Развитие технологий и технических средств сварки для применения в нефтегазовом машиностроении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 07.00.10, кандидат наук Яхин Азат Варисович

• Яхин Азат Варисович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Яхин Азат Варисович

Введение

ГЛАВА

ИСТОРИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ НАУЧНОЙ МЫСЛИ В ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИЙ СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

1.1 Первые исторические упоминания

о технике соединений металлических деталей

1.2 Создание первых промышленных технологий сварки в XIX в

1.3 Развитие технологий сварки в начале XX в

1.4 Исторические этапы формирования и развития отечественной научно-технической базы в области технологии сварки трением

1.4.1 Организация и развитие отечественного научно-исследовательского учреждения в области разработки сварочных технологий

1.4.2 Научно-исследовательская деятельность Всесоюзного научно-исследовательского института электросварочного оборудования в области сварки трением в 1953-1981 гг

1.4.3 Этапы реорганизации Всесоюзного научно-исследовательского института электросварочного оборудования

1.5 Перспективные направления современных технологий сварки трением

Выводы по главе

ГЛАВА

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВАРКИ ТРЕНИЕМ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ КОМБИНИРОВАННЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБ С ТРУБНЫМИ РЕШЕТКАМИ

ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

2.1 Назначение и общие сведения о кожухотрубчатых теплообменных аппаратах

2.2 Конструктивные особенности узла «труба - трубная решетка»

2.3 Термическая обработка сварных соединений

2.3.1 Радиационный метод нагрева

2.3.2 Индукционный метод нагрева

2.3.3 Комбинированный метод нагрева

2.3.4 Термохимический метод нагрева

2.4 Альтернативные технологии сварки трубных пучков теплообменных аппаратов

2.4.1 Соединение труб с трубной решеткой

способом лазерной сварки

2.4.2 Соединение труб с трубной решеткой

способом сварки трением

2.4.3 Соединение труб с трубной решеткой

способом сварки взрывом

2.5 Исследование механических свойств сварного соединения узла «труба - трубная решетка», выполненного сваркой трением

2.6 Определение макроструктуры образца

2.7 Определение микротвердости и электродного потенциала

2.8 Испытания на стойкость к межкристаллитной коррозии

2.9 Испытания натурных образцов

2.10 Анализ технологической прочности узла «труба - трубная решетка» в процессе сварки трением

Выводы по главе

ГЛАВА

РАЗРАБОТКА НОВЫХ ПОДХОДОВ К ПРИМЕНЕНИЮ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ТРЕНИЕМ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ

ГИДРОКЛЮЧА

3.1 Историческое обоснование необходимости применения новых технологических решений при производстве и модернизации технологического оборудования нефтяного машиностроения

3.2 Особенности и новые возможности использования технологии

сварки трением нефтяном машиностроении

3.3 История появления аксиально-поршневых гидромашин

в российском машиностроении

3.4 Современные возможности российской промышленности по выпуску гидромашин с внедренной в производство технологией сварки трением

3.5 Исторические предпосылки зарождения и этапы развития гидравлического ключа как важнейшего узла нефтяного технологического оборудования

3.6 Перспективные направления развития

технологии производства гидроключа

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. Патенты

Приложение Б. Справки о внедрении

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие технологий и технических средств сварки для применения в нефтегазовом машиностроении»

Актуальность темы

В последние годы приоритетным направлением развития промышленности России является импортозамещение, особенно актуальное для топливно-энергетического комплекса (ТЭК), который до 2014 г. в значительной степени зависел от импортного оборудования. Нефтегазовое машиностроение является одной из базовых отраслей ТЭК и обеспечивает необходимые темпы добычи и переработки природных углеводородов, поэтому 31 марта 2015 г. Приказом №645 Министра промышленности и торговли Российской Федерации Д. В. Мантурова был утвержден план мероприятий по импортозамещению в отрасли нефтегазового машиностроения РФ. В соответствии с этим планом импортозависимость по отрасли в целом должна снизиться в 2020 г. до 43%. Однако показатели эффективности деятельности большинства предприятий страны остаются недостаточно высокими и свидетельствуют о том, что большинству машиностроительных предприятий требуется модернизация и внедрение новых технологических решений.

Одним из вариантов решения этой проблемы является анализ возможностей использования уже разработанных методов для получения новых или внедрения известных технологий в производственные процессы, где до настоящего времени они не применялись, с учетом современного уровня развития науки и техники.

В этой связи исторический анализ развития технических средств и технологий сварки трением, результатом которого является внедрение перспективных сварочных технологий в современные процессы производства различного оборудования для добычи и переработки нефти, является актуальной задачей и может способствовать развитию нефтяного машиностроения в России и мире.

Степень разработанности темы

Научные основы технологии сварки трением были заложены в 1950-х гг. в работах ученых специализированного научно-исследовательского учреждения -Всесоюзный научно-исследовательский институт электросварочного

оборудования (ВНИИ ЭСО). Промышленное использование сварки трением началось в 1958 г., и в концу XX в. был накоплен значительный объем исследований и разработок. За последние 15 лет (2005-2020 гг.) отдельные технические вопросы различных видов сварки трением рассматривались в диссертационных работах российских ученых, однако заявленная в настоящей диссертации тема поиска новых возможностей использования технологий сварки трением и ее внедрения в производство оборудования для добычи и переработки нефти, до настоящего времени никем не исследовалась, поэтому результаты работы автора, которые легли в основу данной диссертации, являются новыми. Соответствие паспорту заявленной специальности

Тема работы и содержание исследований соответствуют пункту 1 «Исторический анализ становления и развития науки и техники области исследований» и пункту 5 «Обобщение историко-научного материала с целью воссоздания целостной картины становления и развития отдельных наук и отраслей научного знания», определяемых паспортом специальности 07.00.10 -«История науки и техники». Цель работы

На основании исторического анализа развития технологий сварки и технических средств их реализации разработать и предложить новые варианты применения технологии сварки трением при изготовлении производственного оборудования для добычи и переработки нефти.

