Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Соединение труб с трубными решетками теплообменных аппаратов - состояние вопроса 12
1.1. Краткий обзор кожухотрубных теплообменных аппаратов 12
1.2. Описание соединения «труба - трубная решетка» 15
1.2.1. Трубная решетка 15
1.2.2. Трубы 16
1.2.3. Теплоносители 17
1.3. Обзор способов закрепления труб в трубных решетках 19
1.3.1. Вальцовка и сварка взрывом 19
1.3.2. Высокотемпературная пайка 22
1.3.3. Электроконтактная сварка сопротивлением 23
1.3.4. Термодиффузионная сварка 25
1.3.5. Электроннолучевая сварка 27
1.3.6. Автоматическая сварка неплавящимся электродом в
среде защитных газов 29
1.4. Напряженное состояние соединений «труба — трубная
решетка» теплообменных аппаратов 37
1.5. Требования, предъявляемые к качеству, и методы контроля
соединений труб с трубными решетками, выполненных сваркой
плавлением 40
1.6. Выводы по главе 42
Глава 2. Моделирование теплопереноса и свободной поверхности сварочной ванны при сварке труб с трубными решетками 44
2.1. Состояние вопроса 44
2.2. Конечно-разностная модель соединения 49
2.3. Интегроинтерполяционная реализация теплопереноса в конечно-разностной модели соединения 51
2.3.1. Реализация теплопереноса во внутренних элементах сетки 52
2.3.2. Реализация теплопереноса во внешних элементах сетки. Граничные условия 57
2.4. Реализация теплопереноса от источника энергии. Сварочная дуга 60
2.5. Аппроксимация теплофизических свойств материала 65
2.6. Моделирование теплопереноса в сварочной ванне 69
2.7. Моделирование фазовых превращений 71
2.8. Аналитическая модель формирования свободной поверхности сварочной ванны 72
2.9. Компьютерная реализация моделей теплопереноса и формирования свободной поверхности сварочной ванны 75
2.10. Выводы по главе 79
Глава 3. Калибровка и верификация математических моделей 81
3.1. Состояние вопроса 81
3.2. Калибровка точности численного решения 82
3.3. Верификация моделей теплопереноса и формирования наплыва 85
3.3.1. Описание аппаратного комплекса измерения медленно меняющихся сигналов 85
3.3.3. Верификация моделей теплопереноса и формирования наплыва 92
3.4. Выводы по главе 102
Глава 4. Практическое применение разработанных математических моделей при компьютерной оптимизации параметров режима сварки 103
4.1. Состояние вопроса 103
4.2. Формирование шва и свойства сварных соединений, выполненных импульсной дуговой сваркой 103
4.3. Определение геометрии образца (расчетной области) для проведения численного эксперимента 109
4.4. Постановка задачи оптимизации режима импульсной дуговой сварки неплавящимся электродом в среде аргона 114
4.4.1. Приведение задачи многокритериальной оптимизации к однокритериальной. Обобщенный критерий оптимизации 116
4.4.2. Нормирование частных критериев оптимизации. Безразмерные оценки качества частных критериев оптимизации 122
4.5. Реализация численного эксперимента крутого восхождения 126
4.6. Модифицированный метод сеточного поиска 132
4.7. Построение профилей желательности 133
4.8. Результаты внедрения 135
4.9. Выводы по главе 136
Общие выводы и результаты работы 138
Список литературы 141
Введение к работе
Современные мощные паротурбинные установки (ПТУ) представляют собой сложнейшие системы, состоящие из большого количества элементов. Существенное место в составе таких систем занимают теплообменные аппараты (ТА) - дорогостоящее, крупногабаритное и металлоемкое оборудование, улучшение характеристик которого способно, по данным ВТИ и МЭИ, обеспечить до 30% в повышении КПД ПТУ, достигнутом за счет усовершенствования всех элементов турбоустановки. ТА находят применение в технологических процессах пищевой, металлургической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, нефтяной, газовой промышленности, в атомной энергетике, являются частью продукции ВПК.
