Диссертация (Расчетно-экспериментальные методы исследования технологических напряжений и деформаций в неразъемных трубных соединениях энергоустановок), страница 6

Ими применен методконечно-элементного моделирования с исходными данными, опирающимисяна выводы [135], без привязки к реальным силовым взаимодействиям междутрубой и роликом и для диаметральной раздачи ∆=1 мм в 1-й работе и ∆=0,6мм – во 2-й. Суть результатов в обеих работах разная. Так, в [17] различныеостаточныенапряженияравномернораспределеныповсейдлиневальцевания. Исключение составляет участок перехода от вальцованной кневальцованной трубе, где имеет место всплеск напряжений. Это явлениеочевидное, т.к.

здесь ролики своими концами раздвигают металл трубы вовсех направлениях.31Однако в зоне вальцевания авторы [17] выявили сжимающие окружныенапряжения, в то время как при экспериментальных исследованиях [50], [51],[53] обнаружены растягивающие окружные напряжения.В работе же [25] расчеты выявили всплески напряжений по краям и всередине ролика. Причина последнего, по всей видимости, заключается втом, что авторы [25] моделировали комплексное воздействие на трубу, отгидрораздачи и от роликового вальцевания, имеющих место при закреплениитруб в коллекторе парогенератора ПГВ-1000. При этом после гидрораздачизауплотнительнымикольцамивнезондатрубанаходитсявнедеформированном состоянии.

Ролик в операции довальцовки размещаетсятак, что на его середине находится участок повышения напряжений от концазонда.Вопросу снижения напряжений в узле заделки труб парогенератора БН600 посвящена статья [155]. В ней рассмотрены проблемы, обусловленныесозданием сварного соединения между концом трубы и трубной доской привыполнениидругихопераций(взрыва,роликоваявальцовкаиподвальцовка). С применением расчета по методу конечных элементовпоказано, что выполнением проточки вокруг выступающих концов трубможно снизить напряжения в зоне сварного шва.

Из результатовисследования также следует, что в окрестностях контакта трубы со стенкойотверстиязапределамиуказаннойпроточкиостаютсянапряжения,превышающие 70 МПА, а в теле трубной доски напряжения составляют 3060 МПа. При этом перемычка между отверстиями в этой конструкции весьма«толстая» и составляет 12 мм.Серьезные исследования процессов вальцевания выполнены в работеЮзика С.И.

[163]. Несмотря на то, что основным объектом исследованияздесьбылисудовыетеплообменныеаппараты,многиеположениямонографии используются при изготовлении подобных изделий в другихотраслях промышленности. В частности автором установлено:32а) ухудшение герметичности при использовании на входе в узелкрепления конусом;б) малое влияние на герметичность кольцевых канавок на внутреннейповерхности отверстия доски трубной при некотором повышении прочности;в) экспоненциальная зависимость предельного давления рпр от длины lвальцовочного пояска (чем больше l, тем меньше приращение рпр);г)экспоненциальная зависимость плотности соединения от степениразвальцовки;д) влияние степени развальцовки на остаточные напряжения и др.При этом Юзик использует для оценки воздействия на трубу критерийстепень развальцовки, определяемый с помощью выраженияK=[1- (d0- db)/(2sdн/d0)]100%,гдеd0 – диаметр отверстия в трубной решетке; db – внутренний диаметртрубы после развальцовки; dн – наружный начальный диаметр трубы; s –толщина стенки трубы.

Величина К может принимать значения от 4% до25%.Основным критерием качества закрепления теплообменных труб, какследует из выше отмеченных работ, является раздача трубы. Рекомендуемыйразными документами крутящий момент не учитывает такие параметрывальцовок, как угол перекрещивания осей роликов и веретена, уголконусности веретена, диаметры роликов и веретена.Ниже будет показано, что выполнение этого критерия, т.е. степениразвальцовки, не обеспечивают качественного изготовления соединения.В основе выше изложенного подхода к анализу процессов вальцеваниялежит представление о том, что труба по мере обкатывания её роликамиравномерно прижимается к стенке отверстия и при этом её стенкаоказывается как бы под действием некоторого давления, подобногогидравлическому.

Тогда, следуя такому представлению, в ней до контакта состенкой отверстия развиваются только окружные напряжения, а после33контакта по всей зоне соприкосновения дополнительно появляютсяпрактически одинаковые по величине сжимающие, радиальные, напряжения.Так происходит при гидравлической раздаче, прессовой раздаче труб,т.е. в случае воздействия на всю внутреннюю поверхность жидкостью,эластичной втулкой, дорном и т.д.В действительности процесс роликового вальцевания протекает поиному. В каждый момент времени ролики опираются на поверхность трубы вz точках (z – число роликов). В этих точках происходит изгиб, упругопластическая деформация.

