Диссертация (Расчетно-экспериментальные методы исследования технологических напряжений и деформаций в неразъемных трубных соединениях энергоустановок), страница 4

Он принимал непосредственное участие в разработкеряда запатентованных конструкций инструментов и установок, способовизготовлениятеплообменныхаппаратов,атакжеприменяемыхвпроизводстве технологических указаний и инструкций, экспериментальныхметодик и оборудования, в проведении экспериментальных исследованийдлявыработкитехническихрешенийвоперацияхзакреплениятеплообменных труб.На защиту выносятся:1.

Расчетно-экспериментальные методы исследования технологическихнапряжений и деформаций циклических профилегибочных процессовизготовления трубных соединений с натягом на основе принятых положениймеханики сплошной среды, теоретической и прикладной механики, теорийколебаний и автоматического управления с возможным использованием дляновых трубных конструкций нестационарного профиля и многослойныхматериалов.2.Математическиемоделиисследованиянапряженно-деформированного состояния неразъемного трубного соединения с натягом«труба – трубная решетка», обусловленного пластическим деформированиемтрубы в операциях закрепления – гидравлической раздачей и роликовымвальцеванием с учетом многогнездности крепления и высокой степениперфорации трубной решетки.3.Механикароликовойвальцовки,критериивальцеванияиматематические модели кинематики, силовых взаимодействий, динамикиработы инструмента с оценкой его работоспособности184.

Механика процесса роликового вальцевания с обоснованием выборарежимов работы, обеспечивающих требуемые параметры качественных,прочностных и эксплуатационных характеристик АЭУ.5. Результаты экспериментальных исследований динамики роликовоговальцевания, остаточных напряжений в трубах и параметров операцийзакрепления.6. Метод исследования колебаний скоростей движения и напряжений всистеме «привод – стержень – исполнительный орган» и основы динамикисистемы «привод – рабочие органы роликовой вальцовки», позволяющиеоценивать колебания инструмента с учетом реакции человека-оператора,рассчитыватьпараметры,режимыработыприменяемогоиновоговальцовочного оборудования с целью повышения качества изготовления иремонта узлов крепления теплообменных труб.7.Методологияисследованийциклическихпрофилегибочныхпроцессов крепления теплообменных труб в трубных решетках с учетомкомплексного рассмотрения всех факторов влияния взаимосвязанной цепи«неразъемное соединение с натягом – профилегибочный процесс –инструмент–оборудование»сцельювыявленияособенностейдеформирования деталей узлов крепления, определения и минимизацииуровнейтехнологическихкрепления,повышениянапряжений,надежностисозданиякачественныхтеплообменныхузловаппаратов,импортонезависимости, производительности и улучшения условий труда приизготовлении и ремонте.8.

Новые конструкции вальцовочного оборудования и стенды дляисследований, дающие возможность повысить качество изготовления узловкрепления теплообменных труб и импортонезависмость, во многомопределяющих надежность, ресурс, безопасность и эффективность работыАЭУ.Апробацияработы.Основныеположенияирезультатыдиссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих19конференциях и семинарах: 1. Ежегодные Международные научныесеминары «Технологические проблемы прочности», Подольский филиалМГМУ (МАМИ), Подольск, 2003-2015гг. 2. Секция НТС «Технологииатомного машиностроения» ГК «Росатом», Москва, 30.11.2014.

3. Научныечтенияим.И.А.конструкционныхМеждународнаяОдинга«Механическиематериалов»,конференцияМосква,свойстваИМЕТсовременныхРАН,«Vibroengineering-2016»,2016.Москва,4.2016,ИМАШ, РАН. 5. V международный научный семинар «Динамическоедеформирование и контактное взаимодействие тонкостенных конструкцийпри воздействии полей различной физической природы», МАИ, 2016. 6.XXIII Международный симпозиум «Динамические и технологическиепроблемы механики конструкций и сплошных сред им. А.Г. Горшкова»,МАИ, Москва, 2017.Публикации.

По теме диссертации опубликовано 64 работы, включая25 научных статей в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемыхнаучных журналов, рекомендованных ВАК РФ, а также 3 монографии и 8патентов, 5 из которых являются патентами на изобретение и 3 патента наполезную модель.Структура и объем работы. Диссертация изложена в двух томах. Впервом томе приводится основное содержание работы на 275 листахмашинописного текста, состоящего из введения, семи глав и спискалитературы из 166 наименований.

Во втором томе (106 стр.) приведеныприложения, где представлены оригинальные программы вычислений,технологияпроведенияэкспериментов,ориентировочныерасчетытрудоемкости операций, а также акты внедрения результатов проведенныхисследований. В текст двух томов включены 16 таблиц и 105 рисунков.20ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ, МЕТОДЫИ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ1.1. Закрепление теплообменных труб с высоким качеством ипроизводительностью – путь решения задачи по реализации новыхэнергетических установок с улучшенными показателями надежностиСовременнаяпромышленностьвнастоящеевремявыпускаетразнообразные теплообменные аппараты:1. Парогенераторы (для АЭС).2. Холодильники ГОСТ 14244-79, ГОСТ 15120-79.3. Теплообменники ГОСТ 14245-79, ГОСТ 14246-79.4.

Конденсаторы ГОСТ 15120-79, 14247-79.5. Испарители с паровым пространством ГОСТ 14248-79 и др.Составнойчастью,определяющейосновныехарактеристикиотмеченных аппаратов, является теплообменная секция.Принцип действия теплообменника показан на рис. 1.1 [23], [101].Рис. 1.1.Схема действия теплообменникаЗдесь снизу вверх, по направлению стрелок, подается напримерхолодная среда, а внутри труб течет какой-либо агент, который необходимоохладить.

