Desing and optimization of tooling for pipe end forming in integral connection

This thesis investigates the optimization of the forming process for female pipe ends used in premium Oil Country Tubular Goods (OCTG), produced by Tenaris, a global leader in the steel and energy manufacturing sector. Their reliability depends on stringent dimensional accuracy and mechanical integrity achieved through precise process control. The main objective was to analyze and improve the forming stage a key operation preceding threading to reduce ovality, wall thickness deviation, and geometric variability, which can compromise sealing performance and production efficiency. Using Finite Element Method (FEM) simulations in Abaqus, a digital model of the forming process was developed to reproduce the multi axial deformation caused by nosing dies reduction and mandrel expansion. Incorporating real material data, friction, and boundary conditions from the Dalmine plant, the calibrated model achieved high predictive accuracy. Parametric analyses on die angle, calibration zone length, and mandrel expansion ratio identified an optimized configuration that reduced ovality from 5.68 mm to 1.9 mm, improved wall thickness uniformity, and minimized residual stresses. Industrial implementation of the new tooling confirmed these results, validating the simulation driven optimization approach. The production of the new tools yielded tangible results: defect rates decreased, and forming cycle variability declined significantly. These technical improvements translated into substantial economic benefits, including reduced scrap, shorter cycle times, and extended tool life. The work not only improves product quality and efficiency but also provides a replicable model for digital integration in large scale manufacturing a key enabler of technological leadership in the evolving energy industry

La presente tesi analizza l’ottimizzazione del processo di formatura delle estremità femmina dei tubi utilizzati nei prodotti Oil Country Tubular Goods (OCTG) di alta gamma, realizzati da Tenaris, leader globale nel settore siderurgico e manifatturiero per l’industria energetica. L’affidabilità di questi componenti dipende da una rigorosa precisione dimensionale e da un’elevata integrità meccanica, ottenute attraverso un controllo accurato del processo produttivo. L’obiettivo principale del lavoro è stato quello di analizzare e migliorare la fase di formatura; un’operazione chiave che precede la filettatura al fine di ridurre ovalizzazioni, variazioni di spessore e difetti geometrici che possono compromettere le prestazioni di tenuta e l’efficienza produttiva. Attraverso simulazioni FEM (Finite Element Method) realizzate con il software Abaqus, è stato sviluppato un modello digitale del processo di formatura in grado di riprodurre la deformazione multiassiale generata dalla riduzione con Bussola e dall’espansione mediante Mandrino. Il modello, calibrato sulla base dei parametri produttivi reali dello stabilimento di Dalmine, ha integrato dati materiali realistici, condizioni di attrito e vincoli al contorno, raggiungendo un’elevata accuratezza predittiva. Le analisi parametriche condotte sulle variabili geometriche delle attrezzature quali l’angolo della matrice, la lunghezza della zona di calibrazione e il rapporto di espansione del mandrino hanno permesso di individuare una configurazione ottimale capace di ridurre l’ovalità media da 5,68 mm a 1,9 mm, migliorare l’uniformità dello spessore e minimizzare le tensioni residue. L’applicazione industriale del nuovo design degli utensili ha confermato i risultati numerici, validando così l’efficacia dell’approccio di ottimizzazione basato sulla simulazione. La produzione delle nuove attrezzature ha prodotto risultati tangibili: la percentuale di difetti si è ridotta, la variabilità del ciclo di formatura è diminuita in modo significativo e il processo è diventato più stabile. Tali miglioramenti tecnici si sono tradotti in benefici economici concreti, tra cui la riduzione degli scarti, tempi ciclo più brevi e una maggiore durata degli utensili. Questo lavoro non solo incrementa la qualità del prodotto e l’efficienza produttiva, ma fornisce anche un modello replicabile per l’integrazione digitale nei processi di manifattura su larga scala, un elemento chiave per il mantenimento della leadership tecnologica nel settore energetico in continua evoluzione.