Совершенствование технологии изготовления узла "труба - трубная решетка" кожухотрубчатого теплообменного аппарата из жаропрочной стали 15Х5М тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Ямилев, Марат Замирович

• Ямилев, Марат Замирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ямилев, Марат Замирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СБОРКИ УЗЛА «ТРУБА - ТРУБНАЯ РЕШЕТКА» КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА.

1.1 Существующие способы закрепления труб в трубной решетке.

1.1.1 Развальцовка.

1.1.2 Сварка.

1.1.3 Пайка твердым припоем.

1.1.4 Комбинированные соединения.

1.2 Технология изготовления сварного узла «труба — трубная решетка» кожухотрубчатого теплообменного аппарат.

1.2.1 Особенности изготовления узла

1.3 Особенность технологии изготовления сварного узла «труба - трубная решетка» из хромомолибденовых теплоустойчивых и жаропрочных сталей.

1.4 Выводы.

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СВАРНОГО УЗЛА «ТРУБА - ТРУБНАЯ РЕШЕТКА» ВЫПОЛНЕННОГО РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ СВАРКИ.

2.1 Исследование напряженно-деформированного состояния сварного узла «труба - трубная решетка» в процессе изготовления.

2.2 Исследование влияние формы сварного шва на прочность соединения «труба — трубная решетка».

2.3 Исследование влияния способа сварки на прогиб трубной решетки.

2.4 Выводы.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ТРУБА - ТРУБНАЯ РЕШЕТКА, ВЫПОЛНЕННОГО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ.

3.1 Планирование эксперимента.

3.2 Определение уровня остаточных напряжений в сварных соединениях.

3.3 Исследование влияния различных видов получения сварного соединения на микроструктуру металла шва и околошовной зоны.

3.4 Исследование прочности сварных соединений, полученных с использованием различных способов сварки и обработки.

3.4.1 Испытание сварного соединения на статическое растяжение

3.4.2 Измерение твердости металла различных участков сварного соединения образцов из стали 09Г2С.

3.4.3 Измерение микротвердости металла различных участков сварного соединения образцов из стали

15Х5М.

3.5 Выводы.

ГЛАВА 4 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНОГО

УЗЛА «ТРУБА - ТРУБНАЯ РЕШЕТКА» ТРУБНОГО ПУЧКА

КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННОГО

АППАРАТА.ИЗ ЖАРОПРОЧНОЙ СТАЛИ 15Х5М.

4.1 Разработка технологии сварки узла «труба - трубная решетка»

4.2 Усовершенствованный технологический процесс 84 изготовления сварного узла «труба - трубная решетка».

4.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии изготовления узла "труба - трубная решетка" кожухотрубчатого теплообменного аппарата из жаропрочной стали 15Х5М»

Важнейшим направлением экономического развития страны является экономное использование материальных, энергетических и трудовых ресурсов. Одним из перспективных направлений в экономии материальных и энергетических ресурсов является повышение эффективности сборки заготовок и деталей- машин и агрегатов в процессе их изготовления, создание менее энергоемких технологических процессов за счет широкого- применения различных методов обработки металлов.

Анализ природы и механизма возникновения остаточных напряжений в сварных соединениях оборудования нефтепереработки и методов снятия этих напряжений говорит о том, что остаточные напряжения могут достигать значительных величин и оказывать существенное влияние на технологическую прочность в процессе изготовлениям на работоспособность конструкций. [2]

Среди всех имеющихся способов изготовления* сварного узла «труба -трубная решетка» трубного пучка кожухотрубчатых теплообменных аппаратов наибольшее распространение получили способы-присоединения труб к трубной решетке с применением дуговой сварки.

Сварка.распространенных конструкционных сталей (09Г2С, 10Г2С1, 14Г2 и др.), имеющих предел текучести не более 390' МПа, не представляет затруднений с точки, зрения выполнения процесса, однако возникающий в процессе сварки прогиб затрудняет сборку теплообменных аппаратов. Прогиб происходит в основном по двум причинам: за счет остаточных напряжений, вызванных приваркой труб к трубным решеткам, и за счет остаточных напряжений, вызванных развальцовкой. Также на жесткость трубной решетки могут повлиять сварочные напряжения, возникающие при приварке трубной решетки к корпусу.