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие основные задачи:

- установить хронологию развития научной мысли и технических решений в области сварочных технологий, начиная с древних времен и до наших дней;

- проанализировать исторические особенности становления научно-исследовательских работ в области сварки и установить роль отечественных ученых в развитии этой области науки и техники;

- исторически обосновать необходимость внедрения сварки трением в производство оборудования для добычи и переработки нефти в нашей стране

на примере трубных решеток теплообменных аппаратов и гидроключа, используемого для механизации процессов соединения-разъединения бурильных и насосно-компрессорных труб; - разработать новые технологии изготовления теплообменных аппаратов и гидроключа с использованием сварки трением и предложить варианты их использования в нефтегазовом машиностроении.

Научная новизна

1 Впервые обобщены и систематизированы исторические материалы об этапах развития сварки как одного из важнейших способов соединения металлических деталей.

2 Представлена историко-техническая картина становления и развития отечественной науки в области сварки трением, показан фундаментальный вклад российских ученых в развитие сварочных технологий.

3 Проведен анализ энергоэффективности изготовления теплообменных аппаратов сваркой трением и установлено, что применение такой технологии приводит к снижению себестоимости производства наряду с повышением качества и надежности производимого оборудования.

4 Предложены варианты внедрения энергоэффективной технологии сварки трением в технологические схемы производства нефтегазового оборудования на примере теплообменных аппаратов и гидроключа.

5 Разработано устройство для соединения деталей сваркой трением и предложены варианты его использования в промышленных масштабах при производстве теплообменных аппаратов для нефтяного машиностроения.

Теоретическая значимость работы

Результаты, полученные автором в результате исследования, дополняют имеющиеся теоретические представления о развитии технологии сварки и ее применении в современном нефтегазовом машиностроении.

Практическая значимость работы

Результаты диссертационной работы могут быть использованы при создании обобщающих историко-технических трудов, посвященных развитию технологии и технических средств сварки для нефтяного машиностроения.

Материалы диссертационного исследования используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «УГНТУ» при чтении лекций бакалаврам, обучающимся по направлению 15.03.01 Машиностроение, профиль «Оборудование и технология сварочного производства», а также при подготовке магистров по направлению 15.04.01 Машиностроение, профиль «Машины и технология сварочного производства».

Разработанная в диссертационной работе гидравлическая схема ключа, в основе конструкции которого заложено применение технологии сварки трением, используется на предприятии ООО «СалаватГидравлика» при выполнении проектных и опытно-конструкторских работ по разработке гидравлического ключа «ГК-1200» с приводом от аксиально-поршневого регулируемого гидромотора ГСТ-90.

Методология и методы исследования

Теоретические цели и задачи, поставленные в работе, решались путем сбора, систематизации и анализа информации, содержащейся в архивах, научной литературе и патентах российских и зарубежных ученых. Экспериментальные задачи решались при помощи стандартных методов и самостоятельно разработанных методик.

Положения, выносимые на защиту 1. Историко-технический анализ развития технологии сварки с обоснованием фундаментального вклада отечественной научной школы, отдельных российских ученых в эту область науки и техники и определением перспектив использования наиболее энергоэффективных технологий сварки в современном нефтяном машиностроении.

2. Энергоэффективная технология получения комбинированных соединений труба-трубная решетка с использованием сварки трением для серийного производства теплообменных аппаратов нефтегазовой отрасли современной России.

3. Предложения по модернизации гидравлического ключа, используемого для механизации процессов соединения-разъединения бурильных и насосно-компрессорных труб посредством внедрения в его конструкцию аксиально-поршневой гидромашины, улучшающей его технические характеристики (диапазон скоростей, крутящий момент, энергоэффективность) и показатели надежности (посредством исключения сложной схемы двойного гидрораспределителя).

4. Обоснование практической значимости и перспектив использования полученных в диссертации результатов для их внедрения на промышленных предприятиях, производящих оборудование для нефтегазового машиностроения на новом технологическом уровне в условиях импортозамещения.

Степень достоверности и апробация результатов

Степень достоверности исторических сведений подтверждается ссылками на архивные и литературные источники. Достоверность технических результатов, полученных в работе, обеспечена использованием широко апробированных и оригинальных методов и методик экспериментальных исследований, осуществленных на оборудовании, прошедшем государственную поверку.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: X Международная научно-практическая конференция молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники-2017» (г. Уфа, 2017 г.); XXXII Международная научно-техническая конференция «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» «Реактив-2019» (г. Уфа, 2019 г.); XIII Международная научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и

техники-2020» (г. Уфа, 2020 г.); 71-й научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2020 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных трудах, в том числе: 6 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК Минобразования и науки РФ, 2 статьи в рецензируемом журнале, включенном в базы данных Scopus и Web of Science, 4 работы в материалах международных и всероссийских конференций; получен 1 патент РФ на полезную модель и 1 решение о выдаче патента.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, основных выводов, списка использованных источников из 110 наименований, содержит 150 страниц машинописного текста, 77 рисунков, 19 таблиц.

ГЛАВА 1

ИСТОРИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ НАУЧНОЙ МЫСЛИ В ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИЙ СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

1.1 Первые исторические упоминания о технике соединения металлических деталей

История технологий соединения металлов насчитывает несколько тысячелетий. Самые ранние примеры этого известны по источникам бронзового и железного веков в Европе и на Ближнем Востоке. Древнегреческий историк Геродот в «Истории 5-го века до н.э.» утверждает, что Главк Хиосский «был человеком, который в одиночку изобрел сварку железа» [1]. Сварка использовалась при возведении железной колонны в 310 г. н.э. в г. Дели (Индия), вес колонный составлял 5,4 т [2].

