Введение к работе
Актуальность работы
Основной задачей современного производства является повышение конкурентоспособности производимой продукции Изделия и оборудование, применяемое в атомной промышленности, в частности, в конструкциях атомных реакторов, относятся к изделиям ответственного применения, поэтому для его обработки используются высокотехнологичные методы обработки, гарантирующие заданное качество вьшускаемои продукции Так, для сварки изделий из сплавов циркония в атомной промышленности используется электронно - лучевая сварка (ЭЛС)
Электронный луч как технологический инструмент позволяет осуществлять нагрев, сварку, наплавку, испарение, размерную обработку и ряд других технологических операций Такая универсальность электронного луча дает возможность использовать одно и то же оборудование сразу для нескольких операций единого технологического процесса производства продукции, то есть применять комбинированный технологический процесс электронно - лучевой обработки Электронно - лучевые технологические процессы протекают в вакууме, поэтому они экологически чисты и технически безопасны Для ЭЛС характерны высокая концентрация энергии в электронном пучке, локальность нагрева, минимальные деформации изделия, вакуумная защита зоны обработки, простая управляемость энергетическими характеристиками пучка электронов и высокий КПД
Современное электронно - лучевое оборудование отличается улучшенными значениями таких важнейших параметров, как выходная мощность луча, высокая степень вакуумной защиты, прецизионное манипулирование электронной пушкой и обрабатываемым изделием, увеличенный срок службы В то же время существует трудность внедрения этого оборудования, так как системы управления обеспечивают лишь узкий спектр функций, в основном ограниченный прямым программным управлением без обратной связи, а также отсутствием универсальных методов расчета управляющего воздействия для различных технологических операций
Тепловой процесс в реальном изделии описывается системой с распределенными параметрами, основным из которых является температура, поэтому для управления этим процессом должны использоваться методы синтеза и анализа систем управления с распределенными параметрами Совершенствование технологии производства и выбор режимов обработки является трудоемкой задачей, так как требует проведения большого количества экспериментов Оптимальное управление - алгоритм и параметры режима обработки - могут быть наиболее точно, эффективно и сравнительно дешево получены лишь с помощью методов математического моделирования технологического процесса с многокритериальной оптимизацией режимов Это позволяет формализовать и ускорить решение задачи за счет использования высокопроизводительной вычислительной техники и сокращения затрат на выполнение натурных экспериментов
Однако при электронно-лучевой сварке конструкций из сплавов циркония ввиду непостоянства параметров внепшей среды, электронной пушки и свариваемых деталей, а также ограниченной мощности электронного луча даже на оптимальных режимах не удается достичь требуемых эксплуатационных свойств сварного соединения, в первую очередь механической прочности и необходимой коррозионной стойкости Поэтому для обеспечения комплекса необходимых свойств сварных соединений, к которым предъявляются повышенные требования по качеству, после ЭЛС проводят длительный отжиг или ступенчатую термообработку, или применяется более сложная термомеханическая обработка, включающая циклы холодной пластической деформации металла в зоне сварного соединения (обкатка роликами) и последующий отжиг в печи Для проведения таких видов термической и термомеханической обработки сварного соединения в печах
требуется специальное энергоемкое крупногабаритное оборудование, а технологический процесс изготовления технологических каналов реакторов РБМК становится продолжительным и трудоемким В настоящее время существуют способы улучшения механических и коррозионных свойств металлов и сплавов с помощью термоциклической обработки, заключающейся в периодическом нагреве и охлаждении металла Локальная термоциклическая обработка концентрированными источниками энергии является менее энергоемкой и менее длительной операцией по сравнению с отжигом в печах, кроме того, при получении заданной микрокристаллической структуры в зоне термоциклической обработки позволяет отказаться от холодной пластической деформации и в несколько раз уменьшить время традиционной печной обработки Решающим преимуществом, определяющим применение данной операции, является то, что термоциклическую обработку можно эффективно выполнять на том же оборудовании, что и ЭЛС, причем за более короткое время, чем печное вакуумное термоциклирование Известно, что после нескольких циклов термообработки, заключающихся в нагреве и охлаждении изделий до заданных температур, микрокристаллическая структура шва и ЗТВ не уступает, а в некоторых случаях превосходит структуру, полученную при печной термообработке
