразвуковой	Индуцированная электроискровым разрядом абляция материала			• Уменьшенное рабочее расстояние (обычно < 1 мм) => требует мощного охлаждения конструкции • Типичная для прокатных станов точность подвода трубы требует автоматического наведения элементов возбуждения.

 

Таблица 2.1 (продолжение)

 

Ультразвуковой	Индуцированная лазерным излучением абляция материала			• Большое рабочее расстояние требует лишь незначительных затрат на охлаждение. • Высокие скорости возбуждения и измерения на уровне 10 мс (отсутствие переходных процессов => скорость возбуждения = скорость измерения). • Испарение воды может привести к потере связи с лазерным излучением.
Ультразвуковой		Лазерный с эффектом Доплера		• Уменьшенное рабочее расстояние => требует затратной системы охлаждения катушек. • Типичная для прокатных станов точность подвода трубы требует затратной системы наведения катушек. • Большое рабочее расстояние требует лишь незначительных затрат на охлаждение. • Испарение воды может привести к потере связи с лазерным излучением. • Очень высокая динамика измерений, которой, по сравнению с ультразвуковой динамикой измерений, можно пренебречь.

 

В новой версии Lasus компании SMS Meer – Lasus Multi-Scan для измерения толщины стенки трубы несколько лазерно-ультразвуковых систем, установленных на общем основании, функционируют параллельно. На современных прокатных агрегатах используют по три-четыре лазерно-ультразвуковые измерительные системы. По сравнению с традиционными способами эти системы обладают существенными преимуществами, о чем свидетельствует приведенный ниже пример трехканальной измерительной системы.

Система Lasus Multi-Scan обладает двумя рабочими состояниями (рис. 2.10). В первом рабочем состоянии все три измерительные головки вращаются вокруг трубы, во втором – три измерительные головки устанавливаются в положении V или анти-Y и вращаются вокруг индивидуальной точки вращения («качание») во время измерения толщины стенки. Измерительная станция может переключаться с одного рабочего состояния на другое до подачи новой трубы. Многократное измерение толщины стенки по окружности трубы происходит в режиме вращения, в результате чего определяются различные характеристики трубы, например эксцентриситет, проявление многоугольного сечения, а также локальная и средняя толщина стенки. В режиме качания, напротив, с высоким разрешением выявляется характер изменения толщины стенки в месте межвалкового зазора рабочей клети.

 

 

Рис. 2.10. Система Lasus Multi-Scan в режиме вращения с 3 • ±60° = 360° (крупное изображение), а также в режиме качания с 3 • ±15° (вставка)

 

 

Плотность регистрации измеренных значений толщины стенки трубы вдоль угла наклона и связанное с этим разрешение просканированных структур в случае Lasus Multi-Scan варьируется с измеряемым угловым диапазоном (в зависимости от рабочего состояния). Это значит, что угломерная плотность в режиме качания увеличивается в четыре раза по сравнению с режимом вращения. В связи с этим данный режим особенно хорошо подходит для инспекции малых по размерам трубных зон, например межвалкового зазора в клетях.

Лазерные системы позволяют измерять толщину стенки труб с точностью ±0,1 мм (вне зависимости от толщины стенки). Полная интеграция измерительных систем Lasus в концепцию автоматизации компании SMS Меег дает возможность получать идеальные исходные данные для оптимального использования разработанной этой же компанией платформы технологии прокатных станов Carta (Computer Aided Rolling Technology Application – компьютеризованное применение прокатных технологий). Платформа также обеспечивает функцию оптимизации настройки параметров прокатного стана, например регулирование СЕС (СЕС: Crop End Control – контроль обрезки концевого участка), регулирование «sharpening» (PQF) для минимизации утолщенных концевых участков труб и сокращению брака, а также WTCA (Wall Thickness Control Average – средний контроль толщины стенки) и WTCL (Wall Thickness Control Local – локальный контроль толщины стенки) для оптимизации среднего и локального изменений толщины стенки и экономии материала.

