Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса 5
1.1 Анализ конструктивных особенностей крупных резьбовых соединений реакторных установок БН-800, БН-1200 5
1.2 Анализ особенностей технологии изготовления деталей резьбовых соединений АЭУ 10
1.3 Особенности сборки крупных резьбовых соединений теплообменных аппаратов 15
1.4 Состояние поверхностного слоя и эксплуатационные свойства резьбовых деталей 17
1.5 Цели и задачи исследований 20
ГЛАВА 2 Методика исследований 22
2.1 Методика исследований эффективности инструментальных материалов, износостойких покрытий и СОТС 22
2.2 Методика исследований качества поверхностного слоя 23
2.3 Методика исследований эффективности смазок и покрытий при сборке и разборке резьбовых соединений 28
2.4 Выводы 38
ГЛАВА 3 Исследования качества поверхностного слоя 39
3.1 Разработка методики определения остаточных напряжений в поверхностном слое впадин резьбы 39
3.2 Результаты исследования остаточных напряжений. 57
3.3 Исследование микротвердости и шероховатости резьбовых поверхностей 64
3.4 Выводы 83
ГЛАВА 4 Исследование и выбор рациональных инструментальных материалов и смазочно охлаждающих технологических сред 85
Выводы 91
ГЛАВА 5 Исследование технологии сборки 92
5.1 Влияние величины зазора в резьбовых соединениях 92
5.2 Влияние смазок и покрытий на качество сборки-разборки резьбовых соединений 108
5.2.1 Испытания смазок при температуре 350С 109
5.2.2 Испытания смазок при температуре 450С 124
5.2.3 Испытания покрытий при температуре 350С 127
5.2.4 Испытания покрытий при температуре 450С 138
5.3 Разработка и испытания специальных средств механизации для обеспечения бездефектной сборки-разборки резьбовых соединений 143
5.4 Выводы 145
ГЛАВА 6 Рекомендации по технологии изготовления резьбовых соединений АЭУ
Основные результаты и выводы 151
Список использованных источников 153
- Особенности сборки крупных резьбовых соединений теплообменных аппаратов
- Методика исследований эффективности смазок и покрытий при сборке и разборке резьбовых соединений
- Исследование микротвердости и шероховатости резьбовых поверхностей
- Испытания смазок при температуре 350С
Особенности сборки крупных резьбовых соединений теплообменных аппаратов
Многочисленными экспериментальными исследованиями установлено, что состояние (качество) поверхностного слоя деталей существенно влияет на большинство их эксплуатационных свойств: усталостную прочность, износостойкость, коррозионную, эрозионную и кавитационную стойкость, длительную прочность и др. [45]. На деталях с резьбой, которая является концентратором напряжений, это влияние проявляется более сильно, чем на деталях, не имеющих резьбы. Показатели состояния поверхностного слоя (шероховатость, микротвердость, остаточные напряжения, фазовый и химический состав, микродефекты) в зависимости от условий эксплуатации деталей в различной степени влияют на эксплуатационные свойства. Так, триботехнические характеристики деталей в основном определяются шероховатостью поверхности, фазовым и химическим составом поверхностного слоя, его микротвердостью. Микронеровности и дефекты в поверхностном слое деталей, работающих в условиях циклических и знакопеременных нагрузок, вызывают концентрацию напряжений, играют роль очагов субмикроскопических нарушений сплошности металла поверхностного слоя, первопричиной зарождения усталостных трещин.
На эксплуатационные свойства деталей влияет не только высота микронеровностей, но также радиусы закругления выступов и впадин, углы наклона профиля, шаг неровностей и их направление [46, 47, 48, 49].
Остаточные напряжения являются одной из наиболее важных характеристик качества поверхностного слоя деталей [50, 51, 52].
В условиях симметричного циклического нагружения при невысоких температурах и неагрессивной среды влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости может быть оценено следующей зависимостью [50]: где а_1исх - предел выносливости материала без остаточных напряжений; аост - величина остаточных напряжений в тонком поверхностном слое 5-10 мкм со знаком «+» для напряжений растяжения и знаком «-» для напряжений сжатия; К - коэффициент влияния. К=0,1.0,3 (меньшее значение для пластичных материалов, а большее - для малопластичных).
