Напряженно-деформированное состояние сварных соединений узлов энергетического оборудования


С. И. Феклистов, В. В. Овчинников, А. А. Ершов















НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ УЗЛОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Монография





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.791
ББК 34.641
      Ф36


Рецензенты: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии и оборудования сварочных процессов Московского политехнического университета Латыпов Рашит Абдулхакович; доктор технических наук, профессор (Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана) Шиганов Игорь Николаевич






        Феклистов, С. И.

Ф36 Напряженно-деформированное состояние сварных соединений узлов энергетического оборудования : монография / С. И. Феклистов, В. В. Овчинников, А. А. Ершов. - Вологда, Инфра-Инженерия, 2021. -164 с.
           ISBN 978-5-9729-0576-8


     Представлены результаты оценки напряженно-деформированного состояния сварных соединений узлов энергетического оборудования, которые получены как экспериментальными, так и расчетными методами исследований.
     Для специалистов в области сварочного производства. Может быть полезно студентам и научным работникам.


УДК 621.791
                                                                   ББК 34.641









ISBN 978-5-9729-0576-8  © Феклистов С. И., Овчинников В. В., Ершов А. А., 2021
                        © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                        © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ................................................5
Глава 1. ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ
ТРУБ ИЗ НОВЫХ АУСТЕНИТНЫХ И МАРТЕНСИТНО-ФЕРРИТНЫХ
СТАЛЕЙ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫХОДНЫХ СЕКЦИЙ
ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЕЙ КОТЛОВ С РАБОЧЕЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ
ДО68О°С.......................................................8
  1.1. Выполнение работ по обеспечению технологичности изготовления элементов пароперегревательного тракта котла................8
  1.2. Ручная аргонодуговая дуговая сварка труб из аустенитной стали 12Х15Н16М2ТР.........................................11
  1.3. Сваркамартенситно-ферритнойстали 10Х9КЗВ2МФБР...16
Глава 2. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ПЕНАЛОВ
ДЛЯ ОЯТ РБМК-1ООО......................................30
  2.1. Рекомендации по сварке элементов пенала.........31
  2.2. Рекомендации по креплению решетки к стойкам.....38
  2.3. Рекомендации по усовершенствованию технологии изготовления корпуса пенала..........................43
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ И ОСОБЕННОСТИ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ И ТРОЙНИКОВ II КОНТУРА
РУ БН-8ОО.....................................................46
  3.1. Характеристика трубопроводов второго контура РУ БН-800.46
  3.2. Технология сварки и ремонта сталей импортной поставки импортными и отечественными сварочными материалами...48
  3.3. Технологические особенности изготовления оборудования
  и оценка прочностных характеристик применяемых основных и сварочных материалов...............................54

3

  3.4. Компьютерное моделирование технологии сварки и свойств сварных соединений на основе анализа технологии сварки и характера
  образования остаточных сварочных напряжений.................59
Глава 4. ХАРАКТЕР НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ
АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ.............................................78
Глава 5. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ НАПЛАВКИ, ТЕРМООБРАБОТКИ И СВАРКИ НА ХАРАКТЕР НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
КРЫШКИ ТЕПЛООБМЕННИКА.........................................91
  5.1. Предварительное моделирование технологических операций изготовления крышки теплообменника..........................91
  5.2. ЗО-моделирование технологии наплавки, термообработки и рассверловки.............................................107
  5.3. Моделирование технологии сварки труб в теплообменнике.121
Глава 6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РЕМОНТНОЙ СВАРКИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ
ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ.......................................136
  6.1. Ремонт дефектного участка на шпангоуте из сплава 1420.137
  6.2. Ремонт дефектного участка панели......................149
ЛИТЕРАТУРА...................................................160