Другой проблемой в развитии системы Lasus Multi-Scan является обеспечение высокой степени ее использования. С этой целью в сотрудничестве с изготовителями лазерного оборудования были переработаны и оптимизированы конструкция системы и, особенно, легкость ее применения. Разработаны массивные воронкообразные направляющие для обеспечения лучшей защиты измерительного устройства от возможных ударов с выскакивающими трубами. Направляющие гарантируют принудительную задачу трубы и в случае аварии могут раскрываться. Благодаря улучшенной защите от удара и новой конструкции системы отпадает необходимость в установке защитной кабины. В результате упрощается манипулирование системой и улучшается ее эксплуатационная технологичность. Ниже в краткой форме изложены основные технологические преимущества системы Lasus Multi-Scan:

– локальное измерение толщины стенки, позволяющее обнаруживать местные дефекты трубы;

– сканирование толщины стенки трубы в диапазоне 3600 и высокая частота измерения (100 Гц), гарантирующие полный контроль трубы с высоким разрешением;

– три одновременных измерения толщины, позволяющие определять каждые 10 мс прямым способом локальный эксцентриситет стенки трубы;

– интегрированные датчики светового сечения для определения фактического контура трубы, позволяющие, например, обнаруживать так называемые провалившиеся трубы;

– возможность индивидуальной адаптации программного обеспечения;

– дистанционный доступ для диагностики и обслуживания;

– возможность производить измерение и установку измерительной системы Lasus практически в любом месте производственной линии;

– фактическое измерение толщины стенки с высоким разрешением, отсутствие измерения двойной стенки;

– работающие независимо друг от друга измерительные каналы;

– высокая надежность измерения;

– высокая степень использования, в частности, за счет инновационной конструкции лазерной системы и защиты от удара;

– отсутствие защитной кабины благодаря новой конструкции системы (лучший доступ);

– специальные рабочие состояния для обнаружения проявлений многоугольного сечения и линейных дефектов.

 

2.1.7. Рекомендуемая литература

 

1. Осадчий В.Я., Вавилин А.С., Зимовец В.Г., Коликов А.П. Технология и оборудование трубного производства. – М.: Интермет Инжиниринг, 2001. – 608 с.

2. Коликов А.П., Романенко В.П., Самусев С.В. и др. Машины и агрегаты трубного производства. – М.: МИСиС, 1998. – 536 с.

3. Потапов И.Н., Коликов А.П., Друян В.М. Теория трубного производства. – М.: Металлургия, 1991. – 424 с.

4. Кохан Л.С., Морозов Ю.А., Пунин В.И., Мочалов Н.А. Выбор размеров заготовки при формовке труб // Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением: Сб. Трудов МГВМИ и Союза Кузнецов. – М.: МГВМИ, 2004. – вып. 4. – С. 349-357.

5. Данилов Ф.А., Имедадзе В.В., Клемперт Е.Д. и др. Адаптивное управление точностью прокатки труб. – М.: Металлургия, 1983. – 224 с.

6. Морозов Ю.А., Верхов Е.Ю., Шульгин А.В. Моделирование процессов и объектов в металлургии: учебное пособие. – М.: МГОУ, 2010. – 121 с.

7. Хаверкамп М., Зауэрланд М. Лазерное измерение толщины стенки для обеспечения качества бесшовных труб // Черные металлы. – М.: Руда и металлы, 2011. – март 2011. С. 32-37.

8. Волков В. В., Достенко М. А., Тетиор Л. Н. Автоматизация трубопрокатных и трубосварочных станов. – М.: «Металлургия», 1986.–248 с.

9. Ампилагов Г.А., Боброницкий Ю.П. Богоенко И.Н и др. Автоматизация технологических процессов в прокатном производстве. – М.: Металлургия, 1999. – 176 с.

10. Автоматизация прокатных станов: Сб. статей под ред. Тимофеева Б.Б. – М.: Металлургия, 1974. – 276 с.

 

2.2. Проведение на МТЗ «Филит» циклов занятий по теме: «Автоматизированные системы контроля и управления в производстве сварных труб»

 

На ОАО МТЗ «Филит» в период с 1 апреля по 30 июня 2011 г. со специалистами завода было проведено два научно-образовательных семинарских занятия в цикле «Автоматизированные системы контроля и управления в производстве сварных труб».

 

Протокол №1 от 21 апреля 2011 г.

проведения цикла занятий по теме:

«Автоматизированные системы контроля и управления

в производстве сварных труб»

 

Занятие 1. «Системы и технические средства контроля в производстве сварных прямошовных труб».

Руководители: д.т.н., проф. Шаталов Р.Л.; к.т.н., проф. Верхов Е.Ю.

В программе занятия были освещены вопросы:

1. Контроль качества заготовки, поступающей на участок формовки.

2. Процесс сварки трубной заготовки.

3. Технические средства контроля качества трубы.

 

По теме семинарского занятия приняло участие 33 человека.

ПРИСУТСТВОВАЛИ:

Профессорско-преподавательский состав кафедры ММиОМД МГОУ

1. д.т.н., проф. Шаталов Р.Л. – зав. кафедрой ММиОМД;

2. к.т.н., проф. Верхов Е.Ю.

