Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Проблемы эксплуатации оборудования нефтехимического производства и его восстановления 14
1.1 Выбор объекта исследования. Анализ работоспо собности оборудования, необходимости и возможности его восстановления 14
1.2. Дефекты, возникающие при эксплуатации оборудования 18
1.3. Возможные методы и средства восстановления оборудования 25
1.4. Анализ прочностных характеристик припоев 32
1.5. Анализ прочностных характеристик паянных соединений 40
Выводы по главе 1. Постановка задачи исследования 52
Глава 2. Исследование свойств припоев 56
2.1. Основные предпосылки и необходимые условия для создания новых припоев 56
2.2. Исследование статических характеристик припоев 63
2.3. Исследование ползучести припоев и их соответствующих характеристик 65
2.4. Динамические исследования припоев на прочность 79
Выводы по главе 2 83
Глава 3. Статические и динамические исследования паянных соединений 84
3.1. Основные факторы, определяющие надежность паянного соединения 84
3.2. Исследования статической и динамической прочности паянного соединения и выбор его оптимального зазора 85
3.2.1. Статическая прочность паянных соединений встык в зависимости от типа припоя и величины зазора ... 86
3.2.2. Динамическая прочность паянного соединения встык в зависимости от типа припоя и величины зазора 90
3.2.3. Гидродинамические исследования паянных соединений 97
3.3. Исследование эффективности ремонта несквозных дефектов 102
3.3.1. Статическая прочность образцов с несквозпыми дефектами 102
3.3.2. Теоретическая оценка опасности несквозных дефектов и экспериментальные исследования се ликвидации с помощью технологических наладок 108
3.4. Эффективность ликвидации сквозных дефектов 117
3.4.1. Эффективность припоев при ликвидации сквозных дефектов малых размеров 117
3.4.2. Исследование эффективности ремонта оборудования, имеющего сквозные дефекты больших размеров при лайке встык 119
3.4.3. Исследование прочности паянных соединений внахлест 123
3.4.4. Исследование прочности паянных соединений встык на растяжение 127
3.4.5. Анализ влияния остаточных напряжений на проч-ность паянных соединений 134
3.4.6. Выбор допускаемых напряжений в паянном соединении 139
Выводы по главе 3 142
Глава 4. Разработка и исследование способов соединения элементов оборудования 145
4.1. Теоретическое обоснование и экспериментальное исследование прочности паянных соединений с профилированием элементов пайки 145
4.2. Пайка в магнитном поле 156
4.3. Возможности использования многослойного паянного соединения 161
Выводы по главе4 162
Глава 5. Разработка и исследование технологических возможностей пайки 163
5.1. Разработка низкотемпературного нагревателя 163
5.2. Исследование нагрева зоны пайки оборудования способом нагрева 167
Выводы по главе 5 171
Глава 6. Практическое применение результатов работы при восстановлении оборудования 172
6.1. Объекты, восстанавливаемые при помощи пайки композиционными припоями РИКЦ, и технология восстановления 172
6.2. Специальные низкотемпературные припои 174
6.3. Инженерный метод расчета паянного соединения на длительную прочность 175
Примеры внедрения 178
Общие выводы и основные результаты работы 181
Список литературы 184
- Дефекты, возникающие при эксплуатации оборудования
- Исследование ползучести припоев и их соответствующих характеристик
- Статическая прочность паянных соединений встык в зависимости от типа припоя и величины зазора
- Инженерный метод расчета паянного соединения на длительную прочность
Введение к работе
Проблема безопасности и восстановления работоспособности технологического оборудования приобрела большую актуальность, определяемую появлением Закона Российской Федерации по безопасности промышленных объектов, соответствующих приказов МЧС и Госгортехнадзора России, научно-технических программ. Эта актуальность в значительной степени вызвана переходом страны к рыночной экономике, в результате которого резко сократилось обновление основного технологического оборудования.
По данным Министерства экономики и органов Госгортехпадзора большая часть аварий на производстве связана с отказами технологического оборудования. С каждым годом все больший процент технологического емкостного оборудования и сосудов, работающих под давлением, оказывается за чертой нормативного срока службы, усиливается его коррозионный и усталостный износ. Неблагополучно обстоят дела и с различными типами продуктопроводов. Так в России в течение года происходит до 20 тысяч разрывов магистральных трубопроводов, причем 80% из них -вследствие коррозионного износа (по данным Комитета по экологии Госдумы России). В настоящее время более 60% железнодорожных цистерн для перевозки химических и нефтехимических материалов находится в неудовлетворительном состоянии, более 30% имеют выработанный нормативный ресурс и должны заменяться на новые. Аналогичное положение и с резервуарным парком для стационарного хранения химических материалов.