В Средневековье были достигнуты успехи в кузнечной сварке, при которой кузнец совершал многократные удары по нагретому металлу до образования соединения. В 1540 г. была издана книга Ванноччо Бирингуччо опубликовал научную работу «Pirotechma», в которой приведены описания операции ковки [3].

Ванноччо Бирингуччо (20.10.1480-30.04.1539) - итальянский алхимик, металлург и архитектор. В своем наиболее известном 10-томном научном труде - «Пиротехния» (ПШвсИта) Бирингуччо подробно рассмотрел все ремесла, связанные с использованием огня - металлургию, горное и литейное дело, пробирный анализ, обработку глины, производство стекла и т. п. В этом многотомном сочинении серьезное внимание уделено описанию технических средств, таких как плавильные печи, воздуходувные меха, механизмы для изготовления пушек и колоколов. Ваноччо Бирингуччо подробно рассмотрел способы добычи драгоценных металлов, проанализировал технологию нанесения покрытий (амальгамирование), предложил метод получения азотной кислоты. В последнем 10-м томе книги приводятся сведения о методах и способах получения

пороха и пиротехнических смесей [4]. Вскоре сочинение ПШвсИта, которую можно назвать научно-технической энциклопедией XVI в., стала широко известна и популярна в Европе и послужила одним из факторов развития научной и технической мысли средневековья.

1.2 Создание первых промышленных технологий сварки в XIX в.

Появление сварки как технологического приема на промышленном уровне стало возможным только после создания научных и практических основ использования электрического потенциала.

В 1802 г. российский ученый В.В. Петров (Рисунок 1) создал непрерывную электрическую дугу [5], для чего сконструировал большую гальваническую батарею:

- электродвижущая сила - около 1700 В;

- состав: 4200 медных и цинковых кружков диаметром 35 мм и толщиной около 2,5 мм, между которыми размещены листы бумаги, пропитанной раствором нашатыря;

- изоляция с помощью сургуча.

На основании исследований свойств этой батареи как источника тока В.В. Петров доказал, что электрический ток возникает за счет химических реакций между металлом и электролитом.

В 1803 г. В.В. Петров опубликовал результаты своих исследований в виде научного труда «Известие о гальвани-вольтовских опытах посредством огромной батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков» (Санкт-Петербург, 1803)». С позиций настоящего времени можно утверждать, что в этой работе обоснована возможность получения стабильного дугового разряда и определены перспективы его использования, например, для выплавки металлов. М.А. Шателен отмечал, что «опыты Петрова можно считать исследованиями, положившими начало современной электрометаллургии в дуговых печах» [6].

Рисунок 1 - Василий Владимирович Петров

Василий Владимирович Петров (8.07.1761 - 22.07.1834) - «русский физик-экспериментатор, электротехник-самоучка, академик Петербургской академии наук (1809 г.). Основоположник отечественной электротехники. Одним из выдающихся успехов ученого стало открытие в 1802 г. явления электрической дуги и доказательство возможности ее практического применения для целей плавки, сварки металлов, восстановления их из руд и освещения» [7].

Следует отметить, что открытие дугового разряда часто приписывают Гемфри Дэви (Рисунок 2). Действительно, уже в 1800 г. он получил короткие импульсные дуги, проводил очень успешные электрохимические эксперименты и не знал об опубликованной В. В. Петровым работе. После 1808 г., используя новую батарею Королевского института, Дэви демонстрировал непрерывные дуговые разряды. Точные даты и обстоятельства ранних демонстраций дуг около 1810 г. все еще являются предметом исследования, но более поздние эксперименты с дугой, такие как те, которые проводились в Лондонском институте 1821 г., хорошо документированы [8].

41 К НиНГИКЕ¥ ил ГУ.

Рисунок 2 - Сэр Хемфри Дэви

Сэр Хемфри Дэви (17.12.1778 - 29.05.1829) - британский химик, агрохимик, физик и геолог, изобретатель, один из основателей электрохимии. Этот выдающийся ученый получил или выделил в чистом виде различные химические элементы (металлы, галогены). Интересным фактом биографии Х. Дэви является его участие в судьбе молодого Майкла Фарадея - именно Х. Дэви оказал М. Фарадею помощь на начальном этапе научной деятельности. С 1820 г. сэр Х. Дэви был главой Лондонского королевского общества и множества других научных организаций. Российская Академия наук избрала Х. Дэви иностранным почетным членом в 1826 г. [9].

Следующий этап в развитии технологии сварки связан с именами российских изобретателей - в 1881-1882 гг. русский изобретатель Н.Н. Бенардос (Рисунок 3) и польский изобретатель С. Ольшевский (1852-1898) создали первый метод электродуговой сварки, который в литературе упоминается как «дуговая

сварка с использованием углеродных электродов», и запатентовали его во Франции в 1885 г. и в США в 1887 г.

Рисунок 3 - Николай Николаевич Бенардос

Николай Николаевич Бенардос (26.06.1842 - 8.09.1905) - русский инженер, изобретатель электрической дуговой сварки (1881), точечной и шовной контактной сварки.

Метод был весьма прост (Рисунок 4). В описании к привилегии сущность его излагалась так: «Предмет изобретения составляет способ соединения и разъединения металлов действием электрического тока... основанный на непосредственном образовании вольтовой дуги между местом обработки металла, составляющим один электрод, и подводимой к этому месту рукояткою, содержащею другой электрод, и соединенной с соответственным полюсом электрического тока. С помощью этого способа могут быть

выполнены следующие работы: соединение частей между собой, разъединение или разрезывание металлов на части, сверление и производство отверстий и полостей и наплавление слоями» [10].