Кожухотрубные теплообменные аппараты паротурбинных установок принадлежат к числу наиболее ответственных и крупных аппаратов, влияющих на эффективность и надежность работы ПТУ, а в отдельных случаях и определяющим эти показатели. Поддержание эффективной работы 1теплооб-менных аппаратов паротурбинных установок окупается в минимальные сроки и дает существенный экономический эффект.
Обобщение опыта эксплуатации, а также анализ показателей работы ПТУ подтверждают большую значимость эффективности и надежности теп-лообменных аппаратов в схемах ТЭС и АЭС, в частности с точки зрения экономии топлива и (или) теплоты. Наиболее распространенными последствиями отказов теплообменных аппаратов ПТУ являются отключение турбины, ограничение отпуска тепловой и электрической энергии потребителям, снижение коэффициента готовности оборудования и т.п., что, естественно, приводит к увеличению удельных расходов топлива (теплоты). Повреждаемость теплообменных аппаратов достигает 26 % от повреждаемости всего оборудования ПТУ, при этом опыт пользователей ТА позволяет утверждать, что надежность аппаратов в существенной степени определяется качеством соединений труб с трубными решетками [1, 2, 3]; часто причиной отказов (от 14% до 25%) становится потеря герметичности этими соединениями. В этих слу-
чаях возникает необходимость отключения аппаратов, поиска мест протечек и глушения труб, соединения которых с трубными решетками не обеспечивают необходимой плотности. Операции эти весьма трудоемки, сложны и связаны с тяжелыми условиями труда.
В реальных условиях эксплуатации при ремонте для восстановления поверхности теплообмена, как правило, заменяется весь трубный пучок. В этом случае стоимость восстановления не зависит от количества дефектных трубок. Сопоставление затрат, необходимых для восстановления поверхности теплообмена подогревателей, и потерь экономичности турбоустановки при работе с теплообменными аппаратами, имеющими неполную поверхность теплообмена, позволяет определить максимальное количество дефектных трубок, при котором экономически обоснована замена трубного пучка. При проведении экономических расчетов, определяются оптимальные сроки замены трубных систем аппаратов, которые позволяют окупить затраты связанные с заменой трубок, за счет выигрыша'от работы аппарата с восстановленной поверхностью теплообмена.
Исходя из вышесказанного, ремонт теплообменных аппаратов сводится либо к отглушению дефектных трубок без замены трубного пучка, либо к замене всего трубного пучка. В первом случае, следствием ремонта является уменьшение поверхности теплообмена, что приводит к ухудшению тепловых и гидродинамических характеристик аппарата и может отрицательно сказаться на экономичности работы турбоустановки в целом: Во втором случае, ремонт теплообменных аппаратов включает разборку (в том числе и сварных/паяных соединений), тщательную механическую очистку и замену дефектных трубок, сборку с восстановлением плотностей соединений между трубкой и трубной решеткой. Стоимость проведения комплексного ремонта составляет от 40% до 70% (до 800 тыс. руб.) от стоимости нового ТА в зависимости от его состояния до ремонта.
Таким образом, не только, при изготовлении, но и при ремонте тепло-обменных аппаратов встает вопрос о получении качественного закрепления
7 труб в трубных решетках. Об эффективности видов закрепления труб существуют различные мнения. Отдавая должное наиболее распространенному способу - вальцовке, — применение которой в ряде случаев является оптимальным способом по простоте выполнения и низкой себестоимости, следует отметить, что при определенных условиях применение сварки является обязательным.
В одних конструкциях теплообменных аппаратов сварка производится как самостоятельная технологическая операция без специальной подготовки, в других - с подготовкой трубной системы перед сборкой или в процессе' сборки. К такой подготовке в первую очередь относится селекция труб или их подвальцовка в трубных решетках для ликвидации или уменьшения зазора между трубами и трубными решетками. В этом случае подвальцовка рассматривается не как операция по закреплению труб, а как технологическая операция подготовки под сварку для-облегчения,ее выполнения.