В то же время большая часть сосудов (до 70%), аппаратов и трубопроводов обладают ремонтопригодностью и могут в значительной степени восстановить свой ресурс.
Наиболее распространенная сейчас технология ремонта емкостного оборудования основывается на применении метода сварки с помощью на- . 7 .. і кладок. Применение сварки сопряжено с необходимостью полного освобождения емкостей от содержащихся в них жидкостей, последующей очисткой, а в случаях, когда жидкости являются взрывопожароопасньши. необходимостью дегазации сосудов. Эти виды работ, особенно в полевых условиях, сложны технологически, дорогостоящи и требуют длительной остановки производства.
Особенно наглядны эти потери при ремонте железнодорожных цистерн, которые для очистки и дегазации необходимо перегонять на дальние расстояния в спегщаігазированное депо, гак как выполнение этих работ возможно только в специализированных условиях, что и обусловило особенную актуальность возможности ремонта и восстановления сосудов и аппаратов без высвобождения их от горючих веществ, очистки и пропарки. Кроме того, необходима технология, позволяющая быстро устранять аварийные ситуации, резко снижая опасность последствий и ущерб от них. В 1998 году было подано под налив нефтепродуктами свыше 15 тысяч железнодорожный цистерн с неисправностями, в т.ч. свыше 5 тысяч с открытой течью.
Разрешенная для использования технология холодного ремонта с применением иолимеризующих соединений в виде наст и замазок не обеспечивает необходимую прочность, тепло стоик ость, устойчивость к действию химически активных сред и может рассматриваться как временная мера в условиях экстремальной ситуации.
Из изложенного следует, что в настоящее время актуальна проблема восстановления работоспособности химических и нефтехимических сосудов и аппаратов, которое бы производилось в экстремальных ситуациях вне стационарных предприятий, обеспечивало высокую надежность при низкой стоимости и позволяло бы устранять дефекты без высвобождения сосуда, его очистки и дегазации.
Решение этой проблемы возможно, применив для восстановления оборудования вместо метода сварки известный способ соединения деталей - метод безогневой пайки.
Работы в этом направлении проводили Доронин Г.П. [18], Дрыгин В.Д. [19], Иванов Г.П. [25], Кабанов В.В. [29], Картишов Н.Г. [31], Касаткин СБ. [32], Кева Д. [33], Кмечич Д.С. [34], Колокольцев В.М. [35], Котлов Ю.Г. [36], Лекедеонский А.В. [40], Лашко СВ. [42], Логманов С.Н. [45,46], Манко Г. [48], Никитинский A.M. [55], Окабаяши М. [57], Орлов А.В. [58], Петрунин И.Е. [46,63,64,66], Радзиевский В.Н. [71], Рихтер X. [76], Роберте П.М. [77], Самойленко В.Г. [81], Семенов В.Н. [84], Соловьев А.Д. [87,88,89,90], Фетисов Г.П. [97], Хряпин В.Н. [101], Чиж Д.М. [121], Чистяков Ю.Д. [122].
Разработаны различные технологии пайки применительно к конкретным условиям соединения тех или иных деталей, различные гомогенные, гетерогенные, композиционные легкоплавкие и тугоплавкие припои, методы зачистки паяемых поверхностей, различные флюсы и нагревательные приборы (паяльники). Предложены различные методы прочностных расчетов паянных соединений, разработаны основы теоретического обоснования их работы. Однако для восстановления работоспособности оборудования нефтехимического оборудования метод пайки не применялся.
Использование легкоплавких припоев, имеющих температуру пайки ниже, чем температура самовоспламенения содержимого продукта, позволяет выполнять восстановление в кратчайшие сроки без высвобождения емкости и ее дегазации. Применяемые при этом припои обладают высоким электрохимическим потенциалом и служат своего рода катодными протекторами, обеспечивая антикоррозионную защиту сосуда. Сами же припои имеют хорошую коррозионную стойкость и могут служить достаточно долго. Прочность таких паянных соединений при обычных и пониженных температурах достаточно велика, однако при повышении температуры она снижается. Известно, что с уменьшением толщины слоя припоя усиливается эффект стесненной деформации, что несколько повышает прочность соединения, но сильно снижает его пластичность. В случаях возникновения динамических наїрузок такая потеря пластичности может вызвать разрушение паянного соединения с катастрофическими последствиями.