Рисунок 4 - Схема установки электродуговой сварки Н.Н. Бенардоса и С. Ольшевского

Достижения в области дуговой сварки продолжились с изобретением металлических электродов в конце 1800-х гг. русским ученым Н. Г. Славяновым (Рисунок 5) и американским изобретателем Ч. Л. Коффином (Рисунок 6).

Рисунок 5 - Николай Гаврилович Славянов (1854-1897) - русский инженер, изобретатель электрической дуговой сварки металлов

В ноябре 1888 г. Н.Г. Славянов впервые в мире реализовал на практике дуговую сварку металлическим электродом под слоем флюса, Так как электрод при этом плавился, ученый называл свой способ «электрическая отливка металлов». И хотя в привилегии изобретателя дуговой сварки Бенардоса было указано, что в качестве электрода можно использовать «уголь или другое проводящее вещество», на практике до изобретения Н.Г. Славянова применялись только угольные электроды.

ГНЛКЬГС* Ь. (Ч)РК1Х,

ОКТК(НТ. РКДОШККТ WKI.DE!» »ТКВЬ ПЛИ СОШЧШЛТИ»,

Рисунок 6 - Чарльз Л. Коффин

В 1890 г. идею сварки неплавящимся электродом в среде защитного газа выдвинул американский изобретатель Чарльз Л. Коффин, получив на него патент США №419032 (Рисунок 7).

Рисунок 7 - Страница патента Ч. Л. Коффина

1.3 Развитие технологий сварки в начале 20 века

В 1900 г. в Великобритании А. П. Штроменгер разработал металлический электрод с покрытием, который дал более стабильную дугу, чем известные ранее образцы. В 1905 г. русский ученый В.Ф. Миткевич (Рисунок 8) предложил использовать для сварки трехфазную электрическую дугу [11].

Рисунок 8 - Владимир Федорович Миткевич

Владимир Федорович Миткевич (1872-1951) - советский ученый в области электротехники, академик АН СССР (1929), заслуженный деятель науки и техники РСФСР (1938). Выпускник Петербургского университет 1895 г. После окончания университета преподавал в Петербургском горном институте в (1896-1905), в Политехническом институте (Петербург, Петроград, Ленинград, 1902-1938). Принимал участие в разработке плана ГОЭЛРО, возглавлял Особое техническое бюро по военным изобретениям Наркомата обороны СССР (19211937); с 1938работал в Академии науки СССР [12].

В 1919 г. К. Дж. Холслагом была изобретена сварка на переменном токе, но этот способ сварки не был популярным в течение следующего десятилетия [2] .

В 1920 г. была изобретена автоматическая сварка, в которой электродная проволока подавалась непрерывно. На этом этапе экспериментов возникла проблема защиты сварных швов от воздействия атмосферного кислорода и азота, которое приводило к пористости и хрупкости сварного соединения. Для нейтрализации вредного воздействия кислорода и азота ученые разработали технические решения с использованием водорода, аргона и гелия в качестве газовой среды в зоне сварки [2].

Таким образом, российские ученые внесли существенный вклад в развитие научных представлений о методах и способах соединения металлических деталей, что, возможно, в последующие годы стало одним из факторов стремительного развития машиностроительной отрасли молодого советского государства.

1.4 Исторические этапы формирования и развития отечественной научно-технической базы в области технологии сварки трением

Как уже отмечалось [13], к 1920-м гг. российские ученые внесли существенный вклад в развитие научных представлений о методах и способах соединения металлических деталей, и это в последующие годы стало одним из факторов стремительного развития машиностроительной отрасли молодого советского государства.

В 1932 г. советский ученый К. К. Хренов (Рисунок 9) впервые в мире создал и реализовал на практике процессы электродуговой сварки и резки под водой, которые нашли широкое применение при восстановлении мостов и ремонте судов (так называемая сварка «мокрым способом») [14].

Константин Константинович Хренов родился 25 февраля 1894 г. в городе Боровск Калужской губернии. В 1918 г. он окончил Петербургский электротехнический институт (электрохимическое отделение) и в 1921 г. начал преподавать в этом же вузе (Рисунок 10). В период 1928-1947 гг. занимался научно-преподавательской деятельностью в Московском электромеханическом институте инженеров железнодорожного транспорта, с 1933 г. возглавлял кафедру сварки в Московском высшем техническом училище. В 1945 г. Евгений Оскарович Патон пригласил Константина Константиновича работать в Институт электросварки (ИЭС, и в последующие годы вся профессиональная деятельность К. К. Хренова была связана с ведущими научными организациями в области сварки: Институт электросварки АН УССР, Институт строительной механики АН УССР, Институт электротехники АН УССР. За свою долгую плодотворную жизнь доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Академии наук СССР К. К. Хренов создал и реализовал на практике процессы

электродуговой сварки и резки под водой; разработал источники электропитания для дуговой и контактной сварки, керамические флюсы, электродные покрытия, способы холодной сварки давлением, газопрессовая сварка, плазменная резка. Ученый внес существенный вклад в разработку способа сварки чугуна, газопрессовой сварки, дефектоскопии сварных соединений [15]. К. К. Хренов признан одним из организаторов подготовки советских инженеров-сварщиков.

Рисунок 10 - К. К. Хренов (на фото слева) в лаборатории завода «Электрик»,

1925 г.