Основной задачей, решаемой при разработке технологии сборки и, сварки ТА, является обеспечение качества выпускаемых изделий, а одним из главных этапов разработки техпроцесса - проектирование оптимальных параметров режима сварки. Найденные либо из справочной литературы, либо определенные по эмпирическим зависимостям, они требуют экспериментального уточнения. Методики обеспечения качества, основанные на эмпирических знаниях, особенно неэффективны в условиях мелкосерийного и единичного производства, в которых изготавливаются трубные решетки ТА.
В настоящее время на отечественных предприятиях при производстве ТА внедряются сложные наукоемкие технологии сварки, например, высокоавтоматизированная импульсно-дуговая4 сварка на основе инверторных источников питания с процессорным управлением. Чаще всего используется оборудование зарубежных фирм-производителей (ESAB, Fronius, Kemppi, Polisoude и др.), которые при освоении и отработке технологии могут потребовать значительных материальных затрат: вместе со сварочным оборудованием поставляются отработанные технологии сварки, однако в ряде случаев
8 они неприменимы в поле действия нормативных актов РФ, регламентирующих требования к качеству трубных соединений ТА.
Таким образом, возникает ситуация, когда необходимо применение существующих достижений в области математического моделирования сварочных процессов в инженерной практике для проектирования технологии сварки трубных решеток теплообменных аппаратов. В настоящий момент достаточно проработаны основные положения распространения тепла при сварке, механизм формирования сварочной ванны и шва, существуют подходы к математическому описанию импульсно-дугового процесса сварки. Однако моделей и программного обеспечения для моделирования дуговой сварки трубных решеток теплообменных аппаратов не существует.
Поэтому целью настоящей работы является обеспечение качества соединений труб с трубными решетками за счет оптимизации параметров режима импульсно-дугового процесса сварки методом компьютерного моделирования.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
Проведен анализ существующих экспериментальных и расчетных методов оценки качества сварного соединения «труба - трубная решетка».
Обоснованы физические модели теплопереноса и формирования сварного шва труб с трубными решетками и на их основе разработаны математические модели.
Разработаны компьютерные алгоритмы и программное обеспечение для реализации предложенных математических моделей.
Проведена верификация моделей и проверка разработанного программного обеспечения.
С помощью разработанного программного обеспечения методами планирования эксперимента подобраны оптимальные технологические параметры.
Поставленные задачи решены и цель работы достигнута сочетанием экспериментальных и теоретических методов исследования.
В работе натурные экспериментальные исследования проведены с применением сварочного оборудования компании «Astro Arc Polysoude» (Франция) в совокупности со специально разработанным аппаратным комплексом измерения температурных полей и термических циклов. При получении цифровых изображений шлифов зон термического влияния используется
t точное оптическое оборудование (сканер) фирмы «Mentor Graphics Corp.»
(США). Для снятия термических циклов применяется специально разрабо-тайный аппаратно-программный комплекс регистрации медленно меняющихся сигналов.
Численные эксперименты поставлены с применением разработанного программного комплекса (алгоритмическая среда - Fortran), моделирующего импульсно-дуговой процесс сварки неплавящимся электродом в среде аргона трубных решеток теплообменных аппаратов. Компьютерное моделирование
/ проводится на ПЭВМ с центральным процессором AMD Athlon64bit
, 5000+Х2 MHz, оперативной памятью объемом 1 gB
Теоретическая часть основана на математическом аппарате теории теп-
' лопроводности и теплообмена.