Наиболее близкой по тематике является диссертационная работа В В Лаптева, посвященная оптимизации погонной мощности источника энергии при сварке и термической обработке кольцевых сварных соединений, однако предложенные в данной работе алгоритмы используют уравнение теплопроводности меньшей размерности, не учитывающее распределение температуры вдоль оси цилиндрической оболочки, а обратная связь в системе управления лучом использует только одно значение температуры в фиксированной точке температурного поля, что не дает полной информации о процессе
В настоящей работе предложено применить для производства кольцевых сварных соединений технологических каналов реакторов АЭС комбинированный технологический процесс, включающий ЭЛС и локальную электронно - лучевую термоциклическую обработку (ЭЛТЦО)
Целью данной работы является повышение эффективности и сокращение энергоемкости производства технологических каналов реакторов АЭС путем применения методов оптимизации систем с распределенными параметрами и совершенствования технологии формирования сварных соединений Задачи диссертационной работы:
-
Систематизация технологических операций и методов обработки материалов концентрированными потоками энергии (излучение лазера, пучок электронов), обеспечивающих повышение качества кольцевых сварных соединений технологических каналов АЭС
-
Разработка и обоснование математической модели формирования кольцевых сварных соединений при воздействии концентрированного подвижного источника энергии в технологических операциях сварки, направки и локальной электронно - лучевой термоциклической обработки
-
Реализация методов оптимизации теплового режима обработки кольцевых сварных соединений электронным пучком для операций электронно - лучевой сварки, наплавки и локальной термической обработки
-
Расчет оптимальных параметров и выбор режима оптимального управления комбинированным процессом формирования кольцевого сварного соединения
-
Разработка структуры и алгоритмов работы системы управления комбинированным процессом сварки и локальной термоциклической обработки кольцевых сварных соединений с обратной связью по температуре
6 Исследование механических, коррозионных свойств кольцевых сварных соединений, вьшолненных по комбинированной технологии сварки, и металлографические исследования структуры металла сварного шва и зоны термического влияния
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач используются методы теории теплопроводности, математического и численного моделирования, методы оптимального управления системами с распределенными параметрами, методы идентификации объектов и систем управления, металлографические методы, методы не-разрушающего и разрушающего контроля
Научная новизна и практическая ценность работы.
На защиту выносятся следующие научные результаты автора
-
Методика комбинированного процесса формирования кольцевых сварных соединений технологических каналов АЭС, включающая операции электронно — лучевой сварки, наплавки и ЭЛТЦО
-
Математическая модель оптимального теплового процесса в цилиндрической оболочке с граничными условиями второго рода при воздействии подвижного объемного источника энергии
-
Метод оптимизации пространственно-временной структуры источника энергии в зависимости от требуемых эксплуатационных свойств сварного соединения с использованием принципа максимума для систем с распределенными параметрами
-
Способ определения оптимальных параметров комбинированного процесса формирования кольцевого сварного соединения канала реактора АЭС
-
Система управления комбинированным технологическим процессом формирования кольцевых соединений, использующая предварительную оптимизацию управляющего воздействия и оперативный тепловизионный контроль
-
Результаты металлографических, метрологических и коррозионных испытаний кольцевых сварных соединений технологических каналов АЭС, вьшолненных по комбинированной технологии
Новизна научных результатов состоит в следующем
-
Проведенная систематизация методов обработки и технологических операций обосновывает необходимость применения операции ЭЛТЦО, что позволяет исключить трудоемкую механическую обработку - обкатку роликами, и сократить длительность вакуумного отжига в печах при формировании кольцевых сварных соединений изделий ответственного применения
-