Степень влияния остаточных напряжений на эксплуатационные свойства деталей определяется не только величиной остаточных напряжений в тонком поверхностном слое, но также характером распределения (эпюрой) по глубине поверхностного слоя.
Экспериментально установлено, что, при одинаковом уровне остаточных напряжений сжатия на поверхности, чем больше глубина их залегания и меньше градиент изменения напряжений по глубине, тем выше выносливость материала детали. При определенном уровне остаточных напряжений сжатия на поверхности фактор изменения глубины залегания напряжений сжатия оказывает на изменение выносливости более сильное влияние, чем увеличение напряжений на поверхности [50, 52].
Влияние деформационного упрочнения (наклепа) поверхностного слоя на выносливость и длительную прочность зависит от степени деформации и условий эксплуатации деталей: характера и величины силового нагружения, среды, температуры. Для каждого металла и сплава в конкретных условиях эксплуатации существует оптимальная степень предварительной пластической деформации, которая создает субструктуру металла с величиной скрытой энергии, обеспечивающей минимальною скорость процесса разрушения, т.е. наибольшую прочность при данных условиях эксплуатации. Так, в работе [46] установлено, что увеличение глубины наклепа с 35 мкм до 80 мкм в процессе обработки резанием стали 45 повысило предел выносливости на 8%. При точении и последующем полировании предел выносливости повышается на 20-25% за счет наклепа и на 12-15% за счет снижения высоты микронеровностей на операции полирования [53].
Однако, рассматривая влияние пластической деформации поверхностного слоя на выносливость, необходимо учитывать снижение запаса пластичности металла при наклепе. Повышается чувствительность к концентраторам напряжений и перегрузкам.
Состояние поверхностного слоя оказывает существенное влияние на коррозионную стойкость металлов. Она увеличивается с уменьшением шероховатости поверхности, с увеличением радиусов скругления впадин, с уменьшением остаточных напряжений растяжения. Остаточные напряжения сжатия замедляют коррозионные процессы [46].
В местах контакта неподвижных соединений может происходить фреттинг-коррозия. Условиями ее возникновения являются значительные контактные напряжения, малые относительные перемещения контактирующих поверхностей циклического характера (сотые доли миллиметра), отсутствие удаления продуктов износа из зоны контакта.
С увеличением шероховатости поверхности, степени и глубины наклепа с образованием остаточных напряжений растяжения в поверхностном слое снижается стойкость сталей и сплавов к коррозионному растрескиванию под напряжением (КР). Остаточные напряжения сжатия увеличивают стойкость против КР при рабочих напряжениях, не превышающих предел текучести металла [45,48,49,52].
В технической литературе имеется много публикаций, посвященных исследованиям и расчетам прочности, технологии обработки и инструментам для формирования и упрочнения наружных и внутренних резьб. Это работы И.А. Биргера, Г.Б. Иосилевича, И.В. Кудрявцева, В.М. Тимонина, Барышникова А.И., Казанцева А.Г., Ю. И. Газанчана, Кахадзе М.З., Семина В.И., Н.Д. Щербюка, В.А. Гречишникова, В.А. Косырева, М.З. Хостикоева, А.П. Черного, Э.Г. Прусенко, Ромашкиной О.В. и др.
В работах [54, 58] приведены результаты исследования влияния технологии изготовления (нарезания, накатывания и обкатывания) на остаточные напряжения и усталостную прочность (выносливость) крупных резьбовых соединений. Экспериментально установлено, что наиболее высокую усталостную прочность имели резьбовые соединения с упрочненной резьбой (рисунок 1.16) с остаточными напряжения сжатия в поверхностном слое [54].