Вследствие теплопередачи через металлические стенки труб теплопередается перемещающемуся по ним агенту.На рис.1.2 в качестве примера приведен модуль ∅325 мм. Здесь жепоказан узел крепления трубы.21аРис 1.2. Модуль (теплообменный) ∅325 с опорами:а – продольный разрез; б – узел крепления трубыбТрубы, часто имеющие длину 8- 12 м, наружные диаметры 10- 76 мм итолщины стенки 0,5-14 мм, на концах должны быть так закреплены втрубныхдосках(коллекторах,решетках),чтобысоединениебылогерметичным, а между трубой и стенкой отверстия не развивалась щелеваякоррозия. В противном случае может произойти разгерметизация контуровс последующим перемешиванием сред и возможными авариями, поломками,взрывамиит.п.,устранениепоследствийкоторыхпотребуетмногомиллиардных затрат.В связи со стремлением изготавливать теплообменные аппараты смаксимальной удельной мощностью в их конструкциях устанавливаетсямаксимально возможное число труб, работающих при повышенныхнагрузках.

Последнее приводит к необходимости использования болеепрочных материалов (чаще всего - это однослойная сталь или толстостенныетрубы). Однако повышение прочностных характеристик таких деталей,применение их новых видов (биметаллических труб, труб из титановыхсплавов и др.) вызывает появление новых требований, как к параметрамзакрепления, так и увеличению нагрузки на инструменте, используемом для22закрепления. При этом возникает проблема получения надежного соединенияс натягом.

Причина этой проблемы заключена в особенностях сборки иработы теплообменного аппарата.При сборке трубного пучка отверстия в трубных досках выполняются сплюсовым допуском. Так, для труб ∅16х1,5 мм отверстие имеет диаметр∅16,25+0,17мм,анаружныедиаметрытрубимеютразмер∅16±0,2мм. Колебания толщины стенки трубы могут достигать 40%.Соединение концов труб с трубной доской с помощью только сварки,как показал опыт, быстро выходит из строя. Причина заключается впеременныхмеханическихитермическихнагрузкахнатрубах,обусловленных функционированием теплообменного аппарата.

Поэтому дляпредотвращения излома сварной шов защищают созданием соединения снатягом между трубой и стенкой отверстия. После герметизации торца трубымежду поверхностью отверстия, длина которого равна толщине доски(решетки, коллектора) и может составлять до 500 мм, образуется кольцеваящель. Осадки рабочей среды, образующиесяв процессетеплообмена,проникают в зазор и приводят к щелевой коррозии. Это явление оказываетсяосновной причиной снижения ресурса многих энергетических установок.Поэтому в современных конструкциях теплообменных аппаратовзакрепление труб производят с помощью сварки и упругопластическимдеформированием концов труб таким образом, чтобы не было кольцевойщели.

Причем последняя операция выполняется посредством или роликовоговальцевания, или гидравлической раздачи, или взрыва. При закреплении трубчасто применяют комбинацию указанных способов, но обязательноиспользуют роликовое вальцевание. В ряде конструкций применяют толькороликовое вальцевание без сварки. На рис.1.3,а показаны роликовоевальцевание и гидрораздача (рис. 1.3,б).23абРис. 1.3.

Методы закрепления: а - роликовое вальцевание: 1- ролики; 2- корпус; 3веретено; 4-обойма; 5- подшипник; 6- хвостовик; 7-доска трубная; 8- труба;б - гидрораздача: 1- зонд; 2- труба; 3- доска трубная; 4- уплотнительные кольца)Вальцевание происходит следующим образом.

После ввода вальцовки,состоящей из роликов 1, корпуса 2, веретена 3, подшипника 4, размещенногов обойме 5, в трубу 7, установленную в отверстии доски трубной 8,квадратныйхвостовик6веретенасоединяетсясвыходнымваломвальцовочной машины. Когда вал и веретено начинают вращаться, ролики 1,оси которых перекрещиваются с осью веретена под углом γ=1…3°,контактируют с конической поверхностью веретена и вращаясь втягиваютего вглубь трубы.

Тем самым с каждым оборотом радиус окружности, покоторой ролики перемещаются в относительном движении, увеличивается.При этом вращающиеся ролики давят на внутреннюю поверхность трубы,проиводя к ее радиальной деформации.В настоящее время узлы крепления теплообменных труб привыполненииоперациироликовоговальцеванияизготавливаютиремонтируют в соответствии с ГОСТ Р 55601-2013 [111] и отраслевымистандартами ОСТ 26- 17- 01- 83 [112], ОСТ 26- 02- 1015- 852, и дополнениямк ним, разработанными в нефтехимической промышленности и основаннымина исследованиях, выполненных с большими допущениями.Роликовое вальцевание труб может осуществляться также либо всоответствиисконструкторскойитехнологическойдокументациейпредприятий- изготовителей конкретного оборудования, либо на основаниирекомендаций фирм, производителей оборудования для закрепления труб.2ОСТ 26-02-1015-85 «Крепление труб в трубных решетках»24Такие документы в ряде случаев базируются на опыте, экспериментальныхисследованиях, достаточно ограниченных и не учитывающих требованийотраслей промышленности, в частности атомной отрасли, но могутразрабатываться исходя из технологических возможностей конкретногопредприятия, что не гарантирует требуемого качества.Следует отметить, что в указанных документах основным критериемкачества закрепления трубы является раздача труб, т.е.