1.4.1 Организация и развитие отечественного научно-исследовательского учреждения в области сварочных технологий

Новый этап развития технологий сварки связан с созданием в нашей стране научного учреждения, в задачи которого входила организация и проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в этой области. Этот

институт был создан на базе завода «Электрик» в январе 1953 г. (Постановление Совета Министров СССР №91-44 СС от 12 января 1953 г.) и получил название «Всесоюзный научно-исследовательский институт электросварочного оборудования (ВНИИ ЭСО)» Главного управления электроаппаратостроения (Главэлектроаппарата) Министерства электростанций и электропромышленности СССР [16]. Основными задачами института стали: разработка принципиально нового сварочного оборудования, создание и исследование новых прогрессивных методов сварки. Одновременно с проведением научных исследований и опытно-конструкторских работ институт играл активную роль в развитии производственной базы для изготовления электросварочного оборудования.

С созданием этого института ученые получили новые возможности для разработки и внедрения новых технологий, начала стремительно развиваться техническая база для их промышленной реализации.

Учитывая уровень развития промышленности в период 1950-х гг., обусловленный внедрением более технологичного оборудования в машиностроении, переход от серийного производства к массовому, предполагающего полную механизацию процессов, в развитии технологий сварки становится актуальным поиск решений, позволяющих механизировать и автоматизировать процесс, а в последующем осуществлять его программно без непосредственного участия человека; минимизировать процесс подготовки соединяемых элементов и квалификации персонала; исключить термические операции, которые необходимы при применения дуговых способов сварки; повысить экономическую эффективность за счет снижения себестоимости процесса, т.к. термообработка, проводимая после сварки, для крупногабаритных металлоконструкций является дорогостоящей операцией из-за продолжительного времени выдержки, низких скоростей нагрева и охлаждения и высокой стоимости простоя оборудования, в случае, если термическая обработка используется при ремонте.

Одним из таких решений и является сварка трением, которая получила развитие благодаря усилиям сотрудников ВНИИ ЭСО. Особый интерес вызывает

история возникновения первых изобретений в области сварки трением. Так, 28 августа 1956 г. в газете «Труд» было опубликовано письмо токаря Эльбрусского рудника А.И. Чудикова, в котором он писал: «Я разработал способ сварки методом трения. На нашем руднике это новшество нашло широкое распространение. Посланное в Министерство цветной металлургии предложение вернулось с резолюцией - метод не годится».

В советские времена газета «Труд» издавалась миллионными тиражами, ее читали в каждом доме и выписывали на всех предприятиях, поэтому неудивительно, что письмо токаря А. И. Чудикова привлекло внимание начальника отдела научно-технической информации Ю.Я. Терентьева ВНИИ ЭСО, который и выступил инициатором серьезных исследований по этой теме. Уже первые эксперименты, проведенные сотрудниками института В.И. Виллем и Л.А. Штерниным, показали, что такие особенности процесса, как малая энергоемкость, высокие КПД, производительность, качество соединений и относительная простота оборудования предопределяют несомненную рациональность промышленного применения сварки изделий трением, если одна из деталей является телом вращения. Все это и послужило толчком к началу многолетних научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ по этому процессу. Однако А. И. Чудиков первым запатентовал свое изобретение, поэтому его можно считать пионером разработки технологии сварки трением [17].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Яхин Азат Варисович, 2020 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Wilson Herodotus: Histories, Books 1-4 and Herodotus: Histories, Books 5-9.-Oxford: Oxford University Press, 2015.- Pp. 496 and 450.

2. Cary H.B., Helzer S.C. Modern Welding Technology.- New Jersey, Upper Saddle River, Pearson Education. 2005. 715 p.

3. Lincoln Electric. The Procedure Handbook Of Arc Welding.- Lincoln Electric Company, 1994.- 750 p.

4. Волков В. А., Вонский Е. В., Кузнецова Г.И. Выдающиеся химики мира.-М.: Высшая школа, 1991.- 656 с.

5. Лазарев П. П. Исторический очерк развития точных наук в России в продолжение 200 лет // Успехи физических наук.-1999.- Вып.169.-С.1351-1361.

6. Шателен М. А. Русские электротехники второй половины XIX века.- М.-Л.: Изд. и тип. Госэнергоиздата в Москве, 1949.- С. 49.

7. Штейберг Я. А. Василий Владимирович Петров, 1761-1834.- М.: Наука, 1985.- 224 с.

8. Anders A. Tracking down the origin of arc plasma science-II. early continuous discharges // IEEE Transactions on Plasma Science.- 2003.- V.31, №5.-P.1060-1069.

9. Дэви Хэмфри, сэр, баронет // Иностранные члены Российской академии наук. XVIII—XXI в.: Геология и горные науки.- М.: Наука, 2012.- C. 74-77.

10. Огиевецкий А.С., Радуевский Л. Д. Николай Николаевич Бенардос.- М.-Л., 1952.

11. Материалы к библиографии ученых СССР. Сер. технических наук. Электротехника. Владимир Федорович Миткевич.- М.-Л.: АН СССР, 1948.

12. Нейман Л. Р. Академик Владимир Федорович Миткевич, его труды и прогрессивные идеи. К 100-летию со дня рождения // Электричество.-1972.- №8.

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

Яхин А.В., Удалова Е.А., Каретников Д.В., Токарев А.С. Роль российских ученых в разработке первых технологий сварки металлов // История науки и техники.- 2019.- №11.- С.57-62.

Григорьев Н.Д. Константин Константинович Хренов (К 125-летию со дня рождения) // Электричество.- 2019.- №2.- С.67-68.

Хренов Константин Константинович // Большая советская энциклопедия: [в 30 т.] / под ред. А.М. Прохорова.- М.: Советская энциклопедия, 1969. Центральный государственный архив научно-технической документации Санкт-Петербурга (ЦГАНТД СПб), ф. Р-381, оп. 2-1.

