Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы воспроизводимости качества сварных соединений при монтаже и ремонте трубопроводов на атомных станциях 16
1.1. Особенности монтажных и ремонтных работ на атомных станциях 16
1.1.1. Основные виды объектов атомной энергетики и промышленности 16
1.1.2. Классификация оборудования и трубопроводов по влиянию на безопасность атомных станций 25
1.2. Основные виды сварных соединений и базовые способы сварки трубопроводов атомных станций 32
1.3. Основные способы и оборудование для автоматической орбитальной сварки трубопроводов 37
1.4. Виды и объемы сварочных работ при монтаже, техническом обслуживании и ремонте объектов на атомных станциях 52
1.5. Анализ условий выполнения сварочных работ при монтаже и ремонте атомных станций 55
1.6. Базовый уровень качества и требования к качеству сварных соединений трубопроводов на атомных станциях 62
Выводы по главе 1 68
1.7. Цель и задачи работы 70
Глава 2. Условия воспроизводимости качества сварных соединений в процессе автоматической орбитальной сварки 71
2.1. Методологический подход к решению задач воспроизводимости качества сварных соединений 71
2.2. Основные виды дефектов формирования швов при орбитальной сварке трубопроводов на атомных станциях 85
2.3. Основные причины и условия возникновения дефектов сварных соединений в процессе автоматической орбитальной сварки 92
2.4. Основные методы минимизации вероятности возникновения дефектов сварных соединений и воспроизводимости качества при автоматической орбитальной сварке 105
2.5. Анализ условий формирования и удержания сварочной ванны в процессе орбитальной сварки трубопроводов атомных станций 117 Выводы по главе 2 127
Глава 3. Физико-технологические особенности формирования ванны в процессе автоматической орбитальной сварки 129
3.1. Особенности формирования корневых проходов при автоматической орбитальной сварке трубопроводов 129
3.2. Особенности заполнения разделки (наплавки) в процессе автоматической орбитальной сварки стыков трубопроводов 139
3.3. Минимизация вероятности образования наружных дефектов швов в процессе автоматической орбитальной сварки 148
3.4. Методы совершенствования процессов орбитальной сварки 157
3.4.1. Технологические методы управления параметрами процесса орбитальной сварки неплавящимся электродом 158
3.4.2. Технологические методы и приемы сварки трубопроводов стабилизированными и плазменными дугами 160
3.4.3. Технологические методы воздействия на сварочную ванну в процессе сварки плавящимся электродом 168
3.5. Стабильность параметров процесса орбитальной сварки 181
Выводы по главе 3 184
Глава 4. Прогнозирование качества сварных соединений на основе физико-математической модели процесса орбитальной сварки 187
4.1. Основные физико-математические зависимости формирования
швов в процессе орбитальной сварки 187
4.2. Физико-математическая модель сварочной дуги 192
4.3. Модель формирования сварочной ванны и шва 203
4.3.1. Обобщенная физико-математическая модель процесса орбитальной сварки 204
4.3.2. Пространство моделирования 205
4.3.3. Подмодель дуги для решения технологических задач 207
4.3.4. Подмодель термодинамических явлений 214
4.3.5. Подмодель формирования поверхностей расплава ванны 217
4.3.6. Подмодель кристаллизации сварочной ванны и образования шва 221
4.4. Численная реализация физико-математической модели процесса орбитальной сварки 222
4.4.1. Концепция алгоритма компьютерной имитации 222
4.4.2. Методы численного решения уравнений модели 223
4.4.3. Алгоритм компьютерной имитации формирования швов 224
4.5. Программное обеспечение для имитации орбитальной сварки 225
4.6. Верификация программы для компьютерной имитации процесса орбитальной сварки 229
4.6.1. Условия проведения экспериментов 231
4.6.2. Калибровка модели 231
4.6.3. Анализ соответствия результатов 232 Выводы по главе 4 237
Глава 5. Разработка методов и средств повышения устойчивости процессов автоматической орбитальной сварки к возмущениям 239
5.1. Воспроизводимость качества сварных соединений в процессе автоматической орбитальной сварки 239
