LAMINAZIONE DI TUBI. Tratto da:

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1 LAMINAZIONE DI TUBI Tratto da: Ceretti E., Maccarini G.; Plasticità e Lavorazioni per Deformazione Plastica; Università degli Studi di Brescia (Capitolo 5) Bugini, Giardini, Pacagnella, Restelli; Tecnologia Meccanica - Lavorazioni per fusione e per deformazione plastica; Città Studi Edizioni (Capitolo 4) 1 1

2 LAMINAZIONE DI TUBI Mediante laminazione è possibile ottenere un tubo senza saldature (seamless), quindi resistente e affidabile. In alternativa i tubi possono essere prodotti: partendo da nastro, ripiegandolo assialmente e saldandolo lungitudinalmente; mediante estrusione (anche di acciaio). 2 2

3 TUBI SLADATI E NON SALDATI 3 3

4 APPLICAZIONI TUBI NON SALDATI L impiego dei tubi senza saldatura è nei settori che richiedono un elevata integrità al tubo: ad esempio nelle costruzioni civili per ridurre l instabilità da carico di punta ridurre l insorgenza di corrosione localizzata estetica

5 LAMINAZIONE DI TUBI O negli impianti con fluidi in pressione per elevate caratteristiche meccaniche ridurre l insorgenza di corrosione localizzata

6 LAMINAZIONE DI TUBI Il processo di laminazione di un tubo può essere diviso in tre fasi: produzione del forato: la billetta viene trasformata in un corpo cavo di limitata lunghezza con elevato spessore di parete. Viene effettuata a caldo. stiratura: dal forato si giunge al tubo vero e proprio, allungandolo e riducendone lo spessore di parete. Anche la stiratura viene effettuata a caldo. 6 6

7 LAMINAZIONE DI TUBI Infine si ha la: finitura: il tubo viene portato alle quote finali attraverso un processo di laminazione (a caldo o a freddo) o trafilatura (a freddo). Se necessario viene anche raddrizzato (a freddo). 7 7

8 PRODUZIONE FORATO: Laminatoio Mannesmann La produzione del forato viene comunemente effettuata con il laminatoio MANNESMANN (o laminazione obliqua). Il grezzo di partenza è in generale una billetta ma può anche essere una colata continua. Il processo di produzione del forato è però discontinuo (billette fino a 5 metri circa). La billetta viene riscaldata fino a C e portata al laminatoio. 8 8

9 PRODUZIONE FORATO: Laminatoio Mannesmann I cilindri laminatori sono a forma di doppio cono uniti per la base maggiore e hanno assi sghembi. I due cilindri sono posti in rotazione la billetta viene posta tra di essi e mantenuta da opportuni cilindri o guide laterali (non visibili qui sotto). E presente anche un mandrino (o spina) centrale. 9 9

10 PRODUZIONE FORATO: Laminatoio Mannesmann L azione dell attrito T tra i rulli e la billetta può essere scomposta in un azione assiale (A) e una tangenziale (R). La prima genera una traslazione della billetta, la seconda una rotazione: la billetta avanza con moto elicoidale. A R = T = T senα cosα In generale: 4 2α

11 PRODUZIONE FORATO: Laminatoio Mannesmann Nell avanzare la billetta incontra la spina posizionata tra i rulli che lacera il materiale al centro e genera il tubo. In realtà l azione di lacerazione è favorita dal particolare stato tensionale generato dai due rulli

12 PRODUZIONE FORATO: Laminatoio Mannesmann Osserviamo lo stato di sollecitazione in una generica sezione soggetta all azione radiale P generata dal contatto con i rulli: dθ A D T B' O C' P P T A B 1 C D A' B' 2 D' C' Consideriamo ora degli elementi di materiale che siano una porzione di corona circolare osservata sotto l angolo dθ: si vede come la sollecitazione radiale sull elemento più esterno sia di trazione sulla superficie interna (centripeta) per bilanciare l azione circonferenziale generata da P

13 PRODUZIONE FORATO: Laminatoio Mannesmann L elemento adiacente più vicino al centro è sollecitato sulla superficie esterna da un azione di trazione radiale (centrifuga). Per l equilibrio la sollecitazione sulla superficie interna deve essere maggiore perché la superficie è minore e perché si somma la componente orizzontale dell azione circonferenziale. Proseguendo verso il centro si ricava che l elemento centrale è sollecitato a trazione in direzione orizzontale e a compressione in direzione verticale. Di conseguenza, il materiale subisce un ciclo trazione-compressione ad ogni quarto di giro. In tempi rapidi il materiale si lacera e la spina dà forma al foro. dθ A D T O B' C' P P T A 1 D A' 2 D' B C B' C' 13 13

