Диссертация (Расчетно-экспериментальные методы исследования технологических напряжений и деформаций в неразъемных трубных соединениях энергоустановок), страница 10

Характеристики соединения труба- доска трубная (коллектор)2.2.1. ГерметичностьВ нормативном документе ПНАЭГ-7-010-89 указывается, что черезвальцованное соединениев зависимости от класса точности и классагерметичности мощность протечек среды через щель должна быть в пределахNу= =6,7*10-11... 6,7*10-4 Вт [м3Па/сек]. Это означает, что при перепадедавлений ∆р= 1МПа сферическая капля жидкости радиусом Rк= 0,5 мм будетобразовываться через t= V∆р/Nу= 10-9* 104*1,33*πRк3/(6,7...0,00000067)= 0,78…7,8*105 с.

Т.е. за одну мин будет появляться 77...7,7*10 капель, за один час –-64620...4,6*10-4 капель.Очевидно, что с увеличением перепада давлений и снижением классагерметичности, т.е перехода от IV класса к III, и точности определятькачество герметичности с помощью жидкости нецелесообразно, посколькувыделившаяся капля за время, превышающее 1 час, испарится. Большийэффект даст проверка при небольшом (до 0,1МПа) давлении газа илииспользованиегелия(см.Приложение).Сдругойточкизрениягидроиспытания при давлении, примерно на 25% превышающем рабочее,несмотря на малую информативность по герметичности позволяют оценитьпрочность изделия.57В связи с отсутствием публикаций по теоретической оценкепараметров щели для выполнения требований ПНАЭГ-7-010-89 рассмотримкольцевую щель, в которой образуется упомянутая капля.

При этом будемполагать, что в кольцевой концентрической щели нет облитерации илидругих процессов, затрудняющих движение среды. Расход здесь можноопределить с помощью соотношения [2]Q= πDδ3∆p/(12νρсl),(2.1)где D≈R+r; R, r – соответственно, радиус наружной и внутреннейповерхности щели; δ= R-r – радиальный зазор; ν – кинематическая вязкостьсреды; ρс – плотность среды; ∆p – перепад давлений; l – длина щели.Учитывая выше приведенное соотношение, запишемNу/∆p=πDδ 3∆p/(12νρсl).Откудаδ= [Nу12νρсl/(∆p2πD)]1/3.(2.2)Для трубы наружным диаметром 16 мм при длине щели 30 мм в случаеиспользования жидкости по свойствам, близким воде, получим значения,приведенные в таблице 2.2. Эти результаты близки среднимрадиальныхзазоров,экспериментальнозначениямопределяемыхприметаллографических исследованиях.Таблица 2.2Расчетные значения радиальных зазоров идеальной кольцевой щели в зависимостиот перепада давленияДопускаемая мощность протечек, Вт- Ny= 6,7*10-10 (I – класс герметичности)∆р, МПаδ, мкм1,05,010,01,70,60,37-7Допускаемая мощность протечек, Вт- Ny= 6,7*10 (III- класс герметичности)δ, мкм175,83,7Практические результаты (см.рис.

П5.15) имеют хорошую сходимостьсрасчетнымизначениямидляизделийспараметрамигерметичности, соответствующими 3-му классу герметичности58показателяОбычно при среднем диаметральном зазоре 2δ≤ 6 мкм узел крепленияпосле сборки выдерживает гидроиспытания на герметичность. Так, протечкичерез зазор размерами 3,1 мкм при давлении 1МПа соответствуют I классугерметичности.Такиезазорыполучаютсяобычноприроликовомвальцевании.В связи с изложенным можно по фактическим геометрическимпараметрам полученной щели оценивать с помощью выражения (2.2)способность соединения обеспечивать герметичность. Это целесообразноиспользовать при исследовании образцов.2.2.2. ПрочностьПрочностьвальцовочногосоединенияпоОСТ26-17-01-83характеризуется усилием выпрессовки трубы из трубной решетки (доски,коллектора), т.е.

усилия, растягивающего трубу при ее извлечении изтрубного отверстия. При этом гарантированная прочность определяется поформулеF= πd0lµσ0 ,гдеd0развальцовки;(2.3)- номинальный диаметр отверстия в доске; l- длинаµ- коэффициент трения при выпрессовке трубы; σ0−наименьшее остаточное контактное напряжение.В связи с тем, что значения µ, σ0− неопределенны, выражение (2.3)использовать трудно.Обычно это усилие определяют экспериментально, выдавливая трубуиз ложемента.На рис.2.2 показаны экспериментальные результаты по определениюусилия сдвига трубы ∅16х2 сталь 07Х12НМФБ при разных значенияхкрутящего момента. Видно, что усилие сдвига растет по некоторойпараболической кривой.