Механические свойства обычных легкоплавких припоев невысоки: предел прочности колеблется от 35 до 45 МПа, а при повышении температуры прочность припое быстро снижается и к 60 С, она не превосходит 20^25 МПа. В виду низкой температуры плавления основных компонентов, порог рекристаллизации припоя лежит, обычно, ниже комнатной температуры, а поэтому в процессе эксплуатации паянных соединений даже при обычной температуре наблюдается заметная ползучесть.
Разработанные композиционные припои, позволяю! резко повысить их жаропрочность и улучшить технологические свойства. Однако предложенные композиционные припои имеют существенные недостатки - технология их применения сложна, сложен сосав припоя, содержащий дорогостоящие и дефицитные компоненты, громоздка нагревательная аппаратура. Необходимо провести ряд исследований но изысканию композиций в состав которых, по возможности, не входили бы редкие и очень дорогие металлы, такие как индий, германий и другие.
В настоящее время недостаточно теоретических и экспериментальных исследований прочностных характеристик соединений, особенно работающих при динамических нагрузках.
В технологии безогневой пайки особое место занимает способ нагрева. Применение обычных, даже мощных, паяльников не эффективно в виду значительной массы паяемых объектов, а высокая температура нагревательных элементов делает их взрывопожароопасиыми и сводит на нет все основные преимущества безогневой пайки. Использование индукционного нагрева сопряжено с применением громоздкой и тяжелой аппаратуры, которая сделает невозможным восстановление в полевых условиях или экстремальных ситуациях, резко снизит возможности оперативного принятия мер и мобильность восстановительных бригад.
Нагрев струей горячего воздуха недопустим, поскольку воздух будет находиться в контакте с открытыми нагревательными элементами, имею- шими высокую температуру и создающими взрывопожароопасную ситуацию.
Таким образом, для обоснованной реализации метода пайки при восстановлении нефтехимического оборудования необходимы экспериментальные и теоретические исследования с целью выявления рационального сочетания конструктивных и технологических мер, при помощи которых можно обеспечить прочность и надежность, не уступающих прочности и надежности сварных соединений.
Для достижения поставленной цели по разработке и исследованию новых припоев, видов паянных соединений, и методов их расчета выполнена данная работа-Работа состоит из шести глав, введения , заключения и приложений. В первой главе проведен анализ научно-технической и патентной литературы, учтен практический опыт эксплуатации оборудования нефтехимического производства, выявлена необходимость и возможность проведения диагностических и восстановительных работ- оборудования, в частности, железнодорожных и автомобильных цистерн, емкостей и резервуаров, предназначенных для перевозки и хранения взрывоопасных, горючих и химических веществ таких как нефть, бензин, газ, кислоты к др. Установлено, что при эксплуатации данного оборудования в нем появляются дефекты, способствующие вытеканию продукта. Это приносит большой экономический и экологический ущерб. Определена номенклатура такого оборудования, виды и характер устраняемых дефектов.
Выявлены недостатки метода сварки, используемого в настоящее время для восстановления оборудования, его экономическая нецелесообразность и невозможность использования в полевых условиях.
Предложен для использования при восстановительных работах метод безогневой пайки. Определены легкоплавкие припои, флюсы, нагревательные и измерительные приборы, применяемые в настоящее время для ведения работ, связанных с пайкой, выявлены их недостатки, указаны направления их устранения.
Сделаны выводы и поставлены задачи исследования.
Во второй главе проведены исследования по изучению существующих припоев на свинцово-оловянистой основе, учтены их недостатки в условиях применения для восстановления оборудования нефтехимического производства и предложены рецептуры композиционных припоев типа РИКЦ-1, которые обладают хорошими технологическими и эксплуатационными характеристиками и не имеют в своем составе дорогих и дефицитных компонентов типа галлия, германия, индия.
Проведенные статические и динамические исследования композиционных припоев показали, что у них по сравнению с другими известными припоями более высокий уровень прочности (<т;?), в том числе и динамической прочности (KCF), и кратковременной горячей твердости (тсплопрочности). Установлено, что композиционные припои обладают более высокой кратковременной и длительной твердостью, а припой РИКЦ-1 хорошо сохраняет эти положительные для эксплуатации восстановленного оборудования характеристики и при повышенных, до +120 С, температурах.
В третьей главе проведены исследования статической и динамической прочности паянных гомо- и гетерогенными легкоплавкими припоями соединений. Установлено, что с увеличением толщины слоя припоя уменьшается их прочность, что обусловлено присутствием в шве внутренних дефектов, количество которых с увеличением толщины шва, растет. При небольших толщинах слоя припоя (до 0,4 мм) прочность соединения выше прочности припоя, что обусловлено влиянием на прочность объемно-напряженного состояния припоя.