4

            Введение



     В данной работе приведены данные по оценке напряженно-деформированного состояния сварных соединений при изготовлении некоторых элементов и узлов энергетического и вспомогательного оборудования, выполненные за последние 3,5 года.
     Они касались технологии сварки опытно-промышленных труб из новых аустенитных и мартенситно-ферритных сталей для изготовления выходных секций пароперегревателей котлов с рабочей температурой до 680 °C, особенностей технологии сварки ампул и пеналов для ОЯТ РБМК-1000, технологии сварки и особенности напряженно-деформированного состояния трубопроводов II контура РУ БН-800, характера напряженно-деформированного состояния кольцевых сварных соединений трубопроводов из низкоуглеродистой аустенитной стали, оценки влияния технологии наплавки, термообработки и сварки на характер напряженно-деформированного состояния перспективного теплообменника и моделирования термодеформационного состояния сварных соединений при выполнении ремонтной сварки элементов конструкций из алюминиевых сплавов.
     В настоящее время для исследования напряженно-деформированного состояния энергетического оборудования широкое распространение получили расчетно-экспериментальные методы с использованием компьютерных моделей физических процессов и современных численных методов расчета, дающих наиболее полную информацию о термомеханическом состоянии конструкций.
     На стадии изготовления оборудования применяются различные технологические процессы сварки, наплавки и термообработки. Указанные технологии приводят к образованию в изделии временных и остаточных напряжений и деформаций. Таким образом, возникает необходимость оценки временных и остаточных перемещений, деформаций и напряжений, возникающих в процессе сварки и их характера после охлаждения.

5

     Компьютерное моделирование предполагает учет конструктивных особенностей изготовления оборудования, знание характеристик теплофизических и механических свойств материалов в зависимости от температуры и характера структур основных материалов и сварных швов, оценки упругопластического характера нагрузок при воздействии концентрированного источника теплоты, характеристик нестационарной нагрузки и т. д.
     Использование процессов сварки и наплавки приводит к возникновению ряда проблем, связанных с механической неоднородностью сварных соединений. Неоднородность сварных соединений определяет несущую способность сварного соединения и всей сварной конструкции. Одной из основных технологических задач является снижение неоднородности сварного соединения и получение максимально равнопрочной конструкции за счет оптимизации конструктивно-технологических параметров сварочных процессов. Характеристики сварных соединений, включающие зоны основного деформированного металла и литого металла сварного шва различны.
     Они выражается в различии механических свойств и химического состава металла шва и основного металла, возникновении упругих и пластических деформаций и высоких временных и остаточных напряжений, а также, появлении концентраторов напряжений и деформаций, связанных с геометрией сварного соединения и характером структурного состояния материалов. Отдельным методическим аспектом моделирования является изучение влияния дефектов в сварных соединениях в виде пор, трещин, непроваров и несплавлений на работоспособность сварных конструкций.
     Возможности экспериментального определения временных и остаточных напряжений и деформаций в объектах сложной геометрии, при наличии в объекте сложного трехмерного напряженно-деформированного состояния (НДС), достаточно широки и позволяют измерять остаточные деформации и напряжения на поверхности деталей на удалении от зон высокого нагрева.
     В тоже время, во многих случаях наиболее опасные зоны сварных соединений находятся в глубине металла. Экспериментальные методы, давая досто

6

верную, но неполную информацию (из-за малого числа точек), не позволяют во многих случаях выявить влияние отдельных факторов процесса сварки на кинетику НДС.
     Этих недостатков лишены методы компьютерного моделирования, которые позволяют дать полную информацию о распределении деформаций и напряжений в объеме не только сварных соединений, но и в любой точке конструкции. Достоверность результатов моделирования может быть подтверждена экспериментальными данными, выполненными засверловкой и тензометри-рованием только с поверхности конструкции, или установкой специализированного оборудования на различных поверхностях специализированного оборудования по оценке остаточного напряженного состояния.

7

Глава 1. ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ ТРУБ ИЗ НОВЫХ АУСТЕНИТНЫХ И МАРТЕНСИТНО-ФЕРРИТНЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫХОДНЫХ СЕКЦИЙ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЕЙ КОТЛОВ С РАБОЧЕЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ ДО 680 ОС

        1.1. Выполнение работ по обеспечению технологичности изготовления элементов пароперегревательного тракта котла