Научная новизна работы связана с совершенствованием расчетных
методов и подхода к оценке качества и выбору режимов автоматической им
пульсной дуговой сварки неплавящимся электродом в среде аргона соедине-
\ ний труб с трубными решетками:
1. На базе физико-математических моделей теплопереноса и формирования* свободной поверхности сварочной ванны разработана нелинейная много-
параметрическая модель формирования сварного соединения при сварке
и
1 труб с трубными решетками импульсной'дуговой сваркой неплавящимся
электродом в среде аргона, учитывающая теплоту фазовых превращений
и конвективный теплоперенос в сварочной ванне.
і 2. Усовершенствована статистическая модель теплопереноса в сварочной
і ванне, позволяющая точно воспроизвести контур реальной сварочной ван-
I ны и правильно описать тепловые процессы, происходящие в околошов-
10 ной зоне. Путем прямого имитационного моделирования процесса аргон-но-дуговой импульсной сварки установлено, что неучет конвективной составляющей теплопроводности жидкого металла сварочной ванны приводит к значительным (от 20 до 40 %) погрешностям расчета размеров зоны расплавления. Значение погрешности увеличивается с ростом погонной энергии сварки и скважности тока.
Теоретически обоснована и экспериментально доказана целесообразность сочетания численной модели теплопереноса и аналитической модели образования наплыва, что позволяет с точностью до 12 % прогнозировать показатели качества сварного соединения труб из стали 12Х18Н10Т с трубными досками при дуговой сварке неплавящимся электродом в среде аргона в диапазоне сварочного тока до 220 А.
Показано, что задача оптимизации тепловых режимов сварки труб с трубными решетками может быть эффективно решена с использованием комплексного критерия оптимизации, представляющего собой? гладкую среднеквадратичную свертку нормированных частных функций откликов. При. этом откликами являются основные показатели качества сварного соединения - глубина проплавлення, величина наплыва на внутреннюю поверхность теплообменной трубы и степень перекрытия сварных точек при импульсном процессе сварки, а параметрами оптимизации — сила тока импульса, скорость сварки, длительность импульса и длительность паузы.
На защиту выносятся;
Модели теплопереноса и формирования свободной поверхности сварочной- ванны при' импульсной аргонодуговой сварке неплавящимся электродом в среде аргона теплообменных труб с трубными решетками теплооб-менных аппаратов.
Методика определения эффективного коэффициента теплопроводности и основанная на данной методике математическая модель теплопереноса в сварочной ванне. Разработанный аппаратный комплекс измерения медленно меняющихся
сигналов (температуры). 4. Набор критериев оптимизации и их обобщенный параметр, определяющий качество соединения теплообменных труб с трубными решетками теплообменных аппаратов; результаты численного эксперимента по определению оптимального режима сварки теплообменных труб типоразмера 12x1 мм из стали 12Х18Н10Т с трубными решетками из стали 12Х18Н10Т.
Практическая ценность работы заключается в разработке программного комплекса для ЭВМ, позволяющего моделировать распределение температурных полей и формирование свободной поверхности сварочной ванны (наплыва) при импульсной аргонодуговой сварке неплавящимся электродом в среде аргона теплообменных труб с трубными решетками теплообменных аппаратов; в разработке аппаратного комплекса измерения температурных полей и термических циклов, позволяющего регистрировать температуру тела в восьми точках.
Работа выполнена на кафедре «Технологии сварки» Калужского филиала Московского Государственного Технического Университета им. Н.Э. Баумана.
Краткий обзор кожухотрубных теплообменных аппаратов
В теплообменных аппаратах один теплоноситель (теплоотдающий) передает теплоту другому теплоносителю (тепловоспринимающему). Теплообменные аппараты применяются как отдельные агрегаты и как элементы, оборудования, станков, технологических или энергетических установок в различных отраслях промышленности и хозяйства: горячее водоснабжение, отопление и кондиционирование (нагрев и охлаждение, разделение контуров по давлению, нагрев воды для аккумуляторных баков); энергетика (сетевые подогреватели, теплообменные аппараты в составе химической водоподготовки приточной воды, маслоохладители турбин и трансформаторов); чёрная и цветная металлургия (охлаждение печей, эмульсий и масла, утилизация промышленного тепла); химическая промышленность (охлаждение различных растворов, циркуляционной воды, гальванических ванн, нагрев среды паром, утилизация тепла); машиностроение (охлаждение эмульсий, масел, воды в технологическом процессе).