Методика исследований эффективности смазок и покрытий при сборке и разборке резьбовых соединений
Термостойкое уплотнительное монтажное средство, сохраняющее свои характеристики при температурах до 1000С. Используется для смазывания резьбовых крепежных соединений. - Anti-Seize Paste GAL
Высокотемпературная смазка, изготовленная на основе меди, алюминия, графита и полусинтетического масла, загущенного литиевым мылом. Используется в качестве резьбовой, монтажной и разделительной пасты. Применяется в областях общего машиностроения, на сталелитейных заводах и в прокатных станах, в химической промышленности, на электростанциях, в строительстве энергетических установок, в горной промышленности и т.д. Рекомендуется также как уплотнительное и антикоррозионное средство. Диапазон температур применения: от -20 C до +1200 C. KLUBER WOLFRAKOTE TOP PASTE
Высокотемпературная паста применяется в температурном диапазоне от -25 до 1000C. Является химической композицией из углеводородного масла и неорганических твёрдых лубрикантов. Предотвращает пригорание, рекомендована для смазки винтов, которые подвержены действию высоких температур. Используется в качестве разделяющей и сборочной пасты. Marly COPPER COMPOUND
Смазочная смесь с медью применяется как сборочная паста, а также как смазка в узлах, имеющих ограниченную подвижность, работающих при температурах до +1100C, пиковых нагрузках и агрессивной среде. Смесь состоит из очень мелких частиц меди и неплавкой бентонитовой смазки. Обладает хорошими противозадирными и антикоррозийными свойствами, что обеспечивает легкую сборку и разборку механизмов при длительном воздействии высоких температур или коррозийных процессов.
Marly SP38 Graphite Compound Состоит из высококачественного литиевого загустителя, базовых масел и графита, которые улучшают работу при большой нагрузке и повышенных температурах. Смесь высокоочищенных базовых масел содержит меньше 3% полициклических соединений. Графит образует на металлической поверхности смазывающую пленку при температуре свыше 500С. При повышенных температурах масла, содержащиеся в смазке, испаряются. Графит преобразуется в смазочный материал. Paste НТ
Высокотемпературная монтажная паста медного оттенка для смазывания резьбовых и пригоночных соединений. Высокая эффективность разделения при рабочих температурах до +1100С позволяет предотвратить пригорание, приваривание или образование окалины в самих соединениях на протяжении долгого времени. Применяется в резьбовых и других соединениях при высоких рабочих температурах (до +1100 С). Благодаря герметизирующим свойствам эта монтажная паста используется для смазывания арматуры и аппаратов даже при работе под большим давлением, в неблагоприятных температурных условиях и при повышенной вероятности коррозии. OPTIMOL PASTE PL
Монтажная паста, содержащая MoS2. Подходит для смазывания поверхностей скольжения, подверженных высоким нагрузкам, а также элементов, работающих в условиях высокого давления или высоких температур. Применяется для смазывания резьбовых соединений, прессовых посадок при температурах до +600C, в подшипниках скольжения, втулках и зубчатых зацеплениях. Температурный диапазон применения: от - 30C до прибл. +450C (при ограниченном доступе воздуха до + 600C). Графит+глицерин
Паста, содержащая в своём составе по массе 40% графита ГЛ-1(ГОСТ 5279-74) и 60% глицерина(ГОСТ6259-75). Мел+глицерин Паста, содержащая в своём составе по массе 40% Мела и 60% глицерина (ГОСТ6259-75). Для определения вида покрытия, обеспечивающего наилучшие условия сборки-разборки резьбовых соединений, были проведены испытания следующих покрытий: покрытие газодинамическое медное (далее «Медь ГД»). Толщина медного покрытия, нанесенного газодинамическим способом, примерно, равна 15-18 мкм; покрытие газодинамическое медь+цинк (далее «Медь+цинк ГД»). Толщина медно-цинкового покрытия, нанесенного газодинамическим способом, примерно, равна 15-18 мкм. Покрытие наносилось в виде порошкообразной смеси, состоящей из медь-70%, цинк-30%; покрытие газодинамическое никелем (далее «Никель ГД»). Толщина никелевого покрытия, нанесённого газодинамическим способом, примерно, равна 15-18 мкм; покрытие гальваническое медью (далее «Медь Г»). Толщина гальванического покрытия медью, нанесённого газодинамическим способом, примерно, равна 15-18 мкм; покрытие гальваническое латунью (далее «Латунь Г»). Толщина латунного покрытия, нанесённого гальваническим способом, примерно равна, 10 мкм; покрытие гальваническое никелем (далее «Никель Г»). Толщина никелевого покрытия, нанесённого гальваническим способом, примерно, равна 10 мкм; покрытие гальваническое серебром (далее «Серебро Г»). Толщина гальванического покрытия серебром равна 7мкм и нанесено на подслой медного покрытия, равного 7мкм; химическое фосфатирование с пропиткой маслом; карбонитрирование.
