Введение к работе
Актуальность темы
Важнейшим направлением экономического развития страны является экономия материальных, энергетических и трудовых ресурсов. Одним из перспективных направлений в экономии материальных и энергетических ресурсов является повышение эффективности сборки заготовок и деталей машин и агрегатов в процессе их изготовления, создание менее энергоемких технологических процессов за счет широкого применения различных методов обработки материалов.
Анализ природы и механизма возникновения остаточных напряжений в сварных соединениях оборудования нефтепереработки и методов снятия этих напряжений говорит о том, что остаточные напряжения могут достигать значительных величин и оказывать существенное влияние на технологическую прочность в процессе изготовления и на работоспособность конструкций.
Среди всех имеющихся вариантов изготовления сварного узла «труба -трубная решетка» трубного пучка кожухотрубчатых теплообменных аппаратов наибольшее распространение получил способ присоединения труб к трубной решетке с применением дуговой сварки.
Сварка распространенных конструкционных сталей (09Г2С, 10Г2С1, 14Г2 и др.), имеющих предел текучести не более 390 МПа, не представляет затруднений с точки зрения выполнения процесса, однако возникающий в процессе изготовления прогиб трубной решетки затрудняет сборку теплообменных аппаратов. Прогиб происходит из-за сварочных напряжений, возникающих при приварке труб к трубным решеткам, а также из-за остаточных напряжений, возникающих при развальцовке трубок. Также на жесткость трубной решетки могут повлиять сварочные напряжения, возникающие при приварке трубной решетки к корпусу.
Значительно повышается трудоемкость изготовления сварных трубных пучков из теплоустойчивых и жаропрочных хромомолибденовых сталей (12МХ, 15Х5М). Для исключения образования холодных трещин процесс сварки проводится с предварительным и сопутствующим подогревом свариваемых поверхностей (для стали 12МХ температура подогрева составляет
от 200С до 250С, для стали 15Х5М - от 300 до 350С) и последующей высокотемпературной термообработкой (для стали 12МХ при температуре от 670С до 710С, для стали 15Х5М - от 740 до 760С), что естественно повышает трудоемкость процесса сварки и увеличивает время, затрачиваемое на изготовление оборудования.
Большое количество конструктивно-технологических решений по сварке труб с трубными решетками в теплообменных аппаратах поставило эту проблему в число дискуссионных. Появившиеся, особенно в последние годы, многочисленные работы дают в основном частные решения, которые не всегда могут быть успешно применимы.
Цель работы
Снижение трудоемкости и повышение точности изготовления трубного пучка кожухотрубчатого теплообменного аппарата из стали 15Х5М.
Задачи исследований:
-
установить характер распределения остаточных напряжений и деформаций, возникающих в процессе сварки соединения «труба - трубная решетка», с целью оценки их влияния на технологичность получаемого сварного соединения в зависимости от вида электрической сварки (дуговой, контактной);
-
исследовать влияние различных технологических решений сварки на величину остаточных напряжений в сварных швах, а также на изменение механических свойств и структуры в зонах сварных соединений;
-
разработать практические рекомендации для совершенствования технологии изготовления сварного соединения «труба - трубная решетка» из жаропрочной стали 15Х5М.
Объекты и методы исследований
При теоретических исследованиях закономерностей формирования остаточных сварочных деформаций и напряжений в сварных соединениях использовались методы теории упругости и пластичности, а также численный метод решения задач сплошных сред методом конечных элементов.
При экспериментальных исследованиях использовали стандартные методы определения механических свойств, исследования микроструктуры и измерения микротвердости металла. Обработку результатов экспериментов проводили с использованием методов математической статистики.
Научная новизна
-
Моделирование сварного соединения с применением метода конечных элементов показало, что использование контактной сварки при изготовлении узла «труба - трубная решетка» позволяет снизить остаточные сварочные напряжения в зоне термического влияния, а также деформационные перемещения в виде прогиба трубной решетки на 20...25% по сравнению с дуговой сваркой. Экспериментально установлено, что контактная сварка позволяет снизить уровень остаточных сварочных напряжений в металле сварного шва в среднем на 10...25% по сравнению с ручной дуговой сваркой.
-
За счет снижения тепловложения при изготовлении узла «труба -трубная решетка» из стали 15Х5М с применением контактной сварки происходит уменьшение ширины закаленного участка на 25%, снижение средней площади зерна микроструктуры в сварном шве на 34%, в зоне термического влияния на 19% по сравнению с дуговой сваркой. Экспериментально установлено, что твердость металла в сварном шве и зоне термического влияния узла «труба - трубная решетка» при контактной сварке ниже, чем при дуговой на 14%.
-
Определено влияние места расположения сварного шва в соединении «труба - трубная решетка» на уровень остаточных напряжений в трубной решетке. Выполнение сварного шва с применением контактной сварки в средней плоскости трубной решетки позволяет снизить максимальные остаточные напряжения в трубной решетке на 30% по сравнению со швом, расположенным на поверхности трубной решетки.
Основные защищаемые положения
1 Совокупность установленных в результате теоретических и экспериментальных исследований закономерностей влияния контактной сварки и ультразвуковой обработки на величину остаточных напряжений и
деформаций, механические свойства, микроструктуру металла сварного соединения «труба - трубная решетка».
-
Экспериментально обоснованные решения по повышению точности изготовления сварного теплообменного оборудования из стали 15Х5М с использованием контактной сварки давлением в сочетании с сопутствующей ультразвуковой обработкой.
-
Усовершенствованная технология изготовления сварного узла «труба - трубная решетка» трубного пучка кожухотрубчатого теплообменного аппарата.
Практическая ценность
-
Разработанная энергосберегающая технология изготовления узла «труба - трубная решетка» с применением контактной сварки внедрена на Бугульминском механическом заводе ОАО «Татнефть».
-
Разработана конструкция приспособления для выполнения контактной сварки узла «труба - трубная решетка» с сопутствующей ультразвуковой обработкой.
Апробация результатов работы
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на XVII международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2006» (Уфа, 2006); XTV международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (Севастополь, 2007); научно-технической конференции «Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении» (Одесса, 2007) «Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (Уфа, 2008); студенческой научной конференции «Нефть и газ - 2009» (Москва, РГУ нефти и газа им. Губкина, 2009); международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2010» (Ухта, 2010); международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (Севастополь, 2010); Всероссийской научной конференции «Экологические проблемы нефтедобычи» (Уфа-2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов; изложена на 105 страницах машинописного текста; содержит 29 рисунков, 12 таблиц, список использованной литературы из 129 наименований.