Руководители и специалисты ОАО МТЗ «Филит»

1. Копытин В.Д. – директор по технич. развитию;

2. Поклонов Г.Г. – технический директор;

3. Тарасов В.В. – главный инженер;

4. Гричановский Ю.Н. – директор по производству;

5. Крупенченков А.М. – мастер ЭТСЦ-1;

6. Жирнов А.В. – помощник мастера ЭТСЦ-1;

7. Ткаченок В.В. – мастер ЭТСЦ-2;

8. Сидоров А.А. – главный механик;

9. Максимов Л.А. – механик по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

10. Голубев Д.П. – инженер по инструменту;

11. Бобров В.Н. – старший мастер по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

12. Холявко В.П. – специалист по неразрушающему контролю;

13. Попов П.И. – инженер по техническим средствам;

14. Журавлев А.А. – ведущий специалист по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

15. Харламов А.М. – специалист по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

16. Дормидошин О.В. – инженер по ремонту 1 электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

17. Гулов А.А. – сменный мастер по ремонту электроборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

18. Макаров А.А. – главный энергетик;

19. Кузьменко А.Н. – мастер по ремонту энергооборудования;

20. Морозов Е.А. – инженер-конструктор проектного отдела;

21. Клестов В.Ф. – директор по качеству и технологии;

22. Маркина Т.А. – начальник ОТК;

23. Нечаев С.Ю. – контрольный мастер ОТК;

24. Фокина Т.А. – ведущий специалист-металловед;

25. Жилкин Е.В. – ведущий специалист-технолог;

26. к.т.н. Манохина Н.Г. – ведущий специалист хим. отдела;

27. Жаренов С.А. – начальник отдела информационных технологий;

28. Гаврилов Р.А. – специалист по маркетингу.

Приглашенные участники

1. к.т.н. Дроздин А.Э. – генеральный директор Всероссийского научно-исследовательского и проектного института систем автоматизации и управления (ВНИПИ САУ-40);

2. д.т.н. Генкин А.Л. – ведущий научный сотрудник института проблем управления (ИПУ РАН);

3. к.т.н., доц. Белелюбский Б. Ф. – служба ИТР ММЗ «Серп и Молот», Московский Государственный вечерний металлургический институт (МГВМИ), каф. Металловедение и обработка металлов давлением (МиОМД).

 

В самом начале проведения семинарского занятия, проф. Верхов Е.Ю. беглое внимание уделил технологии производства сварных прямошовных труб от пооперационного контроля стальных рулонов, до калибровки готовой трубы и резки ее на мерные длины. Высокое качество продукции определяется правильно подобранными деформационными режимами формовки, а точность геометрических показателей – правильно выбранной шириной штрипса и точностью его резки из широкополосной стали, обеспечиваемой агрегатом продольной резки. И если порезка на штрипс происходит на устаревшем, отработавшем свой нормативный срок оборудовании, с нарушением режимов резания и технологических процессов, то это неизбежно сказывается на качестве конечного продукта.

Контроль качества стальных рулонов, прежде всего, определяется толщиной листа, проверяемой зачастую вручную контактными микрометрами. Данный процесс можно автоматизировать, используя более перспективные бесконтактные толщиномеры, которые можно встроить в технологическую линию, дистанционно отбраковывая рулоны, не прошедшие входной контроль качества. Примером стала демонстрация подобного портативного ультразвукового толщиномера T-Mike EM (США) с последующим сравнением толщины представленных и предварительно замеренных образцов штрипса.

Далее, перейдя к технологии сварки трубной заготовки было отмечено, что качество всего тела трубы в первую очередь будет определяться качеством электросварки представляющей собой оплавление и сплавление между собой продольных кромок штрипса под действием электрического тока. Следовательно, выбор типа электросварки будет определяться ее способностью к соединению данной толщины используемого металла с учетом его химического состава. В качестве примера была приведена организация участка электросварки толстостенных труб Выксунского металлургического завода, с использованием трех- и пятидугового сварочного аппарата.

Однако для труб незначительной толщины до 4,5 мм, производимых на МТЗ «Филит» вполне достаточной является используемая здесь высокочастотная сварка (ТВЧ) с использованием контактных роликов. Обращая внимание на качества сварного шва, было отмечено, что в настоящее время помимо широко используемых ультразвукового или рентгеновского неразрушающего контроля начинают применяться другие, более эффективные методы автоматического контроля.

Данное заявление вызвало активное обсуждение в рядах собравшихся, и Холявко В.П. попросил поподробнее остановиться на сказанном. С разъяснением по данному вопросу выступил проф. Шаталов Р.Л., назвав одним из производителей подобных средств компанию «НКО-Урал», специализирующуюся на контроле в производственных линиях.