Поскольку здесь эквивалентное напряжение или,следуя Феодосьеву [153] – интенсивность напряжения σi, по всему сечениюдостигает значений, превышающих предел текучести, то происходит нетолько изгиб, но и удлинение каждой мгновенной хорды с последующимприжатием к стенке отверстия. Поэтому фактическая деформация трубы,увеличение диаметральных размеров, осуществляется при меньших затратахмощности и сил, контактное взаимодействие трубы со стенкой отверстияпроисходит по другим законам, нежели взаимодействие двух практическиконцентрических поверхностей, постепенно сближающихся друг с другом.Кроме того, пренебрежение таким явлением, как упрочнение материалав процессе деформации, не оправдано, поскольку происходит холоднаяпластическая деформация, размеры которой всегда переводят металл в зонуупрочнения. Из опыта известно, что материал трубы в процессе раздачисильноупрочняется.

Твердость рядасталейвовремявальцеванияувеличивается на 30...200%.В приведенной в книге [135] формуле по определению оптимальногокрутящегомомента,указаннойвыше,крометочнонаходимыхгеометрических параметров соединяемых деталей и инструмента прямопропорционально и обратно пропорционально входят коэффициентыскольжения и проскальзывания и величина давления, обусловленноготекучестью материалов трубы и решетки, которые определить весьмасложно. Тем более, что как ниже будет показано, у решетки имеются только34упругиедеформации.Здесьтакженеиспользованыдиаметральныехарактеристики роликов и веретена. Из-за этого использовать предлагаемуюформулу очень непросто. Видимо поэтому не были детально исследованысиловые взаимодействия в роликовой вальцовке.Если же величину потребного крутящего момента рассчитывать не отусловий текучести материалов, а от значений фактического контактногонапряжения между трубой и стенкой отверстия, развиваемого привальцевании по фактическому крутящему моменту, как это предлагаетсяавтором данной работы, то такое соотношение можно использоватьпрактически,например,вцехе,знаямеханическиехарактеристикивальцовочных машин.

При этом не нужны точные знания о проскальзываниии коэффициентах трения. Используя выведенную автором формулу поопределению потребного крутящего момента, удалось с погрешностью до5% оценить силовые взаимодействия в вальцовке.Несмотря на указанные недостатки разработанный в 70 – 80-х годах 20го века подход к проблеме закрепления теплообменных труб, дополненныйэкспериментальными данными, позволил в СССР разработать нормативныедокументы, обеспечивающие изготовление энергетического оборудования.Однако современные требования к оборудованию, в котором возрастаютудельные мощности, приводят к необходимости использования болеепрочных как однослойных, так и биметаллических труб, новых материаловдосок.

Логика же выше упомянутых работ часто не допускает этого.Кроме того, в конструкции ряда теплообменных аппаратов с помощьюроликовой вальцовки необходимо лишь удалить радиальный зазор в узлекрепления. Это может быть обусловлено тем, что в процессе изготовленияустройство подвергается термической обработке, после которой натяг,возникающий в соединении, вследствие неизбежной рекристаллизацииисчезает, а также необходимостью снижения гидравлических потерь длятекущего потока среды в зоне перехода от вальцованного участка кневальцованному. При таком изготовлении узла крепления величина35крутящего момента на хвостовике веретена должна определяться особымобразом, определенным после специальных исследований.Много лет занимались вопросами закрепления теплообменных труб спомощью роликовых вальцовок Коневских В.А., МайорскийБ.

Ш.Майорский разработал стенд и способ определения герметичности моделитрубного пучка, позволяющий выявлять отдельные дефектные узлыкрепления и место дефекта. Качество закрепления при этом оценивалось пораздаче труб, что нередко давало ошибку.Серьезный вклад в развитие технологии закрепления теплообменныхтруб внесли диссертация на соискание ученой степени д.т.н., засл.изобретателя РФ, проф. Терехова В.М.[137], сотрудники ЦНИИТМАШКлауч Д.Н., Носов Д.П., Гунин А.В.и др. При участии известныхспециалистов Белоусова В.П.

[8], Даниленко В.Г. [26], а также автора,разработаны и внедрены в производство на ОАО «Машиностроительномзаводе «ЗиО-Подольск» такие методы, как гидравлическая и прессоваяраздача труб, различные технологии и некоторые инструменты дляроликового закрепления. Автор разработал и запатентовал новый способвальцевания, основанный на новом критерии вальцевания, базирующемся наэкспериментальном определении в модели с типовыми контактирующимипарами радиального нормального напряжения в зоне контакта между трубойи стенкой отверстия, и совместно с указанными специалистами внедрил егов производство. В исследовании [137] был использован новый критерийкачества вальцевания – контактное напряжение между трубой и стенкойотверстия, по которому в дальнейшем происходит выбор потребногокрутящего момента на хвостовике вальцовки.