Значительно повышается трудоемкость изготовления сварных трубных пучков из теплоустойчивых и жаропрочных хромомолибденовых сталей (12МХ, 15Х5М)[5]. Для исключения образования холодных трещин процесс сварки проходит с предварительным и сопутствующим подогревом свариваемых поверхностей (для стали 12МХ температура подогрева составляет от 200°С до 250°С, для стали 15Х5М - от 300 до 350°С) и последующей высокотемпературной термообработкой (для стали 12МХ при температуре от 670°С до 710°С, для стали 15Х5М - от 740 до 760°С), что естественно повышает трудоемкость процесса сварки и увеличивает время, затрачиваемое на изготовление оборудования. Такая сложность процесса изготовления, а иногда невозможность привела к отказу большинства заводов изготовителей от изготовления теплообменного оборудования из данного вида сталей.

Сварка трубных пучков из нержавеющих хромоникелевых сталей (12Х18Н10Т) также не представляет затруднений. Но в связи с высокой стоимостью материала и его прочностных характеристик толщину трубной решетки изготавливают по минимальным расчетным значениям, что приводит в процессе обварки трубок к значительным прогибам трубной решетки.

Большое количество конструктивно-технологических решений по сварке труб' с трубными решетками в теплообменных аппаратах поставило эту проблему в число дискуссионных. Появившиеся, особенно'в последние годы многочисленные работы дают в основном частные решения, которые не всегда могут быть успешно применимы. [9,15,].

Учитывая острейшую необходимость, экономии металла и энергоресурсов, создания более чистых экологических процессов, уменьшения трудоемкости изготовления сварного теплообменного оборудования- применяемого в нефтепереработке, целью настоящей работы является совершенствование технологии изготовления сварного узла «труба — трубная решетка» трубного пучка кожухотрубчатого теплообменного аппарата.

Поставленная цель достигается проведением комплекса теоретических и экспериментальных исследований и разработок, которые формируют следующие задачи исследований:

- установка характера распределения остаточных напряжений и деформаций, возникающих в процессе сварки соединения «труба - трубная решетка», с целью оценки их влияния на технологичность получаемого сварного соединения в зависимости от вида электрической сварки (дуговой, контактной);

- исследование влияния различных технологических решений сварки на величину остаточных напряжений в сварных швах, а также на изменение механических свойств и структуры в зонах сварных соединений;

- разработка практических рекомендаций для совершенствования технологии изготовления сварного узла «труба — трубная решетка» из жаропрочной стали 15Х5М.

Проведенные и описанные в данной работе теоретические и экспериментальные исследования выполнены на кафедре "Технология нефтяного аппаратостроения", в связи с этим автор выражает благодарность за содействие в проведении исследований заведующему кафедрой профессору И.Г. Ибрагимову и научному руководителю д.т.н. O.A. Макаренко, а также признателен к.т.н. A.M. Файрушину и О.В. Четвертковой за постоянную помощь в работе.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Ямилев, Марат Замирович

5 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1 Моделирование сварного соединение с применением метода конечных элементов показало, что использование контактной сварки при изготовлении узла «труба — трубная решетка» позволяет снизить остаточные напряжения в зоне термического влияния, а также снизить сварочные перемещения (прогиб трубной решетки) на 22% по сравнению с дуговой сваркой.

2 Экспериментально исследовано влияние вида сварки и обработки в процессе сварки на величину остаточных напряжений в зоне сварного шва. Как показывают результаты измерений, контактная сварка позволяет снизить уровень остаточных сварочных напряжений в металле сварного шва в среднем на 10.25% по сравнению с дуговой сваркой. Сопутствующая ультразвуковая обработка также способствует снижению уровня остаточных напряжений.

3'Результаты микроструктурпого анализа сварного соединения из стали-. • 09Г2С показывают, что сварной шов имеет аналогичную структуру как при дуговой, так и при контактной сварке. Анализ микроструктуры в зоне термического влияния показывает, что при контактной сварке имеет место снижение размера зерна, что объясняется снижением тепловоложения в процессе сварки.