Для комплексного экспериментального исследования технологического процесса изготовления высоконагруженных резьбовых соединений разработаны следующие методики: - методика исследования эффективности инструментальных материалов, износостойких покрытий и СОТС, которая позволяет проведить сравнительные стойкостные испытания в широком диапазоне режимов обработки различных обрабатываемых материалов; - методика исследования качества поверхностного слоя, включающая определение остаточных напряжений, микротвердости, шероховатости поверхности с использованием современной аппаратуры и приборов; - новая методика исследования эффективности смазок и покрытий при сборке и разборке резьбовых соединений с нагревом до 350С и 450С.
Значительное влияние на надежность высоконагруженных резьбовых соединений оказывает качество поверхностного слоя резьбы.
Впадины резьбы являются сильными концентраторами напряжений, по которым при переменных нагрузках в основном происходят усталостные разрушения деталей с резьбой. Технологический процесс обработки резьбы должен сформировать поверхностный слой (ПС) резьбовых поверхностей (в особенности канавок резьбы) с высокими эксплуатационными свойствами.
Для назначения рациональных методов и режимов обработки необходимо исследование влияния условий обработки на величину и эпюру остаточных напряжений в поверхностном слое, деформационное упрочнение и шероховатость поверхности.
Наиболее важным показателем качества ПС, влияющим на сопротивление усталости, являются остаточные напряжения (их знак, величина и характер распределения). Определение остаточных напряжений в ПС резьбы связано с большими трудностями и наиболее надежно может проводиться механическими разрушающими методами. Для этого из деталей с крупной резьбой методами, не влияющими на остаточные напряжения (без нагрева и вибрации), вырезались продольные и кольцевые образцы (рисунок 3.1).
Исследование микротвердости и шероховатости резьбовых поверхностей
Приведенные оценки носят статистический характер. На предельные величины осевого зазора могут влиять многочисленные факторы, обусловленные конкретной технологией изготовления деталей резьбовых соединений (например, шероховатость поверхности, наличие отдельных рисок, отклонения формы резьбовых поверхностей, приводящие к неравномерному распределению давления на контактных поверхностях резьбы и др.), наличием и эффективностью смазки, методами сборки-разборки. В целом при принятых технологиях обработки и сборки резьбовых соединений М68 - М80 следует обеспечивать наличие осевого зазора 0,15 мм.
Влияние смазок и покрытий на качество сборки-разборки резьбовых соединений Исследования влияния смазок и покрытий проводились на образцах резьбовых соединений с резьбой М30х3, которые после затяжки на определенное усилие подвергались нагреву до температур 350С и 450С.
Для проведения испытаний различных составов смазок и покрытий на резьбовых поверхностях деталей резьбовых соединений была разработана модель резьбового соединения (см. рисунки 2.7-2.10).
Исследования проводились в следующей последовательности: нанесение смазки на контактирующие поверхности резьбового соединения (тонким слоем); затяжка резьбового соединения до удлинения шпильки, достигающем предела упругих деформаций (0,45мм); через каждые 100 Нм крутящего момента проводилось измерение удлинения шпильки по четырем точкам; отвинчивание с измерением крутящего момента; затяжка до удлинения шпильки равного 0,3 мм, выдержка в печи при заданной температуре в течение 24 часов; отвинчивание остывшей модели с измерением крутящего момента. Эксперимент проводился на образцах резьбовых соединений с различными покрытиями и высокотемпературными смазками.