Подобная тенденция описывается и Юзиком [163],но у него, кроме того, выявлена тенденция к насыщению, т.е. при высокихстепенях развальцовки прочность соединения возрастает незначительно.59Заметим, что в случае перепада давлений р = 10МПа на стальной трубе, т.е.во время работы, увеличение наружного диаметра dн =16 мм составит [1]∆dн= pd2н(1- χ/2)/(4Еs)= 1,7 мкм, где χ - коэффициент Пуассона.Рис. 2.2 - Зависимостьусилия выпрессовки трубы∅16х2 из ложемента послевальцевания при длинеприжатия 30 мм.(по данным Гунина А.В.)Еслитрубаплотно(беззазора)прижатакложементу,топервоначальное контактное напряжение возрастет.

При наличии зазора, хотябы в пределах допуска, под действием перепада давлений диаметральныеразмеры щели несколько уменьшатся.Следовательно,вработающемнаустановившемсярежиметеплообменном аппарате узел крепления трубы лучше выполняет своифункции, нежели при каких-либо изменениях.При нагреве образца вальцованного соединения из стальной трубы(07Х12НМФБ) и доски из стали 09Г2САА на 300 ºС было выявленонезначительное (6-10%) снижение усилия сдвига при выпрессовке труб изтрубной доски.Вообще работоспособность вальцованного соединения после нагреватребует специального рассмотрения.

Поскольку в процессе вальцеванияпроисходит нагартовка материала трубы и доски трубной, приводящая ксжатию и деформации кристаллической решетки зерен, то нагрев вызываетрекристаллизацию. При этом образуются новые зерна, не имеющиеискажений, а нагартовка и прижатие с некоторым контактным напряжениемдвух поверхностей может исчезнуть. Тогда зона вальцевания превратится в60конструкцию, где труба размещается в отверстии доски трубной без зазораили с небольшим зазором. В такой ситуации все осевые нагрузки будетвоспринимать сварной шов, а поперечные- стенки доски трубной.Прочность вальцовочного соединения, кроме того, зависитотпрочности самой трубы и свойств трубы и доски.

Последнее обусловленовозможностью возникновения между деталями узла крепления адгезионногосхватывания.При этом следует различать трубы из сталей аустенитного иферритного классов, имеющие строение кристаллов близкое соответственногранецентрированному кубу (ГЦК) и объемноцентрированному кубу (ОЦК).Для кристаллов с ОЦК (это стали ферритного класса, типа 08Х14МФ)характерно резкое снижение предела текучести и повышение предельнойдеформации приувеличении гомологической температуры θ =T/Ts отзначений 0,06…0,1. Здесь Ts – температура плавления [111]. Это называетсявязкоупругим переходом. В хрупком состоянии такие вещества разрушаютсясколом за счет отрыва по плоскости спайности.Для кристаллов с ГЦК (стали аустенитного класса, типа 08Х18Н10Т)при росте гомологической температуры характерно некоторое увеличениепредельной деформации при одновременном медленном падении пределатекучести.Оба класса сталей склонны к коррозионному растрескиванию приналичии растягивающих напряжений.

При этом, если растягивающиенапряжения не превышают некоторого критического значения σкр, токоррозионного растрескивания не будет. Это критическое напряжение длястали типа 08Х14МФ составляет – 350 МПа, а для стали 08Х18Н10Т – 150МПа [144].Экспериментально установлено, что при закреплении труб из стали08Х18Н10Т ∅16х1,4 [137] гидрораздачей давлением р =350 МПа на длине165 мм, а также труб из стали 08Х14МФ (рис. П5.16) усилие сдвига труб61близко F=6 кН, а после роликового вальцевания этих же труб на длине 30мм, обеспечившем 2δ≤ 6 мкм, усилие сдвига было около F= 20 кН.2.2.3.