14 PRODUZIONE FORATO: Laminatoio Mannesmann Ricapitolando A causa della presenza della spina centrale il processo è discontinuo: vengono prodotti spezzoni di tubo dai quali deve poi essere sfilata la spina centrale

15 PRODUZIONE FORATO: Foratura della billetta In alcuni casi prima del laminatoio Mannesmann si esegue un pre-foro cieco su una estremità della billetta con lo scopo di favorire l inizio della lavorazione e l apertura della billetta

16 PRODUZIONE FORATO: Laminatoio Mannesmann Una volta ottenuto, il forato deve essere allungato, probabilmente ridotto verrà ridotto il diametro e sicuramente verrà ridotto lo spessore della parete. Il forato viene quindi portato alla stazione successiva

17 STIRATURA: Laminatoio a Passo di Pellegrino A questo punto il forato viene generalmente lavorato con un laminatoio stiratore denominato a Passo di Pellegrino che conferisce al forato la forma di un tubo vero e proprio. Il laminatoio è composto da due cilindri e da un sistema di alimentazione. All interno del forato viene alloggiata una spina che viene alimentata continuamente (da destra verso sinistra in figura). I cilindri sono contro rotanti e hanno una geometria particolare. A B N 17 17

18 STIRATURA: Laminatoio a Passo di Pellegrino Per un tratto dell arco di rotazione e due cilindri non sono in contatto con il tubo, il quale avanza verso sinistra (1). In (2) i rulli vengono in contatto con il materiale e stirano il forato facendolo arretrare. Si genera così un tratto di tubo di basso spessore (3, 4 e 5), grazie ad un forte stiramento assiale. In queste fasi il forato e la spina possono retrocedere. In (6) i rulli si disimpegnano dal materiale, che riprende a muoversi verso sinistra. (1) (2) (3) (4) (5) (6) 18 18

19 STIRATURA: Laminatoio a Passo di Pellegrino Il moto del forato è quindi: verso sinistra durante la fase di alimentazione verso destra durante la fase di stiramento da cui deriva il nome del laminatoio per analogia con i pellegrini medioevali. In uscita dal laminatoio a passo di pellegrino il materiale ha già la forma di tubo, anche se lo spessore della parete e il diametro sono ancora piuttosto grandi e le tolleranze geometriche grossolane. Si procede quindi a: stirare ulteriormente il tubo per ridurre diametro e spessore migliorare la precisione dimensionale 19 19

20 RISCALDAMENTO Spesso prima di procedere alla stiratura gli spezzoni di tubo vengono tagliati e riscaldati nuovamente (singolarmente o in lotti) per riportarli ad una temperatura cui sia possibile effettuare la formatura a caldo

21 STIRATURA: Laminatoio continuo La stiratura e il raggiungimento delle quote finali vengono ottenuti mediante un laminatoio continuo o mediante un laminatoio riduttore e stiratore. Il laminatoio continuo è costituito da un gruppo di rulli (calibri), generalmente due o tre, sagomati in maniera tale da ridurre lo spessore del tubo. Il tubo ha sempre al suo interno un mandrino calibratore, in generale folle. p Dg Dt L α M 21 21

22 STIRATURA: Laminatoio continuo Il laminatoio continuo è costituito da più gabbie (anche più di dieci) ognuna costituita da un gruppo di calibri cui compete solo il 5-10% di riduzione dello spessore

23 STIRATURA: Laminatoio Riduttore e Stiratore Il laminatoio riduttore e stiratore è analogo al laminatoio continuo visto precedentemente, solo non prevede l utilizzo del mandrino centrale. E quindi sempre presente una riduzione di diametro. L azione di stiramento viene ottenuta imponendo un tiro tra le gabbie controllando opportunamente la velocità dei rulli nelle varie gabbie. Tiro generato dalla gabbia a valle 23 23

24 STIRATURA In questa fase è anche possibile imprimere al tubo una sezione differente da quella circolare: A questo punto i tubi vengono raffreddati o lasciati raffreddare

25 RADDRIZZATURA A prodotto freddo è possibile imporre una deformazione plastica permanente per migliorare la rettilineità del tubo, nonché la sua circolarità. La lavorazione viene generalmente effettuata imponendo una doppia piegatura: 25 25

26 IL CICLO Riassumendo, il ciclo di produzione di un tubo senza saldatura (seamless) è il seguente: 26 26

27 IL CICLO segue

28 IL CICLO segue

29 IL PRODOTTO FINITO 29 29

30 UN IMPIANTO DI PRODUZIONE Il layout di un tipico impianto di produzione è il seguente: 30 30