В зависимости от условий эксплуатации оборудования и вида дефекта, ею восстановление целесообразно вести разными припоями с разной толщиной пайки.
Показаны преимущества новых композиционных припоев типа РИКЦ-1 по сравнению с припоями типов ПОС и МАСМА.
Четвертая глава посвящена разработке и исследованию новых способов создания паяемых элементов оборудования. Для повышения прочности стыковых соединений предложена их рельефная обработка, что, как показали экспериментальные исследования и теоретическое обоснование, позволяет в 2...3 раза увеличить динамическую прочность соединения. Разработай метод расчета динамической прочности рифленого соединения.
Разработан способ пайки композиционным припоем типа РИКЦ-1 с наложением магнитного поля на образуемый шов. что позволяет ликвидировать дефекты в 1,6 раза большее по размерам, чем при отсутствии магнитного поля, и повысить до 26% прочность паянного соединения.
Предюжен метод многослойного паянного соединения, пластическая деформация которого и соответствующая работа разрушения увеличивается пропорционально числу слоев припоя.
В пятой главе проведен анализ способов нагрева массивных паяемых элементов, какими являются железнодорожные цистерны. Учитывая закономерности теплостока и его зависимость от мощности нагревателя, площади паяемой поверхности и площади стержня паяльника, температуры пайки и температуры плавления припоя, времени пайки и обеспечения безопасности работы, разработан и испытан низкотемпературный много-стержиевой паяльник, обеспечивающий увеличение площади контакта паяльника, припоя и изделия, что дало возможность увеличить в 5...10 раз теплосток без повышения температуры нагревателя, снизить расход потребляемой энергии, время пайки и увеличить срок службы паяльника.
Предложен способ пайки трением. Разработано устройство, обеспечивающее безопасность работы и надежность пайки трением.
В шестой і лаве даны практические рекомендации по применению метода пайки при восстановлении оборудования нефтехимического производства. Указана технологическая последовательность выполняемых операций при пайке. Разработай инженерный метод расчета паянного соединения на длительную прочность. Приведены примеры использования полученных в работе результатов на конкретных предприятиях.
На защиту автором выносятся следующие основные положения: - разработанные новью композиционные припои, пайка трением, пай ка в магнитном поле и многостержневой паяльник; способ оценки опасности несквозных дефектов, которые могут быть устранены низкотемпературной пайкой; результаты исследований влияния параметров паянного шва па статическую и динамическую прочность стыковых паянных соединений; методика, приспособления и результаты испытаний статической и динамической прочности паянных соединений; методика и результаты испытаний кратковременной и длительной горячей твердости припоев и паянных соединений; способы повышения динамической прочности паянных соединений созданием поверхности регулярного рельефа и многослойных накладок; - инженерный метод расчета паянных соединений на динамическую и длительную прочность.
Практическая значимость работы. Разработанные технология, оборудование и материалы расширяют возможности ведения работ по созданию новой техники и восстановлению оборудования методом безогневой пайки без освобождения, дезактивации и дегазации сосудов и емкостей. Результаты работы применялись при восстановлении железнодорожных и автомобильных цистерн, сосудов и аппаратов низкого давления, трубопроводов и емкостей, эксплуатирующихся на территории Верхиеволжского округа Госгортехнадзора России по соответствующему разрешению Верхневолжского округа.
Дефекты, возникающие при эксплуатации оборудования
В то же время во многих случаях исчерпание расчетного ресурса вовсе не означает действительного перехода оборудования в опасное состояние. Значительные запасы прочности позволяют после тщательного диагностирования провести соответствующее восстановление и существенно продлить ресурс работоспособности оборудования или своевременно устранить его аварийную остановку. В силу ряда причин, в том числе и такой, что план некоторым машиностроительным заводам устанавливался в тоннах выпущенного оборудования, принимались явно завышенные коэффициенты запаса прочности за счет увеличения удельной металлоемкости оборудования. Так, удельная металлоемкость железнодорожного подвижного состава выше зарубежного на 50%, автомобильного транспорта на 17%, строительно-дорожных машин - в 2, 3 раза. Отечественные экскаваторы тяжелее аналогов Германии, Японии и Голландии в 1,5 раза, а массаем-кость самоходных кранов в 3 раза больше по сравнению с японскими [58].