Стойкость к щелевой коррозииОна наблюдается не только при погружении металла в электролит, но ив атмосферных условиях. Существенно ухудшает работу металлическихконструкций. Для процесса щелевой коррозии характерна пониженнаяконцентрация окислителей (кислород и др.) по сравнению с концентрациейвне щели в объеме раствора и затрудненность отвода продуктов коррозии,из-за накопления и гидролиза которых возможно изменение рН раствора вщели и кинетики анодного и катодного процессов в щели [28].Затрудненность доставки в щель окислителя (часто возможна толькодиффузией) затрудняет катодный процесс, увеличивая деполяризуемость.Снижение pH за счет гидролиза облегчает протекание анодного процесса(облегчает ионизацию металла и затрудняет образование защитных пленок).Это приводит к усиленной работе микропары: металл в щели (анод)- металлоткрытой поверхности (катод).Снижение поляризуемости анодного процесса может быть настолькосильным,чтодеполяризацией,будетпроисходитьдополнительнопроцесскоррозииувеличивающийсводороднойкоррозионныйток.Исследования показывают, что края щели работают как анод, а середина как катод.Для защиты от щелевой коррозии в теплоэнергетике применяютспециальные материалы, например аустенитные или ферритные стали, нанаружной поверхности имеющие напряжения сжатия или небольшиенапряжения растяжения, и повышенное уплотнение на краях щели.

При этомв середине щели длиной 100- 500 мм можно иметь нулевой или небольшойзазор. Часто это обеспечивается с помощью гидравлической или прессовойраздачи труб.622.3. Контакт между роликом и трубой при роликовом вальцеванииВ связи с тем, что в качестве теплообменных труб используютпластичные материалы (иначе весьма трудно обеспечить ее плотноеприлегание к поверхности отверстия), а ролики и веретено, обычноизготавливают из закаленной стали типа ШХ15, то во время вальцеванияпроисходитвдавливание твердого вращающегося конического ролика впластичный материал заметно деформируемой трубы с неравномерным подлине контакта напряжением, которая сама впоследствии воздействует наохватывающую стенку отверстия в доске трубной.

При этом металл трубыперемещается в радиальном, окружном и осевом направлениях. Такиеособенности взаимодействия деталей выделяют эту пару из обычнорассматриваемых при решении контактных задач.Процесс обкатывания роликов вальцовки по внутренней поверхноститрубы имеет ряд общих черт с процессом поверхностного пластическогодеформирования (ППД), часто применяемого для упрочнения поверхностейдеталей [131]. Отличие заключается в следующем:а) на операции ППД повышенные требования по жесткости,виброустойчивости предъявляются ко всей технологической системе [110];она должна обладать большей жесткостью и виброустойчивостью, чемтехнологическая система для обработки резанием, а при роликовомвальцевании вся стенка трубы и охватывающей поверхности деформируетсякак упруго, так и пластически;б) по всей длине контакта ролика с трубой имеют место разныеконтактные напряжения и разные скорости движения;в) скорость взаимодействия роликов и трубы из-за заметнойподатливости привода и силовых магистралей меняется;г) задача ППД – повысить поверхностную прочность детали, задачароликового вальцевания – обеспечить прилегание трубы к стенке отверстия снекоторым контактным напряжением, необязательно максимальным.63В общем случае, если рассматривать взаимодействие абсолютнотвердого тела (ролика) с относительно мягким телом из изотропногоматериала (трубы), контактная задача по определению перемещений приучете сил трения имеет решение, приведенное в книге [5].

В этой работе набазе уравнений Ламе с использованием интегрального преобразования Фурьенайдены выражения для трансформант перемещений υ(x, h), u(x,h) зоныконтакта толщиной h:V(α,h)= - (θα)-1[L11j(αh)Q(α)- iεL12j(αh)T(α)],U(α,h)= (θα)-1[L22j(αh)T(α)+ iεL12j(αh)Q(α)],где θ= G/(1-ν); ε= 0,5(1-2ν)/(1-ν); G,θ- упругие постоянные полосы;aQ(α)=∫−aaiαξq(ξ)e dξ; T(α)= ∫ τ(ξ)eiαξdξ;(2.4)−aq(x), τ(x)- интенсивность нормальных и касательных воздействий в зонеконтакта; х- расстояние по касательной от центра взаимодействия;Lii1(u)= ch(2u) –(±1)/[sh(2u)+ 2u];Li i2(u)= [2χsh(2u)- (±4u)]/[2χch(2u)+1+χ2]; χ= 3- 4ν.Эторешениевесьматрудноприменитьдляаналитическогоисследования. Следует отметить, что строгая математическая теория,описывающаяразнообразныеконтактныевзаимодействия,поканеразработана.