Кожухотрубные теплообменные аппараты относятся к поверхностным рекуперативным ТА; таким образом, обменивающиеся теплотой среды протекают одновременно, и передача теплоты происходит через разделяющую их поверхность. В этих теплообменных аппаратах возможно изменение агрегатного состояния как одного, так и нескольких теплоносителей при различных процессах теплообмена: нагреве, охлаждении, конденсации, кипении или вымораживании. В зависимости от этих процессов кожухотрубные ТА делят по назначению на теплообменники (Т), охладители (X), конденсаторы (К) и испарители (И).
Кожухотрубные рекуперативные теплообменные аппараты состоят из пучка труб 1 (рис. 1.1), жестко закрепленных в трубных решетках 2, цилиндрического или коробчатого кожуха 3, крышек 4 с фланцами, образующими распределительные камеры, опор 5 и перегородок 6, расположенных в межтрубном пространстве. На кожухе и крышках установлены технологические патрубки и штуцеры.
Кожухотрубные рекуперативные ТА изготавливают жесткой, полужесткой и нежесткой конструкции (с U-образными трубами). В теплообменных аппаратах жесткой конструкции теплообменные трубы и кожух соединены жестко (неподвижно) с трубными решетками (Н). Для полужесткой конструкции на кожухе предусмотрены специальные компенсаторы температурных деформаций (К), выполненные в виде гофр. В ТА нежесткой конструкции трубы и кожух могут свободно перемещаться друг относительно друга благодаря применению пучков U-образных труб (У) или подвижной трубной решетки (П).
В трубных решетках теплообменных аппаратов с кожухом цилиндрического типа трубы могут быть расположены по сторонам шестиугольников (рис. 1.2, а) или по концентрическим окружностям (рис. 1.2, б); в ТА с кожухом коробчатого типа компоновка труб может быть коридорной (рис. 1.2, в), шахматной (рис. 1.2, г), с неравномерным шагом (рис. 1.2, д).
Состояние вопроса
Режим сварки труб с трубными решетками рекомендуется подбирать либо на основании эксперимента, либо определять расчетным путем. В настоящее время предпочтение отдается натурному эксперименту, при этом к недостаткам этого метода, учитывая изготовление образцов-свидетелей, следует отнести длительность и трудоемкость.
Расчетный путь основывается на применении формулы (2.1), выведенной на основании теории распространения тепла при сварке Леваковым B.C.: где: Vce — скорость сварки, м/с; Ud — напряжение на дуге, В; 1С(1 — сила сварочного тока, А; Н- глубина проплавлення, м; В- ширина шва, м; и,— коэф-фициент полноты сечения сварного шва; у— удельный вес, Н/м ; S — теплосодержание при температуре плавления, Дж/кг; г\пр— коэффициент проплавлення.
Преимуществом подобной формулы является ее простота, однако существенные погрешности в расчет вносит отсутствие учета распространения тепла в условиях ограниченного теплоотвода и данных по определению коэффициента проплавлення х\пр, значение которого принимается равным 0,1...0,25.
Демянцевич В.П., Зеленин В.А. [27, 28]-предложили методику, в основу которой положено равенство объема в металле шва, выраженного через его геометрические параметры (высоту и ширину шва, диаметр осевой линии шва), с одной стороны, и через теплофизические характеристики свариваемого металла и тепловую энергию дуги, с другой. Авторы указывают, что методика свободна от проблем расчетного пути, предложенного Леваковым B.C. где: Vnp - объем расплавленного металла, м ; gn — погонная энергия сварочной дуги, Дж/с; tce — время сварки, с; т\( термический кпд; у - удельный вес, Н/м ; SM — теплосодержание при температуре плавления, Дж/кг; Н - глубина проплавлення, м; В — ширина шва, м; dH — диаметр осевой, линии шва, м.