Существующие методы диагностики оборудования в значительной мере устарели, несмотря на развитие и совершенствование измерительной техники. Они обычно исходят из сравнения характеристик и свойств деградирующего металла в отработавшем нормативный срок оборудовании с характеристиками и свойствами металла в исходном состоянии, только что поступившего с металлургического завода, и еще не подвергавшегося деформациям, сварке, механообработке, термообработке и т.д. в процессе изготовления оборудования. Но любая обработка металла в той или иной степени изменяет его свойства.
Любой объект, в том числе и материал в конструкции, претерпевая воздействие внешних и внутренних факторов, постепенно деградирует. Накопление ошибок функционирования любого объекта современная наука рассматривает как естественное свойство реальной системы [70,100]. Деградация материала в понимании его механической прочности в объектах химичеекой и нефтехимической промышленности является следствием трех основных процессов: старения, усталости и коррозии [122].
Старение приводит обычно к некоторому повышению пределов текучести а прочности за счет дисперсионного твердения сплавов с метаста-билытыми твердыми растворами и к одновременному значительному уменьшению пластичности и вязкости. Так например, кипящие стали за несколько месяцев могут 5-6 раз снизить ударную вязкость, что может привести к тяжелым авариям, особенно при низких температурах. При циклических нагрузках, характерных для условий эксплуатации железнодорожных цистерн с течением времени наступает усталостное повреждение, которое и вызывает наибольшее число отказов. Наконец, коррозионные повреждения возникающие как следствие неправильного выбора материала и конструкции, недостаточной антикоррозийной защиты или нарушения эксплуатационных режимов. мого уровня возникают отказы, начиная с момента наработки до первого отказа (г„), после чего интенсивность отказов сначала нарастает, а затем начинает снижаться по мере выхода из строя остальных объектов и к моменту времени тк из сгроя выходит последний объект [73,74].
Для не очень ответственных объектов допустимая вероятность отказов может составлять 0,05-0,10. Но дня оборудования химической и нефтехимической промышленности уровень безотказности в течение заданного срока (у-процентный ресурс) стремятся приблизить к 1.
Повышение надежности и долговечности оборудования достигается комплексом мероприятий, начиная от правильного конструкторского расчета и рационального выбора материала до установления оптимального режима эксплуатации объекта, постоянного контроля за его состоянием («мониторинг») и своевременного и качественного профилактического восстановления.
Исходя из вышеизложенного и согласно исследованиям М.А. Ак-сельрода [11, можно утверждать, что если исходить не из теоретического состояния металла и механических характеристик, присущих ему еще до изготовления изделия, а из сравнения характеристик в момент начала эксплуатации и в момент окончания установленного ресурса, то оказывается, что значительная часть объектов может успешно эксплуатироваться и по исчерпанию расчетного ресурса.
Несколько иначе обстоит дело с тем оборудованием, которое получило существенное повреждение, имеющее например, характер трещин, свищей, язвин или непроваров сварных швов. Вследствие недоброкачественных сварных швов уже после недолгой эксплуатации в резервуарах возникают сквозные отверстия, которые требуют немедленного прекращения эксплуатации и проведения восстановления. Недавние исследования [16] показали, что сопротивление развитию трещин у стали при высокой температуре, соответствующей условиям эксплуатации котла, может оказаться значительно меньшим, чем в условиях гидравлических испытаний при обычной температуре. Поэтому в соответствии с условиями эксплуатации, деградация свойств оборудования и технология его восстановления могут быть различными в зависимости от температуры, давления, агрессивности среды и других условий.
Для выявления дефектов оборудования и своевременной их ликвидации необходима постоянная диагностика оборудования, повышение требований к ней и проведенным восстановительным работам, т.к. согласно анализа данных [8, 49, 125] на ряде предприятий они в настоящее время значительно снижены.
Таким образом, создавшаяся в стране ситуация и, в частности, в нефтехимическом производстве все больше обуславливает целесообразность и необходимость проведения диагностических и восстановительных работ оборудования в целях повышения срока его службы, снижения затрат на эксплуатацию и сокращению общих материальных и экологических потерь. Следовательно, исследование методов и средств надежного, быстрого и дешевого восстановления оборудования является своевременным и актуальным.
Исследование ползучести припоев и их соответствующих характеристик
На основании анализа и научно-технической и патентной литературы, учитывая практический опыт эксплуатации оборудования нефтехимического производства, выявлена необходимость и возможность проведения диагностических и восстановительных работ оборудования, в частности, железнодорожных и автомобильных цистерн, емкостей и резервуаров, предпазначенных для перевозки и храпения взрывопаянпых, горючих и веществ, таких как нефть, бензин, газ, кислоты и др. При эксплуатации данного оборудования в нем появляются дефекты, способствующие вытеканию продукта, что приносит большой финансовый и экологический ущерб.