5.2. Возможности программы OrbitWeldSim 243
5.3. Определение параметров автоматической орбитальной сваркина основе компьютерного моделирования 245
5.4. Анализ воспроизводимости качества сварных соединений 259
5.5. Оценка вероятности получения соединения требуемого качества 267
5.6. Методы повышения уровня воспроизводимости качества сварных соединений 269 Выводы по главе 5 280
Глава 6. Совершенствование оборудования для автоматической орбитальной сварки трубопроводов 282
6.1. Сбор и анализ информации о надежности оборудования для автоматической орбитальной сварки на атомных станциях
6.2. Особенности применения сварочного оборудования при монтажных и ремонтных работах на атомных станциях 286
6.3. Классификация и ранжирование отказов оборудования в процессе автоматической орбитальной сварки 292
6.4. Выбор и назначение показателей надежности автоматов для орбитальной сварки трубопроводов 295
6.5. Разработка методов и средств повышения надежности автоматов для орбитальной сварки 303
6.6. Жизненный цикл сварочного оборудования 313
6.6.1 .Технические требования к жизненному циклу сварочного оборудования на стадиях проектирования и изготовления 315
6.6.2. Технические требования к жизненному циклу сварочного оборудования на стадии эксплуатации 326
Выводы по главе 6 333
Глава 7. Роль сварщика-оператора в реализации процессов автоматической
орбитальной сварки 335
7.1. Роль сварщиков-операторов в обеспечении качественных показателей процесса автоматической орбитальной сварки 335
7.2. Математическая и имитационная модели взаимодействия сварщика-оператора с процессом и оборудованием 340
7.3. Задачи сварщика-оператора при реализации процессов автоматической орбитальной сварки 346
7.4. Особенности подготовки и аттестация сварщиков-операторов 353
7.5. Разработка методов и средств обучения рациональным приемам сварки 363
7.5.1. Методы и средства теоретической подготовки 365
7.5.2. Методы и средства практической подготовки 367
7.5.3. Контроль результатов подготовки 376
Выводы по главе 7 377
Глава 8. Практические результаты разработки технологических основ автоматической орбитальной сварки трубопроводов 379
8.1. Разработка нормативно-технической документации для обеспечения проектирования, изготовления и эксплуатации сварочного оборудования 379
8.1.1. Разработка методов повышения качества конструкторской документации 379
8.1.2. Совершенствование методов и средств контроля качества изготовления сварочного оборудования 383
8.2. Автоматическая орбитальная сварка трубопроводов 387
8.2.1. Сварка трубопроводов при замене парогенераторов реакторов ВВЭР и опускных трубопроводов реакторов РБМК 387
8.2.2. Сварка стыков труб поверхностей нагрева 392
8.2.3. Сварка стыков труб с силикатно-эмалевым покрытием 398
8.3. Практическая реализация управляемого тепломассоперепоса капель при автоматической орбитальной сварке плавящимся электродом 402
8.4. Разработка учебно-методической документации и средств подготовки сварочного персонала 410
Выводы по главе 8 418
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 420
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 425
ПРИЛОЖЕНИЯ 447
- Основные виды объектов атомной энергетики и промышленности
- Методологический подход к решению задач воспроизводимости качества сварных соединений
- Особенности формирования корневых проходов при автоматической орбитальной сварке трубопроводов
Введение к работе
Глава 1. Проблемы воспроизводимости качества сварных соединений при
монтаже и ремонте трубопроводов на атомных станциях 16
1.1. Особенности монтажных и ремонтных работ на атомных станциях 16
Основные виды объектов атомной энергетики и промышленности 16
Классификация оборудования и трубопроводов по влиянию на безопасность атомных станций 25
Основные виды сварных соединений и базовые способы сварки трубопроводов атомных станций 32
Основные способы и оборудование для автоматической
орбитальной сварки трубопроводов 37
Виды и объемы сварочных работ при монтаже, техническом обслуживании и ремонте объектов на атомных станциях 52
Анализ условий выполнения сварочных работ при монтаже и
