Введение к работе
Актуальность темы
В машиностроении и нефтехимическом аппаратостроении, как и в других областях машиностроения, основными проблемами являются повышение работоспособности оборудования, экономия материальных, энергетических и трудовых ресурсов.
При изготовлении сложных конструкций аппаратов для переработки углеводородного сырья применяется целый ряд повторяющихся технологических операций. Это раскройка, гибка, сборка, сварка, термическая и механическая обработка, контрольно-измерительные операции и ряд других. Из всех этих операций термообработка является одной из наиболее энергоемких и длительных. При этом она не всегда требуется для придания определенных свойств конечному изделию. При изготовлении сварных конструкций её часто применяют в связи с низкой технологической прочностью, плохой свариваемостью и другим причинам. В таких случаях она не всегда является единственным способом качественного выполнения операции.
Энергоприводы на базе газотурбинных двигателей в последнее время получают всё более широкое распространение на технологических объектах добычи и переработки углеводородного сырья ОАО ЛУКОЙЛ, ТНК-ВР и других предприятий, что обусловлено возможностью их эксплуатации на различных видах топлива, в том числе и на попутном газе, а также меньшими массой и габаритами по сравнению с поршневыми двигателями, легкостью запуска, лучшей приемистостью, менее вредными условиями эксплуатации, значительно большим ресурсом. Для изготовления корпусных деталей энергоприводов используемых для переработки углеводородного сырья применяются высоколегированные жаропрочные стали мартенситного класса. Поэтому после сварки таких деталей может появляться эффект подкалки околошовной зоны и существует высокая вероятность образования холодных трещин.
Термическая обработка является известным и наиболее используемым методом снятия остаточных напряжений и снижения вероятности образования холодных трещин. Она применяется и для сварных корпусных деталей из мартенситной стали. При этом иногда её немедленное применение оказывается невозможным в связи с незаконченностью технологической операции, например, согласно техническому регламенту при сварке корпуса энергопривода из стали 11Х11Н2В2МФтребуется проводить термообработку в течение 4-6 часов после сварки для снижения склонности к образованию холодных трещин. Это приводит к необходимости её проведения 11 раз в процессе изготовления. А в случае приварки стоек, которая длится в течение 2 смен, её применение оказывается невозможным без прерывания операции.
Существует также ряд других способов, позволяющих повысить технологическую прочность: повышение удельной погонной энергии, предварительный и сопутствующий подогревы, рациональный выбор химического состава основного металла и сварочных материалов, рациональное конструирование, рациональная технология сборки и сварки, пластическое деформирование после сварки, создание неравномерных нагревов или охлаждений и другие. Однако по ряду причин, в частности из-за невозможности изменения конструкции и появления различных дефектов, их применение для данной стали и конструкции также оказывается невозможным.
В научно-технической литературе широко известно применение вибрационной обработки для устранения причин холодных трещин: регулирования структуры металла сварных соединений, снижения концентрации диффузионного водорода в шве и уменьшения уровня сварочных напряжений, однако её применение непосредственно для снижения вероятности появления холодных трещин в сварных соединениях стали 11Х11Н2В2МФ не описано в литературных источниках. Кроме того, в существующей теории есть ряд пробелов, которые не позволяют начать её использование без проведения соответствующих исследований.
Цель работы: разработка теоретических и экспериментальных основ внедрения ресурсосберегающей технологии вибрационной обработки в процессе сварки в технологический процесс изготовления корпусных деталей энергопривода для переработки углеводородного сырья из стали 11X11Н2В2МФ вместо части операций термообработки.
Задачи исследований:
-
Разработать научные и методологические основы применения вибрационной обработки в процессе изготовления корпусных деталей, для обеспечения возможности дальнейшего её совершенствования.
-
Исследовать влияние вибрационной обработки во время сварки на технологическую прочность, механические свойства и микроструктуру сварных соединений из стали 11X11Н2В2МФ.
-
Оценить влияние направления и параметров вибрационного воздействия на свойства сварного соединения.
-
Разработать методику совершенствования технологии изготовления корпусных деталей энергопривода применением вибрационной обработки в процессе сварки вместо части операций термообработки.
Методы исследований
При теоретических исследованиях закономерностей процесса виброобработки металла при сварке использовались методы теории упругости и пластичности, а также численный метод решения задач сплошных сред -метод конечных элементов. При экспериментальных исследованиях использовали стандартные методы определения механических свойств, микроструктуры, твердости металла, технологический способ определения склонности к образованию холодных трещин. Обработку результатов и планирование экспериментов проводили с использованием методов математической статистики.
Научная новизна
1. Установлено, что вибрационная обработка с частотой 47,5 Гц корпусных деталей энергопривода из жаропрочной стали 11Х11Н2В2МФ в процессе
сварки стыковых соединений увеличивает технологическую прочность сварных соединений с возможностью последующей термической обработки вследствие снижения уровня остаточных напряжений.
-
Получена зависимость характера вибрационной обработки (направления приложения вибрации, типа вибрации) на механические свойства, в том числе непосредственно после вибрационной обработки и после дополнительной термической обработки. Выявлено, что наиболее эффективной, с точки зрения однородности механических свойств является сварка с вибрационной обработкой круговыми колебаниями с частотой 47,5 Гц с амплитудой 0.8-1мм.
-
Установлено, что после термообработки виброобработанных образцов по сравнению с образцами без виброобработки наблюдается снижение уровня твердости в околошовной зоне с одновременным ростом ударной вязкости в ней на 58% и в сварном шве на 35%.
Основные защищаемые положения
-
Совокупность установленных в результате теоретических и экспериментальных исследований закономерностей влияния вибрационных колебаний на металл сварного соединения из стали 11X11Н2В2МФ.
-
Экспериментально обоснованные решения по снижению вероятности образования холодных трещин в сварных корпусных деталях энергопривода с применением методов вибрационной обработки при сварке вместо ряда операций дорогостоящей термообработки, а также улучшению механических свойств сварных соединений.
-
Методика совершенствования технологии изготовления сварных корпусных деталей энергопривода, позволяющая повысить технологическую прочность применением вибрационной обработки при сварке взамен термообработки.
Практическая ценность
1. Разработана методика совершенствования технологического процесса изготовления, за счёт вибрационной обработки в процессе сварки корпусных
7 деталей энергопривода, позволяющей снизить склонность к образованию холодных трещин.
-
Полученные результаты применения вибрационной обработки и способы снижения склонности к образованию холодных трещин включены в учебный курс для специальностей 240801 «Машины и аппараты химических производств», 150202 «Оборудование и технология сварочного производства», направления 150400 «Технологические машины и оборудование».
-
Разработанная технология изготовления корпусных деталей энергоприводов из стали 11Х11Н2В2МФ с применением вибрационной обработки используется на ЗАО «Уфа-АвиаГаз» с целью повышения технологической прочности сварных соединений корпусных деталей и снижения трудоемкости.
Апробация результатов работы.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на V Международной учебно-научно-практической конференции (Уфа, 2009), I Всероссийской конференции молодых ученых (Уфа, 2009),Х международной молодежной научной конференции Севергеоэкотех-2009 (Ухта, 2009), XIV международном симпозиуме имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых (Томск, 2010).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, приложения, изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 16 таблиц, список использованной литературы из 108 наименований.