Поскольку возникновение дефекта в оборудовании происходит во времена прохождения технологического цикла его эксплуатации и частичный или полный вывод оборудования из эксплуатации нежелателен или невозможен, возникает необходимость в проведении ремонтных (восстановительных) работ в т.ч. в экстремальных (полевых) условиях. Поэтому в целях повышения срока службы оборудования, снижения затрат па его эксплуатацию и ремонт, необходимо проведение исследований методов и средств быстрого, надежного, дешевого и безопасного восстановления оборудования, что является весьма актуальной задачей, имеющей как теоретическую ценность, так и практический интерес.
Выявлены наиболее характерные дефекты оборудования, возникающие в процессе его эксплуатации (коррозионные язвины и растрескивания. расслоения металла, свищи и трещины в сварных швах и т.д.) и іре-бующие порой немедленного их устранения в целях предотвращения взры-вопожароопасной ситуации, сохранения материальных ценностей, предотвращения отрицательных экологических исследований.
Установлено, что огневой метод - сварка, применяемый для изготовления оборудования и проведения ремонтных работ имеет ряд недостатков - технологически сложен, дорогостоящ, требует полного вывода оборудования из технологического процесса эксплуатации на достаточно длительное время для освобождения его от продукта и дегазации, в связи с чем не применим в экстремальных (полевых) условиях.
Наиболее приемлемым, но ранее не применяемым, для восстановления нефтехимического оборудования метод безогиевой пайки легкоплавкими припоями, так как он достаточно надежен, безопасен, технологически прост, применим в полевых условиях, нс требует для ремонта дорогостоящего оборудования, длительною простоя цистерн, их освобождения от продукта и дегазации.
Выявлены легкоплавкие припои, флюсы, нагревательные и измерительные приборы, применяемые в настоящее время для ведения восстановительных работ и их основные недостатки. Проведен анализ прочностных характеристик припоев и установлено, что припои на основе оловянио-СВИ1ЩОВОЙ эвтектики марок НОС 40, НОС в\, ПОС 90, 11 150А и др., а также композиционные припои на той же основе наиболее удовлетворяют требованиям технологий экспресс-восстановления. Однако механические характеристики припоев и паянных соединений с их применением не всегда удовлетворяю!- требованиям (условиям) эксплуатации оборудования и они не обладают достаточной смачиваемостью, пластичностью, прочностью при высоких (+60С) и низких (-45С) температурах, имеют достаточно высокую (до 220 С) температуру плавления. Эти обстоятельства требуют поиска новых составов припоев и исследования изменения их механических характеристик в зависимости от температуры.
Также необходимы исследования по совершенствованию методов соединения паянных элементов, нагревательных приборов в направлениях увеличения прочности паянных соединений, снижения времени прогрева зоны пайки и расплавления припоя, обеспечения полной взрывопожаро-безопасности.
В связи с отсутствием при проведении в настоящее время расчетов паянного соединения на длительную (усталостную) прочность, пластичность, ползучесть, влияния динамичности приложения нагрузки необходимы соответствующие исследования и разработка новых методов расчета с учетом влияния на прочность: стесненной деформации и сложно-напряженного состояния паянною соединения при эксплуатации оборудования; фактора времени и масштабного фактора; цикличности приложения нагрузки; влияния величины зазора в соединении.
Отмеченные недостатки современною восстановления оборудования н ефтех ими ческого производства методом огневой сварки, стремление устранить их с помощью истода безогневой пайки, отсутствие теоретических и экспериментальных данных о технологии пайки применительно к рассматриваемому оборудованию и условиям его эксплуатации позволило сформулировать основные задачи данной работы;
Статическая прочность паянных соединений встык в зависимости от типа припоя и величины зазора
Нефтехимическое оборудование при работе испытывает как статические. так и динамические нагрузки. Особенно это относится к железнодорожным цистернам. Эффективность и надежность восстановления нефтехимического оборудования пайкой легкоплавкими припоями в решающей степени зависит от технологических и эксплуатационных характеристик паянных соединений.