ремонте атомных станций 55
1.6. Базовый уровень качества и требования к качеству сварных
соединений трубопроводов на атомных станциях 62
Выводы по главе 1 68
1.7. Цель и задачи работы 70
Глава 2. Условия воспроизводимости качества сварных соединений в процессе
автоматической орбитальной сварки 71
Методологический подход к решению задач воспроизводимости качества сварных соединений 71
Основные виды дефектов формирования швов при орбитальной
сварке трубопроводов на атомных станциях 85
Основные причины и условия возникновения дефектов сварных соединений в процессе автоматической орбитальной сварки 92
Основные методы минимизации вероятности возникновения дефектов сварных соединений и воспроизводимости качества при автоматической орбитальной сварке 105
Анализ условий формирования и удержания сварочной ванны в процессе орбитальной сварки трубопроводов атомных станций 117 Выводы по главе 2 127
Основные виды объектов атомной энергетики и промышленности
В структуру ядерно-промышленного комплекса России входит большая номенклатура различных производств и объектов как составная часть процесса использования ядерной энергии от получения уранового сырья до промышленного применения [1].
В их число входят:
горно-перерабатывающие производства (рудники, карьеры, горнометаллургические комбинаты по добыче и отгрузке природного урана);
комбинаты по разделению изотопов урана (производства по получению гексафторида и тетрафторида урана, разделительные заводы, заводы по производству фтора и плавиковой кислоты);
заводы по изготовлению ядерного топлива и специальных реакторных материалов (производство тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) для промышленных и исследовательских ядерных реакторов, атомных станций, промышленные производства циркония, бериллия и др. материалов);
производство ядерного и термоядерного оружия (промышленные ядерные реакторы, радиохимические заводы, заводы по производству тяжелой воды, заводы по изготовлению ядерных боеприпасов);
атомные станции с различными типами ядерных реакторов;
транспортные ядерные реакторы;
объекты для фундаментальных исследований в области ядерной физики, физики плазмы, материаловедения, термоядерного синтеза; исследовательские и экспериментальные реакторы, ускорители заряженных частиц, экспериментальные стенды различного назначения;
машиностроительные заводы (заводы по изготовлению основного и вспомогательного оборудования, энергетических и не стандартизированных установок, приборостроительные заводы).
Следует отметить, что наиболее зримы и наглядны достижения атомной промышленности в ядерной энергетике. В настоящее время потребности человечества в электрической и тепловой энергии удовлетворяются за счет ресурсов минерального топлива [2]. Данные о мировых разведанных запасах топлива демонстрируют возможность сохранения достигнутого уровня добычи топлива в течение -40 ... 100 лет по нефти, 70 ... 200 лет по природному газу и более 200 ... 500 лет по углю. Вместе с тем, ожидающийся к середине XXI века почти двукратный рост населения Земли, в основном за счёт развивающихся стран, рост среднедушевого потребления энергии в мире до уровня развитых стран может привести к увеличению мировых потребностей энергопотребления в 2...3 раза к 2050 году. Если не произойдет кардинальных изменений, то уже в ближайшие 50 лет производство и использование энергии станет одним из основных факторов глобального потепления, вызванного широкомасштабными выбросами парниковых газов. Атомная энергетика способна стать вариантом, позволяющим снизить выбросы углерода. После пуска в СССР в 1954 г. первой в мире атомной электростанции (АЭС) в 70-х ... 80-х годах атомная энергетика интенсивно развивалась. К середине 80х годов вклад ядерной энергии в суммарное мировое производство электричества достиг 17% и составил 6% мирового топливно-энергетического баланса. Планируемое, почти троекратное, увеличение генерирующих мощностей в мировой атомной энергетике к 2050 г., позволит предотвратить выброс 1,8 миллиардов тонн углерода в год от сжигания угля на тепловых станциях.