Тем не менее, эта методика обладает рядом недостатков. Например, поперечное сечение шва авторы описывают эмпирически в виде эллиптических кривых, что отрицательно сказывается на точности полученных результатов.
Итак, во всех этих работах используются аналитические методы расчета температурного поля, базирующиеся на идеализированном представлении источников теплоты и формы тела и не учитывающие зависимости теплофи-зических свойств материала, теплоты агрегатных переходов и нелинейности граничных условий. Известно, что эти методы позволяют производить расче-ты температурных полей с достаточной точностью [29, 30], но только в» области низких температур, (примерно ниже 0,7 температуры солидуса материала). Учитывая, что для правильного определения величины наплыва металла шва на внутреннюю поверхность теплообменной трубы потребуется с инженерной точностью знать контур сварочной ванны (положение и форму изотермы плавления), применение вышеуказанных зависимостей ставится под сомнение.
Таким образом, для определения распределения температурного поля при сварке труб с трубными решетками необходимо перейти от аналитических зависимостей к численному решению уравнения теплопроводности.
Наиболее ранние публикации на тему решения задачи теплопроводности численными методами относятся к 1960-м г.г.. В работах [31-33] авторы использовали экспериментально-численный подход к решению задачи расчета температурного поля вблизи сварочной ванны: на основе уравнения теплопроводности и граничного, условия: Т=Тщ по контуру сварочной ванны, контур которой был получен из эксперимента, численным путем рассчитано распределение температурных полей и проанализировано влияние конвекции [33].
Состояние вопроса
Для дальнейшего использования разработанных математических моделей необходимо убедиться в адекватности последних. Обычно верификацию моделей, описывающих процессы сварки, производят либо сравнением термических циклов, полученных экспериментально и теоретически [89-91], либо сопоставляют изотермы поперечных сечений шва, полученных экспериментально на микрошлифах и полученных в ходе численного моделирования [89, 92-94].
Считается, что второй путь представляется более надежным, т.к. в этом случае идет сопоставление в какой-то степени интегральных характеристик (площадей зон термического влияния), измерить которые в ходе эксперимента можно достаточно точно;"в первом же случае на вид кривой термического цикла решающее значение оказывает расстояние термопары от оси- траектории движения сварочной дуги, точность определения которой весьма невысока [46].
Однако, следует учитывать, что ошибку, вносимую исключением из математических моделей некоторых физических эффектов, легко оценить лишь в том случае, если имеются для сравнения полные математические модели объекта. При отсутствии таких моделей ориентировочную оценку ошибки можної получить на основе феноменологического анализа процесса. Поэтому, когда математические модели объекта создаются впервые, а, не упрощаются, необходима полная экспериментальная проверка ее адекватности. Исходя-из вышесказанного, верификацию модели проводили как сопоставлением изотерм поперечных сечений шва, так и термических циклов.
Исследовательские задачи требуют предельно точного описания всех явлений и эффектов, имеющих место в данном объекте, без ограничений на объем памяти и затрат времени ЭВМ. Для решения проектно-технологических задач достаточно, чтобы математические модели обеспечивали заданную точность расчета только тех параметров, по значению которых принимается то или иное техническое решение. При определении требующейся точности таких математических моделей нужно учитывать ограничения на возможности технической реализации найденного решения, а также допустимые затраты времени и объема памяти ЭВМ, используемой при проектировании.
Ограничениям на время решения и память ЭВМ при заданной нужной точности решения можно удовлетворить путем соответствующего упрощения способа решения. Для нахождения оптимального соответствия между требуемой точностью решения технической задачи и достижимой точностью для данных математических моделей последние надо оценивать после разработки модели.