Для контроля сварных швов труб наилучшим образом подходит использование метода фазированных решеток, предлагающая электронное сканирование области сварки.

Возможность управления и фокусировки электронного луча уменьшает эффект смещения сварного шва и позволяет приспосабливаться к любой толщине контролируемых труб. Высокая чувствительность позволяет сократить число ложных срабатываний и улучшить повторяемость результатов контроля.

Подобное решение для контроля всего тела трубы вытесняет концепцию большого числа датчиков. Сканирующая головка, без дополнительных механизированных систем, позволяет этой системе соответствовать новым промышленным стандартам для обнаружения не только продольных и поперечных, но и разноориентированных дефектов, расслоений, а также осуществлять измерения толщины стенки.

Другим методом контроля электросварных труб является использование вихретоковых матриц, включающих в себя устройство магнитного насыщения постоянного тока, обеспечивающее максимальную чувствительность и покрытие области контроля. Использование сегментированных матриц позволяет при помощи одного датчика контролировать трубы различных диаметров.

Доклад на данную тему сопровождался показом слайдов с использованием мультимедийного проектора. Были представлены технические схемы указанных средств автоматического контроля, принцип действия и фотографии действующих трубоэлектросварочных станов оборудованных подобными сканирующими системами.

 

Зав. лабораторией ОАО МТЗ «Филит»	Манохина Н.Г.
Руководитель научно-образовательного семинара, зав. кафедрой ММиОМД МГОУ, д.т.н., проф.	Шаталов Р.Л.

 

 

Протокол №2 от 26 мая 2011 г.

проведения цикла занятий на тему:

«Автоматизированные системы контроля и управления

в производстве сварных труб»

 

Занятие 2. «Методы управления геометрической точностью в производстве сварных труб».

Руководители: д.т.н., проф. Шаталов Р.Л.; к.т.н., доц. Алдунин А.В.

В программе занятия были освещены вопросы:

1. Деформации, испытываемые металлом при формовке его в трубу.

2. Влияние режимов обжатия в отделочной операции редуцирования трубы на ее геометрические размеры.

3. Изменение геометрических размеров трубы при волочении.

 

По теме занятия приняло участие 33 человека.

ПРИСУТСТВОВАЛИ:

Профессорско-преподавательский состав кафедры ММиОМД МГОУ

1. д.т.н., проф. Шаталов Р.Л. – зав. кафедрой ММиОМД;

2. к.т.н., доц. Алдунин А.В.;

3. к.т.н., доц. Морозов Ю.А.

Руководители и специалисты ОАО МТЗ «Филит»

1. Копытин В.Д. – директор по технич. развитию;

2. Корягина С.В. – начальник службы управления персоналом;

3. Тарасов В.В. – главный инженер;

4. Гричановский Ю.Н. – директор по производству;

5. Стадник Н.В. – начальника ЭТСЦ-1;

6. Рябинин Е.М. – старший мастер ЭТСЦ-1;

7. Крупенченков А.М. – мастер ЭТСЦ-1;

8. Кулютин С.А. – помощник мастера ЭТСЦ-2;

9. Сидоров А.А. – главный механик;

10. Максимов Л.А. – механик по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

11. Богданов А.Ф. – заместитель главного механика ПМУ;

12. Арен Э.А. – механик по ремонту оборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

13. Идесис В.Г. – ведущий специалист по инструменту;

14. Голубев Д.П. – инженер по инструменту;

15. Хомюк А.В. – заместитель гл. инженера – главный электрик;

16. Автономов М.И. – специалист по ремонту и наладке систем автоматического управления;

17. Попов П.И. – инженер по техническим средствам;

18. Сергеев Н.А. – специалист по КИПиА;

19. Белов Д.В. – специалист по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

20. Дормидошин О.В. – инженер по ремонту 1 электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

21. Демин А.И. – инженер по надзору и охране труда;

22. Морозов Е.А. – инженер-конструктор проектного отдела;

23. Стрельникова С.А. – контрольный мастер ОТК;

24. Фокина Т.А. – ведущий специалист-металловед;

25. Фурсов Н.И. – начальник отдела стандартизации и технологии;

26. к.т.н. Манохина Н.Г. – ведущий специалист хим. отдела;

27. Срукова Н.Г. – инженер-технолог;

28. Жаренов С.А. – начальник отдела информационных технологий.