Технологию восстановления оборудования пайкой определяют: - материал оборудования; - условия эксплуатации оборудования (нагрузки - сіаіические, ди намические; температура окружающей среды; агрессивность рабочей жид кости и т.д.); - размеры дефекта; - способ подготовки (очистки) обрабатываемых (спаеваемых) по верхностей; - применяемый флюс; - тип припоя; - способ пайки; - пайка с накладными или без накладных ; - величина зазора (толщина слоя припоя); - способ нагрева паяемых поверхностей и технические характери стики нагревателя. Материал восстанавливаемого оборудования, условия его эксплуатации, характер и размер дефекта изначально определены на основании диагностики. Выбор способа очисіки соединяемых пайкой поверхностей можно осуществлять на основании табл. 1.5, основываясь на обеспечении максимальной прочности получаемого паянного соединения. Лучших результатов можно достичь применяя первоначально зачистку поверхностей металлической щеткой или наждачным кругом, а затем травление серном кислотой. Наиболее рационально применять низкотемпературные флюсы на основе хлористых солей цинка, натрия и аммония.
Прочность соединения зависит от прочности самого припоя и степени его адгезии к соединяемым деталям, величины зазора, условий кристаллизации и роста дендритов, наличия газовых раковин, пузырьков, остатков шлаков и иепропаев. Но несмотря на ряд таких дефектов, прочность соединения обычно выше, чем прочность припоя, определенная испытаниями образцов стандартного типа в гл. 2, что является следствием специфики деформации припоя в соединении в условиях объемного напряженного состояния. Кроме того, условия кристаллизации припоя в контакте с относительно холодными массивными деталями способствуют получению более мелкозернистой структуры, также обычно ведущей к повышению прочности.
Для того, чтобы с уверенностью судить об эффективности выбранной технологии пайки при использовании конкретного типа припоя и путях рационализации технологического процесса, необходимо располагать данными о свойствах не только припоев, определенных в гл. 2, но и самого паянного соединения.
Поскольку в научно-технической литературе данные о прочностных характеристиках паяных соединений содержат много пробелов, возникла необходимость провести соответствующие исследования. Особенно недостаточны сведения о влиянии на прочность величины зазора паянного соединения.
Правильный выбор зазора, т.е. толщины слоя припоя, между соединяемыми деталями имеет большое влияние на прочность. Слишком малые зазоры (менее 0.06 мм) способствуют образованию непропаев и пор. Увеличение зазора в пределах 0,06...0,8 мм повышает прочность соединения ввиду стесненности деформации. Дальнейшее увеличение зазора, особенно больше 1 мм. способствует возникновению в шве пор, усадочных раковин. столбчатых кристаллов, появлению неметаллических включений [45,46]. Однако все эти данные неконкретны и совершенно не касаются новых композиционных припоев.
Существует ряд зависимостей между прочностью соединения и величиной зазора для различных соединений металлов и различных припоев. Однако эти зависимости не следует принимать за догму, так как большое разнообразие факторов, влияющих на прочность паянного шва, может вызвать существенное отклонение оптимальной величины зазора от полученной расчетом, что и вызывает необходимость проведения соответствующих исследований.Величина зазора зависит, в первую очередь, от условий нагружения паянного соединения.
Для оценки влияния на статическую и динамическую прочность толщины слоя припоя были проведены следующие испытания. К образцу диаметром 90 мм и толщиной 10 мм, имеющему в середине отверстие диаметром 12 мм, припаивалась шайба размерами 25x25x5 мм, моделирующая накладку, шайба с внутренним 0 23 мм в момент пайки опирается на ограничивающий упор, имеющий вид незамкнутого кольца из медной поволоки. Диаметр проволоки выбирался в пределах от 0,06 до 1,0 мм, чем и определялась толщина слоя припоя (рис.3, J). Образец подвергался испытанию на отрыв и ударную вязкость. При этом упорное кольцо не снималось. Исследования влияния толщины слоя припоя на статическую прочность сварного соединения проводилось с помощью специального приспособления (рис. 3.2).
Инженерный метод расчета паянного соединения на длительную прочность
Одна из причин недостаточной надежности стыковых лаянных соединений заключается в хрупкости даже самых пластичных припоев, находящихся в условиях объемного напряженного состояния и малой толщине слоя припоя.
Конструктивные способы повышения прочности паянных соединений давно учитывают это обстоятельство, но ошибочно связывают его не с заменой отрыва срезом, а просто с увеличением рабочей поверхности или же исключением в паянном шве дополнительных напряжений от изгиба. кручения и т.д. В частности при соединении труб иногда применяют подготовку кромок стыка в виде конуса или даже резьбы на торцевой поверхности стыка [64] опять же исключительно для увеличения площади слоя. Иногда косой стык делают в целях более равномерного прогрева при индукционном нагреве [29], а повышение прочности, возникающее при этом, относят на счет лучшего качества шва. При всех этих конструктивных решениях не принимается, обычно, во внимание важнейшая сторона дела, а именно - разрушение отрывом практически без сопровождения пластической деформации заменяется разрушением вязким срезом.