А. с. №106270 СССР. Способ сварки встык / Чудиков А. И. // Опубл. 01.01.1957.

Вилль В. И. Исследование процесса сварки металлов трением: Автореф... канд. техн. н.- Киев: Институт электросварки им. Е. О. Патона АН УССР, 1961.- 19 с.

Центральный государственный архив историко-политических документов Санкт-Петербурга (ЦГАИПД СПб), ф. Р-1728, оп. 1-107, д. 853383.

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 2406

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 2839

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 3186

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 3293

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 389.

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 3890

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 3851

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 440.

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 4334

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 4522

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 4797

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 4698

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 4872

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 5175

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 7162

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 7328

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 7737

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 8064

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 85.

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 189.

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 8475

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 9004

ЦГАНТД СПб, ф. Р-381 оп. 2- , д. 8701

Вилль В.И. Сварка металлов трением.- М. : Машиностроение, 1970. - 176 с. Удалова Е. А., Яхин А. В. Исторические этапы формирования и развития отечественной научно-технической базы в области технологии сварки трением // История науки и техники.- 2020.- №5.- С.68-77. Овчинников В.В. Современные виды сварки - М: Издательский дом «Академия», 2016.- 149 с.

Томас К.И. История сварочной техники и технологий.- Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2014. - 213 с. А.с. СССР SU 1 087 289 A1 . Способ сварки трением / Николашин В.С. // Опубл. 23.04.1984. Электронный ресурс

http://www.rucompany.ru/company.php?id_company=1229. Maalekian M. Friction welding - critical assessment of literature // Science and Technology of Welding and Joining.- 2007.- V.12, №8.- Pp.738-759. Яхин А.В., Каретников Д.В., Ризванов Р.Г., Абакачева Е.М., Гареев А.Г., Токарев А.С. Совершенствование технологии изготовления трубных пучков теплообменных аппаратов из стали 12х18н10т с применением сварки трением // Химическое и нефтегазовое машиностроение.- 2018.- №11.- С.14-16. Токарев А. С., Каретников Д.В., Ризванов Р.Г., Муликов Д.Ш. Определение оптимальных геометрических размеров элементов

альтернативной конструкции комбинированных соединений труб с трубными решетками // Нефтегазовое дело.- 2018.- Т. 16, № 1.- С. 92-101.

52. Ризванов P. Г., Муликов Д.Ш., Каретников Д.В., Файрушин А.М., Токарев А. С. Evaluation of the Possibility of Obtaining Tube-to-Tube Sheet Welded Joints of 15Cr5Mo Steel by Alternative Technological Process // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering : 4th International Conference on Advanced Engineering and Technology (4th ICAET), 15-17 December 2017, Shanghai, China.- 2018.- V.317, №2.- P. 012077.

53. Яхин А. В., Каретников Д.В., Ризванов Р.Г., Абуталипова Е.М., Гареев А.Г., Токарев А.С. Improving the technology used in fabrication of tube bundles of heat exchangers produced from 12CR18NI10TI steel by means of friction welding // Chemical and Petroleum Engineering.- 2019.- Vol. 54, № 11-12.- Pр.801-805.

54. Яхин А. В. Исторические предпосылки технологической модернизации предприятий нефтегазового машиностроения на современном этапе // Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии: Материалы XXXII Международной научно-технической конференции «Реактив-2019».- Уфа: изд-во «Реактив», 2019.- С. 127.

55. Яхин А. В., Токарев А. С. Анализ технологического процесса изготовления трубных пучков теплообменных аппаратов из жаропрочных сталей // Материалы X Международной научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники-2017».- Уфа: Изд-во УГНТУ 2017.- С.14-16.

56. Семакина О.К. Машины и аппараты химических, нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств.- Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2016.- 160 с.

57. Владимиров А.И., Пермячкин В.И. Ремонт аппаратуры нефтегазопереработки и нефтехимии.- М.: ГУП Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2001.- 120 с.

58. Кормильцин Г. С. Основы монтажа и ремонта технологического оборудования.- Тамбов: ТГТУ, 2001.- 53 с.

59. Берлинер Ю.И., Балашов Ю.А. Технология химического и нефтяного аппаратостроения.- М.: Машиностроение, 1976.- 256 с.

60. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры.- М.: АльянС, 2008.- 752 с.

61. Вихман Г. Л., Круглов С. А. Основы конструирования аппаратов и машин нефтеперерабатывающих заводов- М.: Машиностроение, 1978.- 327 с.

62. ГОСТ Р 55601-2013. Аппараты теплообменные и аппараты воздушного охлаждения. Крепление труб в трубных решетках. Общие технические требования.- М., 2014.- С. 49.

63. Акулов К. А. М.П.А. Эксплуатация и ремонт аппаратов воздушного охлаждения // Новые технологии-нефтегазовому региону. 2011. С. 45-49.

64. Тарасова Т.В., Белашова И.С., Кузьмин С.Д., Казаков А.В. Лазерная термообработка коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т // Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред. 2013. С. 38-42.

65. Акользин П. А. Коррозия конструкционных материалов ядерных и тепловых энергетических установок.- М.: Энергоиздат, 1982.- 304 с.

66. Ломакина Е.В. Межкристаллитная коррозия аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т // Россия молодая: Сборник материалов VI всероссийской, 59-й научно-практической конференции молодых ученых с международным участием.- Кемерово: Издательство: Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева,- 2014.- С. 264.

67. Кривоносова Е.А., Акулова С.Н., Мышкина А. В. К проблеме коррозионного разрушения сварных швов // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение.- 2017.- Т.19, №3.- С. 114-138.