     Данную работу выполняли по Госконтракту № 02,523.12.3019 в части исследования свариваемости и отработки технологии сварки опытнопромышленных труб из новых аустенитных и мартенситно-ферритных сталей 12Х15Н16МТ, 10Х9В2МФБР-Ш и 10Х9К3В2МФБР-Ш, предназначенных для изготовления выходных секций пароперегревателей котлов с рабочей температурой до 680 °C, исследованию структуры и механических свойств сварных соединений и моделированию различных вариантов технологии сварки. Эту работу проводили на ОАО ТКЗ «Красный Котельщик» г. Таганрог по отработке технологичности изготовления элементов пароперегревателей, а также совместно с заводом Белэнергомаш на его оборудовании. Для комбинированной ручной аргонодуговой и ручной дуговой сварки применяли сварочную проволоку ЭП953ВИ и электроды ЦТ-45 [1].
     Выполнение работ по обеспечению технологичности изготовления элементов пароперегревателей на ОАО ТКЗ «Красный Котельщик» г. Таганрог включало ручную аргонодуговую, дуговую сварку покрытыми электродами и комбинированную сварку коллекторов в виде катушек длиной по 300 мм из мартенситно-ферритной стали 10Х9КЗВ2МФБР 0325x34 мм. Выполняли стыковые соединения труб из этой же стали 032x6, 45x5 мм, а также приварку к гибам этих труб ответных колец труб. Подобный же подход был принят для стыков труб из стали аустенитного класса 12Х15Н16М2ТР для трубных систем энергоблоков 057x7,8 мм. Кроме того, трубы 032x6 и 057x7,8 мм вваривали 8

угловыми швами в коллектора 0325x34 мм. Предварительно, перед приваркой колец к гибам была выполнена термообработка, очистка и контроль гибов труб аустенитной и мартенситной сталей. При изготовлении использовали сварочные присадочные материалы, химический состав и свойства которых приведены ниже в таблице 1.1.
Таблица 1.1

Данные химического анализа и механических свойств наплавленного металла, выполненного ручной аргонодуговой сваркой и ручной дуговой сваркой

 № ТУ плавки                Содержание элементов в мас. %                         
   паспорта      С    Мп    Si    S     Р     Сг     Ni    Мо   Nb     N     Fe  
    партии                                                                       
  Сварочная                                                                      
  проволока          6,00-        <    н.б  19,00- 44,00- 5,5- 1,50-             
  ЭП-953-ВИ    <0,03 7,50  <0,3 0,015 0,015 22,00   48,00 7,00 1,80    -   основа
      ТУ                                                                         
 14-1-2206-77                                                                    
  Проволока                                                                      
  ЭП-953-ВИ    0,01  7,20  0,09 0,009 0,005 21,17   45,48 6,14 1,74  0,003 основа
диаметр 1,6 мм                                                                   
 плавка 49521                                                                    

     Механические свойства наплавленного металла на образцах диаметром 5 мм ручной аргонодуговой сваркой приведены в таблице 1.2
Таблица 1.2


        Механические свойства наплавленного металла при повышенных температурах испытаний

                 Предел        Предел                                         Ударная    
 Температура   прочности,    текучести,    Относительное   Относительное   вязкость, Дж/ 
испытания, °С      МПа           МПа        удлинение, %     сужение, %      м2 x 105    
     20       612, 628, 636 385, 396, 401 28,6, 28,6, 36,0   49,8-53,0    9,8, 12,3, 14,5
     700      394, 405,422  242, 249, 252 28,3,31,3, 34,3  38,2,38,6,38,6 9,6, 14,6, 14,6

     Характеристика электродов для ручной дуговой сварки ЦТ-45 представ

лена в таблице 1.3.

9

Таблица 1.3

Электроды ЦТ-45 для ручной дуговой сварки

                  Химический состав наплавленного металла, вес. %                            
  С        Si           Мп         S          Р         Сг       Ni        Nb         Мо    
0,028     10,62        6,1       0,008      0,009      20,0     47,0      1,8        6.4    
                      Предельные значения по ОСТ 24.948.01-90                                
                                                      18,5-    43,0-                        
<0,04     <0,65     5,0-7,0     < 0,020    < 0,020     20,0     48,0    1,6-2,2    5,5-7,5  
Электроды ЦТ 45, ГОСТ 9466-75. (ОСТ 24.948.01-90), партия 45, диаметр, мм 3,0, номер         
                             плавки проволоки - 36925.                                       
       Марка проволоки стержней Св.03Х20Н45М7Г6Б (ЭП-953 ВИ), ТУ 14-1-2206-77                

      Результаты механических испытаний металла шва на статическое растяжение и ударный изгиб в исходном состоянии после сварки (РДС) приведены в таблице 1.4.
Таблица 1.4