Для проведения экспериментов были изготовлены 2 партии резьбовых соединений из разных материалов: 1 партия: шпилька - сталь 38ХН3МФА, гайка - сталь38ХН3МФА, цилиндр - сталь 40Х; 2 партия: шпилька - сталь 20Х1М1Ф1ТР-Ш, гайка - сталь 25Х1МФ, цилиндр -сталь 25Х1МФ.
Испытания проводились в порядке, описанном в методике, с различными смазками и покрытиями и без них.
Испытания высокотемпературных смазок при температуре 350С проводились на образцах резьбовых соединений из первой партии (шпилька - сталь 38ХН3МФА, гайка -сталь38ХН3МФА) С целью выявления наиболее рациональных высокотемпературных смазок, способных обеспечить бездефектную разборку резьбового соединения, после длительного пребывания его в нагретом состоянии, были проведены испытания следующих смазок: NATOL-JP-1, ВНИИНП-225, Резол, Anti-Seize Paste GAL, KLUBER WOLFRAKOTE TOP PASTE, Marly COPPER COMPOUND, Marly SP38 Graphite Compound, Paste HT, OPTIMOL PASTE PL, Мел+Глицерин, Графит+Глицерин. Первая серия испытаний высокотемпературных смазок проводилась при t = 350С в последовательности, описанной в методике. Результаты испытаний представлены в таблицах 5.13 - 5.23, в которых приведены моменты при затяжке резьбового соединения до удлинения шпильки, достигающем предела упругих деформаций (примерно 0,45 мм); момент необходимый для разборки резьбового соединения со шпилькой, затянутой до удлинения 0,45мм; момент, необходимый для затяжки резьбового соединения до удлинения шпильки на 0,3 мм; момент, необходимый для разборки резьбового соединения после пребывания его в печи при заданной температуре. На рисунке 5.4 показаны результаты сравнительных испытаний смазок (и вариант без смазки) при сборке и разборке резьбовых соединений при комнатной температуре (20С) и при нагреве и выдержке 24 часа при температуре 350С. На рисунке 5.5 для удобства сравнения показаны результаты испытаний тех же смазок на каждой из операций: - затяжка резьбового соединения до удлинения шпильки 0,45 мм; - отвинчивание резьбового соединения, затянутого до удлинения шпильки 0,45 мм; - затяжка резьбового соединения до удлинения шпильки 0,3 мм; - отвинчивание резьбового соединения после нагрева до 350С. Анализ результатов испытаний высокотемпературных смазок при температуре 350С (температура испытаний теплообменных аппаратов) показал, что эффективными являются составы с дисульфидом молибдена, медью.
Испытания смазок при температуре 350С
Проведенный комплекс исследований позволил разработать рациональную технологию изготовления крупных высоконагруженных резьбовых соединений БН-600, БН-800, БН-1200, обеспечивающую высокую производительность и качество обработки.
Для изготовления шпилек и гаек модулей испарителя и пароперегревателя реакторной установки БН-800 в ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск» были созданы производственные участки для выпуска 5-ти комплектов в месяц.
В качестве примера на рисунке 6.1 приведена маршрутная технология изготовления резьбовых шпилек, а на рисунке 6.2 - производственный участок, который был разработан с учетом принципов производственной системы «РОСАТОМ» (ПСР).
В состав участка вошло следующее оборудование: токарно-винторезный станок 1М63 для черновой токарной обработки заготовок шпильки под ультразвуковой контроль (УЗК); станок для глубокого сверления отверстий под стержень мод. 2810П; токарный обрабатывающий центр с ЧПУ мод. САК 63135ci; вертикально-фрезерный станок мод. ГФ 2687; сварочный пост для аргонно-дуговой сварки; стол для слесарной обработки; стеллажи (тара) для хранения шпилек, гаек; инструментальные тумбочки для хранения инструмента и оснастки. Технологическое оборудование расставлено по ходу технологического процесса обработки с учетом минимально возможных расстояний для перемещения заготовок. Это обеспечило выпуск шпилек со временем такта 22 минуты.