Приглашенные участники

1. д.т.н., проф. Самусев С.В. – Московский институт сталей и сплавов (МИСиС);

2. к.т.н., доц. Шульгин А.В. – МГВМИ, каф. МиОМД.

 

Начав доклад, доц. Морозов Ю.А. ознакомил присутствующих со схемами напряжений и деформаций, имеющих место в каждом процессе обработки металлов давлением. При этом он подчеркнул, что согласно условию постоянства объема, оказываемая на заготовку внешняя деформация (формоизменение под действие внешних сил) обязательно будет компенсироваться внутренней деформацией металла, приводящей к некоторому изменению геометрии готового изделия и, как следствие, к вынужденной настройке технологического оборудования. Поэтому использование определенных математических зависимостей позволяет оценить уровень деформации и обеспечить требуемые размеры и даже их регулирование в определенных пределах подбором геометрии деформирующего инструмента и режимов обработки.

В качестве иллюстрации к сказанному была представлена презентация, содержащая схему формовки трубной заготовки, а также методика расчета напряжений и деформаций. Было показано, что сворачивание штрипса сказывается на увеличении его ширины, приводящей к некоторому уменьшению толщины стенки.

Дальше выступление продолжил доц. Алдунин А.В., доклад которого касался калибровочных станов для отделки труб. Он отметил, что многоклетевые станы продольной прокатки непрерывного типа позволяют расширить сортаментные возможности в сторону получения труб меньшего диаметра.

В зависимости от принятого режима работы процесс может протекать с увеличением или уменьшением толщины стенки, что является ярким примером возможностью управления деформацией и оптимизацией маршрута прокатки, обеспечивающей стабильность качества, в том числе структуры деформированного металла и высокую производительность даже для труднодеформируемых материалов.

Внимание присутствующих было обращено на то, что в стенке трубной заготовки одновременно действует два различных компонента деформаций: обжатие в валковой клети приводит к осаживанию и утолщению стенки; натяжение в межклетевом промежутке, являющееся следствием обжатия, растягивает трубу в длину, тем самым уменьшая толщину стенки. Таким образом, управляя интенсивностью обжатия, натяжения и регулируя величину контактного трения в итоге можно получить трубы одного диаметра с различной толщиной стенки.

Наличие комплексной автоматизации трубоэлектросварочного стана позволяет направлять в информационный блок управления сигналы от соответствующих датчиков, например, нажимного устройства каждой рабочей клети и бесконтактных измерителей толщины. В результате сравнения сигналов с заданным алгоритмом и логической обработки информации по обратной связи осуществляется управление процессом редуцирования.

Идесис В.Г. поднял вопрос о натяжении трубы в процессе прокатки: – «Объясните поподробнее о взаимосвязи обжатия и натяжения, и механизм образования натяжения?». Данный вопрос был поддержан присутствующими Голубевым Д.П и Сергеевым Н.А.

С ответом на вопрос выступил доц. Морозов Ю.А. заявивший, что натяжение в межклетевом промежутке является следствием различия тянущих усилий соседних клетей: обжатие трубы впоследствии создает тормозящее действие, а рассогласование режима прокатки в сторону увеличения окружной скорости валков последующей клети увеличивает тянущее усилие, чему препятствует предыдущая клеть. Построенный таким образом маршрут обжатий обеспечивает прокатку трубы с регулируемым натяжением.

Продолжая тему занятия, доц. Морозов Ю.А. отметил, что с целью обеспечения высокоточных размеров трубы или для удаления оставшегося наружного грата на заводе также используется волочильное оборудование.

В проходящей через волоку трубной заготовке параллельно идут два процесса – изгиб трубы в конусе волоки и ее обжатие под действие усилия волочения. Фактически, труба растягивается под действием тянущего усилия, однако в процессе своего обжатия она испытывает деформацию осадки, следствием которой будет ее утолщение. Подобное изменение толщины всегда наблюдается при безоправочном волочении.

На вопрос Стрельниковой С.А.: – «имеются ли какие методики расчета увеличения толщины стенки трубы при волочении?», доц. Морозов Ю.А. ответил, что профессором Московского Государственного вечернего металлургического института Коханом Л.С. создана математическая теория изменения толщины листового металла, которая с успехом находит свое применение и для процессов безоправочного волочения. Соответственно при этом обращается внимание на геометрию рабочего канала волоки и на величину контактного трения, изменением которых можно также управлять точностью производства сварных труб.

 

Зав. лабораторией ОАО МТЗ «Филит», к.т.н.	Манохина Н.Г.
Руководитель научно-образовательного семинара, зав. кафедрой ММиОМД МГОУ, д.т.н., проф.	Шаталов Р.Л.