68. Лавров А.И., Бабкин В.А., Ловырев П.Б., Сысуев С.А., Горбачев С.А. Объемная внепечная термическая обработка в условиях монтажа на строительных объектах нефтехимического комплекса. Термообработка

вакуумной колонны Т-2001 установки ЭЛОУ-АВТ-12 // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса.-2014.- №2. С. 33-37.

69. Петров Г.Л., Буров Н.Г., Абрамович В.Р. Технология и оборудование газопламенной обработки металлов.- Л.: Машиностроение, 1978.- 285 с.

70. Корольков П.М., Ханапетов М.В. Современные методы термической обработки сварных соединений.- М.: Высшая школа, 1986.- 112 с.

71. Тукаев Р.Ф., Файрушин А.М., Кучуков Т.М. Совершенствование технологии изготовления узла «труба-трубная решетка» кожухотрубчатого теплообменного аппарата из жаропрочной стали 15Х5М применением лазерной сварки // Современное машиностроение. Наука и образование.-2013.- №3.- С.1179-1185.

72. Чирков А.М., Князева И.А., Золотоносов Я.Д., Багоутдинова А.Г. Применение лазерной сварки для производства кожухотрубчатых теплообменных аппаратов нового поколения на базе пружинно-витых каналов // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета.- 2013.- №1 (23).

73. Тукаев Р.Ф., Ибрагимов И.Г., Файрушин А.М., Сисанбаев А.В. Сравнительный анализ сварных швов в узле «труба-трубная решетка» кожухотрубчатого теплообменного аппарата из жаропрочной стали 15Х5М полученных различными способами сварки // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело».- 2013.- №5.- С.363-375.

74. Зорина С.А., Тукаев Р.Ф., Исламова А.В., Файрушин А.М. Применение лазерной сварки при изготовлении нефтегазового оборудования // Нефегазовое дело.- 2016, т. 14, № 4.- С. 162-166.

75. Григорьянц А.Г., Грезев А.Н., Грезев Н.В. Лазерная сварка сталей больших толщин с применением мощных оптоволоконных и СО2-лазеров // Инженерный журнал наука и инновации. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение».- 2012.- Т.5.- С.181-189.

76. Ризванов Р.Г., Каретников Д.В., Файрушин А.М., Муликов Д.Ш. О возможности применения сварки трением для изготовления сварных

трубных пучков из стали 15Х5М // Прогресивш технологи i системи машинобудування.- 2014.- №4.- С.168-173.

77. Немтин В.Г., Кареев М.И., Кищенко М.А. Технологическое совершенствование альтернативной конструкции комбинированного соединения «труба-трубная решетка» кожухотрубчатых теплообменных аппаратов // Научные проблемы материально-технического обеспечения Вооруженных Сил Российской Федерации.- 2019.- №4.- С.205-212.

78. Яхин А.В., Удалова Е. А. Перспективы использования сварки трением в нефтяном машиностроении // Материалы XIII Международной научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники-2020». Т.2.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2020.- С. 257-258.

79. Патент РФ №2524468, МПК51 В 23 К 20/12, В 23 К 31/02. Способ соединения узла «труба-трубная решетка» сваркой трением / Каретников Д.В., Ризванов Р.Г., Муликов Д.Ш., Баландина А.Г., Файрушин А.М.; заявитель и патентообладатель Уфа.УГНТУ. - 2012149757/02; заявл. 21.11.2012 // Опубл. 27.07.2014.- Бюл. № 21.- 6 с.

80. Муликов Д.Ш., Каретников Д.В., Ризванов Р.Г., Файрушин А.М. Модернизация конструкции узла крепления труб к трубным решеткам кожухотрубчатых теплообменных аппаратов из стали 15Х5М // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело».- 2015.- №5.- С.398-410.

81. Муликов Д.Ш., Ризванов Р.Г., Каретников Д.В., Файрушин А.М. Оценка возможности применения сварки трением для изготовления теплообменного оборудования из стали 15Х5М // Сварочное производство.- 2016.- №3.- С.47-51.

82. Николаев Г. Сварка в машиностроении. Т. 1 / под ред. Н. А. Ольшанского.-М.: Машиностроение, 1978.- 501 с.

83. Гринберг Б.А., Иванов М.А., Рыбин В.В., Иноземцев А.В., Антонова О.В., Елкина О.А., и др. Неоднородности поверхности раздела при сварке взрывом // Физика металлов и металловедение.- 2012.- Т.113, №2.- С.187.

84. Сварка взрывом [Электронный ресурс] // Сайт ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей». URL: http://www.crism-prometey.ru/science/welding/explosion-welding.aspx (дата обращения: 10.03.2020).

85. Ткаченко Г.П., Бриф В.М. Изготовление и ремонт кожухотрубчатой теплообменной аппаратуры.- М.: Машиностроение, 1980.- 160 с.

86. Токарев А.С., Каретников Д.В., Ризванов Р.Г., Муликов Д.Ш. Определение оптимальных геометрических размеров элементов альтернативной конструкции комбинированных соединений труб с трубными решетками // Нефтегазовое дело.- 2018.- Т.16, №1.- С.92-101.

87. Лукьянов В.А., Петрусенко Е.В. Гидравлические испытания сосудов, работающих под давлением.- М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004.- 16 с.

88. Батраев Г. А. Новый механизм закрепления труб в трубных решетках // Химическое и нефтегазовое машиностроение.- 1998.- № 9-10.- С.64-88.

89. Драгунов Ю.Г., Зубченко А.С., Колосков М.М. Марочник сталей и сплавов..- М.: Машиностроение, 2003.- 784 с.

90. Вилль В.И. Сварка металлов трением.- Л.-М.: Машиностроение, 1970.176 с.