Внедрение новой технологии и организация участка для изготовления шпилек позволила получить следующие результаты: повысить точность и качество изготовления шпилек и гаек; сократить время цикла обработки изделия с 50 дней до 7 дней при двухсменном графике работы и такте выпуска 22 минуты; сократить количество рабочих, занятых изготовлением шпилек, с 23 до 13 человек; сократить межоперационные запасы с 300-350 до 2-х заготовок на пилотном участке, а размер партии с 64 до 16 заготовок; сократить протяженность маршрутов транспортировки на всех стадиях изготовления от отрезки заготовки до передачи в сборочный цех с 3620 метров до 426 метров за счет установки в поточную линию оборудования для проведения УЗК контроля, сварки стрежня со шпилькой и концентрации токарных операций на токарном обрабатывающем центре, ранее выполнявшихся на универсальных токарно-винторезных станках в разных цехах завода; значительно сократить образование на шпильках забоин, царапин за счет применения специальной тары и сокращения количества перекладываний деталей при транспортировке. Применение современного токарного обрабатывающего центра с ЧПУ токарной компоновки с противошпинделем модели MULTUS B300W фирмы “OKUMA” (Япония) позволило использовать прогрессивный инструмент с неперетачиваемыми твердосплавными пластинами с многослойными износостойкими покрытиями, что позволило не только сократить время на обработку до 4-х раз за счет интенсификации режимов резания, но и повысить качество изготовления резьбы.
Разработка прогрессивной технологии изготовления шлицевых гаек за одну установку, предусматривавшей применение обрабатывающего центра с ЧПУ фирмы «ОКУМА», позволило высвободить два универсальных токарно-винторезных станка типа 16К20, один вертикально-фрезерный станок с ЧПУ типа
ГФ2171 и четырех высококвалифицированных рабочих при двухсменном режиме работы. Обработка резьб в корпусных деталях проводилась на расточных станках с ЧПУ Ивановского станкозавода модели ИР-1600Ф4 методом резьбофрезерования. В качестве режущего инструмента использовалась резьбовая фреза со сменными твердосплавными неперетачиваемыми пластинами с многослойными износостойкими покрытиями отечественного производства и сменные режущие элементы (гребенки) фирмы “ISKAR” (Израиль).
При этом обеспечивался плавный выход режущих элементов из обрабатываемого материала.
В технологических процессах сборки теплообменных аппаратов предусмотрено применение специального спроектированного гайковерта ГС-100, обеспечивающего предварительную вытяжку шпильки на заданное удлинение, завинчивание гайки с минимальным усилием (крутящим моментом).
Для предотвращения интенсивного адгезионного взаимодействия, «схватывания», образования задиров в резьбовом соединении при сборке-разборке, в испытаниях на герметичность и «горячих» испытаниях при температурах 350-450С предусмотрено применение высокотемпературных смазок ВНИИНП - 225, OPTIMOL PASTE, графит + глицерин и покрытий на основе меди, латуни, а также карбонитрирование и химическое фосфатирование.
На основе выполненных исследований созданы прогрессивные технологические процессы изготовления специальных шпилек и шлицевых гаек для фланцевых разъемов модулей испарителя и пароперегревателя реакторной установки БН-800 для Белоярской АЭС.
Разработан способ изготовления высоконагруженных крупных резьбовых соединений, работающих при температуре выше 400С(заявка № 2014110062 от 17.03.2014г.). Разработаны технические условия и технические задания на высокопроизводительное технологическое оборудование: - специальный двухшпиндельный станок для сверления глубоких отверстий в шпильках; - специальный обрабатывающий центр с ЧПУ и противошпинделем для изготовления шлицевых гаек за одну установку; - специальное устройство (гайковерт) для затяжки гаек фланцевых соединений с контролем величины вытяжки шпильки.
Результаты исследований получили практическое подтверждение и реализованы при изготовлении модулей испарителя и пароперегревателя реакторной установки БН-800 для 4-го блока Белоярской АЭС.