Методологический подход к решению задач воспроизводимости качества сварных соединений
Методы анализа свойств и поведения объектов различного уровня связаны с использованием понятия системы [70,71], которая рассматривается в виде совокупности элементов, находящихся во взаимодействии и образующих при этом определенную целостность. Такая сложная система, при определенных допущениях может быть представлена в виде составного объекта, элементами которого являются более простые подсистемы, объединенные в единое целое законами управления. Связи в таких системах можно оценить с помощью системного анализа, позволяющего обоснованно осуществлять декомпозицию на подсистемы [72].
Из работ [4,46,73,74,75] известно, что обеспечение качества сварных соединений реализуется в сложной многокритериальной системе «технологический процесс - сварочное оборудование - сварщик-оператор -сварное соединение - контроль качества соединения». Система качества - это совокупность организационных и технических мер, необходимых для обеспечения гарантий стабильно высокого качества продукции, ее соответствия требованиям нормативных документов [76,77].
Поэтому анализ условий обеспечения качества сварных соединений, выполненных автоматической орбитальной сваркой, возможен только с использованием системного анализа [78,79] и вычислительного эксперимента [80,81].
В основе системного анализа лежат следующие положения [82,83,84]:
чёткая формулировка цели исследования;
постановка задачи по реализации этой цели и определение критерия эффективности ее решения;
разработка развернутого плана исследования с указанием основных этапов и направлений решения задачи;
пропорционально - последовательное продвижение по всему комплексу взаимосвязанных этапов и возможных направлений;
организация последовательных приближений и повторных циклов исследований на отдельных этапах;
принцип нисходящей иерархии анализа и восходящей иерархии синтеза в решении составных частных задач.
Принципы системного анализа в полной мере могут быть применены к продукции сварочного производства, так как она получается в результате взаимодействия элементов сложной системы: «технологический процесс -оборудование - персонал».
Особенности формирования корневых проходов при автоматической орбитальной сварке трубопроводов
Известно [8,27,134], что формирование корневых слоев во многом определяет качество всего сварного соединения. Поэтому при сварке трубопроводов ответственного назначения (категорий 1,1н и Пн) корневая часть швов должна быть подвергнута радиографическому контролю еще до заполнения разделки [17]. Связано это с тем обстоятельством, что чрезмерная глубина проплавлення корня шва уменьшает проходное сечение трубопровода, а при минимальных радиусах перехода поверхности проплава к основному металлу дополнительно повышается склонность к межкристаллитному растрескиванию [212].
Поэтому исследование особенностей формирования обратной стороны корневого слоя (поверхности проплава) при автоматической орбитальной сварке неповоротных стыков труб как неплавящимся (TIG), так и плавящимся (MIG/MAG) электродом является актуальной задачей [213,214,215]. Поскольку при формировании корня шва в процессе орбитальной сварки главной целью является получение гарантированного проплава (выпуклости) либо минимального мениска (вогнутости) поверхности проплава шва, то в работах [157,216] впервые равновесное состояние сварочной ванны было определено с учетом действия поверхностного натяжения на ее наружной поверхности.
Известно, что равновесие сварочной ванны обеспечивается силами поверхностного натяжения обеих поверхностей ванны (наружной и обратной относительно дуги) [148,157,202,217] на границе «жидкость - газ», гидродинамическим давлением ванны (в том числе ее массой) и давлением дуги [218,219]. Соотношение этих сил и определяет [157,159] выпуклость или вогнутость корня сварного шва. К сожалению, отклонение одного или нескольких параметров процесса сварки повышает вероятность возникновения дефектов [109,141,220].
Похожие диссертации на Технологические основы автоматической орбитальной сварки трубопроводов атомных станций