91. Yakhin A.V., Karetnikov D.V., Cherepashkin S.E., Rizvanov R.G. Evaluation of the properties of alternative construction combined tube joints from heat exchanger tube grids made of steel 2Cr18Ni10Ti // Chemical and Petroleum Engineering.- 2019.- Т.55, №7-8.- С.681-686.

92. Пояркова Е.В., Яхин А.В. Влияние высокотемпературного нагрева на структуру поверхностных окислов нержавеющей стали // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки.-2016.- Т.21, №3.- С.1267-1270.

93. Патент на полезную модель RU №193803 U1 . Устройство для сварки трением комбинированных соединений трубы с трубной решеткой теплообменных аппаратов / Яхин А.В, Токарев А.С., Каретников Д.В.,Ризванов Р.Г. // Опубл. 23.07.2019, Бюл. №32.

94. Медовников Д.С., Виньков А.В., Имамутдинов Э.М., Механик А.Г., Розмирович С.Д. Технологическая модернизация промышленности России: отраслевой анализ / Модернизация России: условия, предпосылки, шансы. Сборник статей и материалов. Вып. 1 / Под редакцией Иноземцева В.- Л.-М., 2009.- С. 164.

95. Яхин А. В., Удалова Е. А. Успехи в области использования сварки трением для производства нефтяного оборудования на предприятиях Республики Башкортостан // Материалы 71-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ. Т.2.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2020.- С.225.

96. Немтин В.Г., Кареев М.И., Кищенко М.А. Технологическое совершенствование альтернативной конструкции комбинированного соединения «труба-трубная решетка» кожухотрубчатых теплообменных аппаратов // Научные проблемы материально-технического обеспечения Вооруженных Сил Российской Федерации.- 2019.- №4.- С.205-212.

97. Муликов Д.Ш., Яхин А.В., Каретников Д.В., Абуталипова Е.М., Токарев А.С. Проблемы и пути совершенствования технологического процесса получения комбинированных соединений труб с трубными решетками кожухотрубчатых теплообменных аппаратов // Нефтегазовое дело. 2017. Т. 15, № 2. С. 134-140.

98. Башта Т.М., Зайченко И.З. Объемные гидравлические приводы.- М.: Машиностроение, 1968.- 628 с.

99. Васильев Б.А., Грецов Н.А. Гидравлические машины.- М.: Агропромиздат, 1988.- 272 с.

100. Прокофьев В.Н. Аксиально-поршневой регулируемый гидропривод.- М.: Машиностроение, 1968.- 495 с.

101. Храмов Ю. А. Герон Александрийский (Негопш А1ехапёгтш) / В кн. Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера.- М.: Наука, 1983.- С.81.

102. Лучкин И.Н. История развития гидравлического привода // Материалы IX Всерос. конф. «Молодежь и наука».- Красноярск: Сибирский Федеральный университет, 2013.- Р.4.

103. А.с. СССР №113658. Подвесной механический роликовый ключ для свинчивания и развенчивания трубных соединений / Черненко С.А., Хацернов Б.И., Силин В.А. // Опубл. 29.02.1956.

104. А.с. СССР №135439. Подвесной механический роликовый ключ / Силин В.А., Лобанов Н.Д., Хацернов Б .И. // Б.И.- 1961.- №3.

105. А.с. №832041. Устройство для свинчивания и развинчивания труб / Егоров Э.К., Пономарев Г.В. // Б.И.- 1981.- №19.

106. Патент на полезную модель №39638 РФ. Гидравлический ключ для свинчивания и развинчивания труб / Абдрахманов А.Ш., Фархутдинов И.Р. // Опубл. 10.08.2004.

107. Юшин Е. С. Техническое развитие отечественных и зарубежных конструкций ключей для работы с нефтегазопромысловыми трубами и насосными штангами // «Ресурсы Европейского Севера. Технологии и экономика освоения».- 2017.- №4 (10).- С.12-35.

108. Яхин А.В., Удалова Е.А., Каретников Д.В., Попова Е.В.Исторические предпосылки зарождения и развития гидравлического ключа, как важнейшего узла нефтяного технологического оборудования // История науки и техники.- 2020.- №4.- С. 40-44.

109. Патент на полезную модель №39638 РФ. Гидравлический ключ для свинчивания и развинчивания труб / Абдрахманов А.Ш., Фархутдинов И.Р. // Опубл. 10.08.2004.

110. Гидравлический ключ для свинчивания и развинчивания труб / Яхин А. В., Токарев А. С., Каретников Д. В., Удалова Е. А. // Решение о выдаче патента на полезную модель РФ от 28.04.2020, заявка №2020110473/03(017631), дата подачи 11.03.2020.

Приложение А

Патент

Ш Й

О

Ш $

м

№С€ШЙ€ШШ ФВДШЯРМРШ

ЙЖЖЖЖ^

НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

№ 193803 ^шйв

Устройство для сварки трением комбинированных соединений трубы с трубной решёткой теплообменных

аппаратов

Патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" (ЯЦ)

Авторы: ЯхинАзат Борисович (IIV), Токарев Андрей Сергеевич (И1), Каретников Денис Владимирович (КС), Ризванов Риф Гарифович (К и)

Заявка № 2019124068

Приоритет полезной модели 23 ИЮЛЯ 2019 г. Дата государственной регистрации в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 15 ноября 2019 Г. Срок действия исключительного права на полезную модель истекает 23 июля 2029 Г.

Руководитель Федеральной службы по интелпекпгуаяънду собственности

Г. П. Ивлиев

Ж кЕ

т ш ш ж ж к т

Решение о выдаче патента на полезную модель

Приложение Б

Справки о внедрении