Доказано эффективное влияние оптимального теплового режима обработки на микрокристаллическую структуру металла сварного шва и зоны термического влияния, и, как следствие, на эксплуатационные свойства изделий
-
Построенная математическая модель теплового процесса позволила сформулировать и решить задачу оптимизации теплового режима каждой технологической операции комбинированного процесса сварки кольцевых соединений каналов АЭС
-
На основании предложенной методики комбинированного процесса составлен сложный термический цикл формирования кольцевого сварного соединения, построено заданное распределение температуры и предложен метод численного моделирования оптимальных параметров режима технологических операций комбинированного технологического процесса
-
Разработанные алгоритмы оптимального управления комбинированным технологическим процессом сварки обеспечивают непрерывный контроль во время формирования кольцевого сварного соединения и управление температурным режимом обработки
Практическая ценность работы заключается в следующем 1 Предложена технология комбинированного процесса формирования кольцевого сварного соединения, позволяющая по сравнению со штатной технологией улучшить экс-
плуатационные (коррозионные и механические) свойства технологических каналов АЭС, повысить произюдительность труда, снизить энергоемкость и себестоимость выпускаемой продукции, уменьшить влияние квалификации персонала на качество изделий
-
На основе метода решения обратной задачи теплопроводности получен метод оптимизации параметров режима сварки, наплавки и термоциклической обработки применение которого увеличивает точность получения технологических параметров процесса формирования кольцевых сварных соединений и уменьшает количество экспериментов для отработки режимов
-
Благодаря применению оптимальных режимов обработки сокращена длительность и уменьшена энергоемкость процесса, за счет отказа от механической обработки -обкатки роликами - уменьшена номенклатура используемого оборудования, улучшены эксплуатационные характеристики продукции
-
Автоматизация процесса управления последовательностью технологических операций в вакуумной камере позволяет повысить производительность труда оператора электронно - лучевой установки Замкнутость системы управления по температуре обеспечивает повторяемость технологических параметров режима обработки
-
Предложен способ построения систем управления с обратной связью по температуре и предварительной оптимизацией температурного режима обработки, применимый для построения систем управления любыми тепловыми процессами
-
Повышена достоверность расчета режимов комбинированной технологии сварки и локальной термической обработки кольцевых сварных соединений труб 088x4 из сплава Э125, применяемых в технологических каналах реакторов РБМК
Вклад автора. Автором самостоятельно 1) предложена и обоснована комбинированная технология формирования кольцевого сварного соединения, 2) разработан и реализован алгоритм оптимизации управляющего воздействия, 3) численно обоснованы результаты применения математических моделей тепловых процессов для каждой технологической операции комбинированного процесса сварки, 4) предложена структурная схема системы управления тепловым процессом обработки, использующая предварительную оптимизацию параметров технологического процесса и несколько обратных связей, в том числе по распределенному параметру - температурному полю, 5) разработан метод наведения электронного луча на стык свариваемых деталей при сварке и сварной шов при наплавке и локальной термоциклической обработке на основании анализа тепловизионных изображений
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях всероссийских НТК «Наука, производство, технология, экология», г Киров, ВятГУ, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007 гг, международной научно-технической интернет - конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов», г Тула, 2004 - 2005 гг, совместной международной конференции «Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах» и международная конференция «Компьютерные технологии в сварке и производстве», г Киев, 2006 г, на международной конференции «Лучевые технологии и применение лазеров», г С Петербург, 2006 г, на конференции с международным участием «Сварка Урала - 2006», г Екатеринбург, 2006 г
Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 14 статьях и тезисах в научно-технических журналах и сборниках трудов
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов по работе и списка использованной литературы Общий объем работы составляет 142 страницы машинописного текста, работа содержит 37 рисунков, 7 таблиц, библиографический список из 126 наименований