Чисто статическое нагружение в практике эксплуатации оборудования нефтехимического производства встречается очень редко. Даже при очень малых абсолютных скоростях нагружения в условиях почти статической нагрузки в тонком слое припоя стыкового соединения возникают большие относительные скорости нагружения и проявляется эффект динамического воздействия. При этом, если в стыковом соединении припой разрушается хрупко, то в нахлесточном соединении он сохраняет свою плаетичность. Поэтому на надежности паянного соединения будет сказываться потеря пластичности в условиях динамического нагружения.
Как уже было отмечено выше, сопротивление срезу у пластичных металлов значительно меньше, чем сопротивление растяжению и тв составляет 0,5 0,7 от ан. Но, поскольку припой в нахлесточном соединении сохраняет свою пластичность, то динамическая прочность нахлесточного соединения должна быть значительно большей, чем у стыкового. Из практики известно (см. гл. 1), что прочность паянного соединения зависит oi качества подготовки соединяемых поверхностей. Наряду с очисткой от загрязнений большое значение имеет и шероховатость этих поверхностей. Влияние шероховатости связывают с улучшением смачиваемости припоем [99].
По мере перехода от зачистки металлической щеткой к зачистке наждачным кругом и, наконец, к обдувке дробью прочность соединения возрастает на 22 45%. В то же время считают, что обдувка дробью и зачистка щеткой ухудшают смачивание, так как окисная пленка вминается в поверхность деталей и ухудшает смачиваемость [65]. Очевидно, что отмеченное противоречие имеет под собою какую-то иную причину. Представляется весьма вероятным, что с увеличением шероховатости поверхности не только увеличивает площадь фактического контакта основного металла с припоем, чем увеличивает и их адгезию, но и меняет характер деформации припоя под нагрузкой. При этом отрыв, сопровождающий хрупкое разрушение, заменяется сдвигом, характерным для вязкого разрушения (рис. 4.1).
Именно этим можно объяснить повышение прочности паянных поверхностей, обработанных обдувной дробью, несмотря на то, что окисная пленка вминается в паяемые поверхности, То, что упрочнение наблюдается не только при динамическом, но и также при статическом напряжении, объясняется чрезвычайно большой чувствительностью тонкого слоя припоя к скорости нагружения. По сравнению с испытаниями стандартных образцов, имеющих рабочую длину /у=100 мм, толщина растягиваемого слоя припоя в стыковом соединении, равная 0,05+1 мм. меньше 1000+2000 раз. Следовательно, «статическое» нагружение для такого тонкого слоя вызывает скорость относительной деформации на три порядка большую, чем при статических испытаниях стандартного образца и является по существу динамическим, а при таких условиях сопротивления деформации возрастает на 10+50%.
Чем больше зазор, то есть чем больше толщина слоя припоя, тем меньше скорость относительной деформации и ниже коэффициент динамичности нагружения. При этом роль шероховатости, как условия увеличения площади фактического контакта, будет все больше высгупать на первый план. Следовательно, уменьшение толщины слоя припоя увеличивает сопротивление деформированию, но резко снижает пластичность ударную и вязкость. Увеличение шероховатости одновременно увеличивает и адгезию, то есть прочность и пластичность (вязкость). Не следует считать, однако, что в таких условиях снижается собственная пластичность припоя. Снижение происходит лишь на макроуровне, тогда как в микроскопических масштабах пластичность сохраняется.
Учитывая высокую хрупкость стыкового соединения, а следовгітель-но, очень малую ударную вязкость и динамическую прочность, разработан способ повышения динамической прочности стыкового соединения созданием на поверхности вместо хаотической шероховатости, специальною рифления (рис. 4.2). В таком случае разрушение слоя припоя отрывом заменяется разрушением срезом, когда сопротивление деформированию несколько уменьшается, но зато пластичность сохраняется на уровне свободного металла в образце. Это должно позволить резко увеличить динамическую прочность соединения. Отсюда напрашивается вывод, что и в стыковом соединении было бы целесообразно создавать условия, при которых разрушение припоя отрывом заменялось бы разрушением срезом. Такие условия возникают при замене гладкого стыка зубчатым, причем зубья следует делать не прямыми, а наклонными по отношению к направлению действующей нагрузки. Эти соображения легли в основу заявки на изобретение.