Механические свойства металла шва

Температура    Временное       Предел                                   Ударная  
испытаний,   сопротивление,  текучести,  Относительное  Относительное  вязкость, 
    °С            МПа            МПа      удлинение, %    сужение, %     Дж/см2  
    +20           692            385          43,6            42                 
             Предельные значения по ОСТ 24.948.01-90 (не менее)                   
    +20           588            343           40                          88    
Результаты испытаний специальных свойств металла шва (наплавленного металла)      
                Стоек к МКК по методу АМУ но ГОСТ 6032-2003                       

      Применяемые электроды соответствовали требованиям ГОСТ 9466-75, ОСТ 24.948.01-90.
      В процессе выполнения работы определяли характеристики свариваемости аустенитной стали на возможность образования горячих трещин в шве и ЗТВ и мартенситной стали на образование холодных трещин путем сварки технологических проб и, непосредственно, при сварке стыков труб.
      Ручная дуговая сварка труб из аустенитной стали 12Х15Н16М2ТР 057*7,8 мм предусматривала выполнение стыков труб во всех пространственных положениях аргонодуговым способом всего сечения и комбинированным способом АРДС и РДС с выполнением корневого шва АРДС. После выполне


10

ния технологических проб от комбинированного способа сварки отказались ввиду более высокого качества швов, выполненных АРДС.


        1.2. Ручная аргонодуговая дуговая сварка труб из аустенитной стали 12Х15Н16М2ТР


      Трубы из аустенитной стали 12Х15Н16М2ТР 057*7,8 мм, изготовленные Волжским заводом, прошли термообработку по режиму: 1150 ⁰С, 1,5 часа, охлаждение на воздухе.
      Гибы труб из аустенитной стали 12Х15Н16М2ТР изготавливались в холодном состоянии на станке Н-16, предназначенном для гибки труб с одновременным осевым поджатием (осадкой).
      Было изготовлено 2 гиба (рис. 1.1). Гибы прошли термообработку по режиму в двух вариантах. Один гиб был термообработан проходящим током (температура 1150 0С, выдержка 6-8 минут), второй гиб в печи - аустенизация, 1150 0С, час, охлаждение на воздухе.


Рисунок 1.1. Эскиз гиба труб 057*7,8мм

11

      Сварку выполняли с применением сварочного источника Kempi Master TIG MLS 4000. Разделка кромок под сварку соответствовала С-24 с углом скоса 35°. Стык 057*7,8 мм сваривали в 4 прохода, начиная с корневого шва, на режиме: ток 140-160 А, напряжение Uxx = 16-18 В. Сборка стыка осуществлялась в центраторе с наложением двух прихваток. Для поддува применяли заглушки. Количество аргона, подаваемого в трубопровод составляло 4-6 л/мин., в горелку 8-10 л/мин. Диаметр присадочной проволоки 1,6 мм.
      При сварке применяли горелку типа АР-3. Присадочную проволоку ЭП953ВИ, 01,6 мм али в сварочную ванну навстречу движению горелки при движении горелки справа налево. Корневой шов сваривали с амплитудой колебания горелки и присадочной проволоки 2-4 мм. Сварку осуществляли короткой дугой (не более 3 мм) постоянным током прямой полярности. Зажигание и гашение дуги выполняли на свариваемой кромке или на сваренном шве на расстоянии 20-25 мм позади кратера. Подачу аргона из горелки начинали на 1520 с раньше момента зажигания дуги и прекращается через 10-15 с после обрыва дуги. В течение этого времени струю аргона следует направлять на место начала сварки или на кратер. Для заделки кратера применяли введение в него капли расплавленного металла присадочной проволоки с одновременным удалением горелки от стыка до естественного обрыва дуги. Далее производили зачистку выполненного слоя до металлического блеска и охлаждение стыка до 100-150 °С. При сварке стыков дефектов обнаружено не было.
      В такой же последовательности производили выполнение работы по приварке стыков труб к гибам этих труб. На рисунках 1.2 - 1.4 приведены некоторые элементы оборудования и выполненные стыки труб в цехе ПТБ на ОАО ТКЗ «Красный Котельщик».
      При визуальном и капиллярном контроле дефектов в виде горячих трещин, шлаковых и окисных включений обнаружено не было.

12