4 Результаты микроструктурного анализа и дальнейших расчетов образцов из стали 15Х5М показывают, что при контактной сварке наблюдается снижение размера и площади зерна. Средний размер зерна в. сварном шве снижается на 20%, в зоне термического влияния на 14%; средняя площадь зерна при контактной сварке в сварном шве снижается на 34%, в зоне термического влияния - на 19%. В образцах, полученных контактной сваркой с сопутствующей ультразвуковой обработкой также наблюдается снижение размера зерна и площади зерна по сравнению с дуговой сваркой.

4 Исследования показали, что твердость в сварном шве и зоне термического влияния ниже, чем при дуговой сварке. При замене дуговой сварки на контактную ширина твердого участка сварного соединения уменьшилась на 25%, что можно объяснить меньшим количеством тепла вводимого в зону сварного соединения при контактной сварке.

5 Результаты испытания на прочность сварного соединения показывают, что слабым участком соединения является сварной шов, при этом прочность соединения при переходе на контактную сварку незначительно снижается, при применении стали 09Г2С на 4%, при использовании стали 15Х5М на 5%. Ультразвуковая обработка на прочность металла сварного шва не влияет. В соответствии с данными результатами целесообразно при переходе на контактную сварку соответственно увеличить ширину шва.

6 Разработана конструкция устройства и технология контактной сварки, которая даёт возможность получать сварные соединения с уменьшенным уровнем остаточных сварочных напряжений и деформаций.

7 Предложен усовершенствованный технологический процесс изготовления сварных трубных пучков из стали 15Х5М, позволяющий повысить производительность сборочно-сварочных работ, путем перехода от предварительной термообработки в процессе дуговой сварки, к применению контактной сварки либо контактной сварки с сопутствующей ультразвуковой обработкой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ямилев, Марат Замирович, 2011 год

1. Абрамов В.В. Остаточные напряжения и деформации в металлах. Расчёты методом расчленения тела. М.: Машгиз, 1963. — 352 с.

2. Абрамов О.В. Кристаллизация металла в ультрозвуковом поле. — М.: Металлургия, 1972. 256 с.

3. Ачинович H.H., Клыков H.A. Влияние остаточных' напряжений на выносливость сварных соединений стали повышенной прочности // Автоматическая сварка. 1973. - № 11.- С.6-8.

4. Бакиев A.B., Халимов А.Г., Зайнуллин P.C. Исследование свариваемости жаропрочных малоуглеродистых сталей типа 15Х5М // Нефть и газ, 1978.-№4.-с. 81-84.

5. Бакиев A.B., Халимов А.Г., Зайнуллин Р.С, Афанасенко Е.А. Пути повышения качества и надежности нефтехимического оборудования из хромомолибденовых сталей: Обзорная информация. Сер. ХМ-9. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1987. - 32 с.

6. Бакши O.A., Зайнуллин P.C. О снятии сварочных напряжений в сварных соединениях с механической неоднородностью приложением внешней нагрузки // Сварочное производство. 1973. - № 7. - С. 10-11.

7. Бакши O.A., Клыков H.A., Решетов А.Л. Влияние остаточных напряжений на выносливость сварных соединений с мягкой прослойкой при изгибе с кручением // Автоматическая сварка. 1978. - № 1. - С.31-33.

8. Батраев Г. А., Гречников Ф. В., Козий С. С. и др. Новый механизм закрепления труб в трубных решетках. Химическое и нефтегазовое машиностроение. № 9-10,1998, с. 64-66.

9. ЮБерлинер Ю.И., Балашов Ю.А. Технология химического и нефтяного аппаратостроения. М.: Машиностроение, 1976. — 256 с.

10. Зайнуллин P.C. Ресурсосберегающие технологии в нефтехимическом аппаратостроении // Под редакцией академика АН РБ А.Г. Гумерова. Уфа.: ТРАНСТЭК, 2000. - 348 с.

11. Зайнуллин P.C., Халимов А.Г. Работоспособность механически-неоднородных сварных соединений: Учебное пособие. Уфа: изд-во УНИ, 1989.-55 с.

12. Земзин В.Н. Сварные соединения разнородных сталей. — М.: Машиностроение, 1966. 232 с.

13. Игнатьева B.C., Кулахмеп>ев P.P., Ларионова В.В. Влияние остаточных напряжений на развитие усталостной трещины в области сварного стыкового шва// Автоматическая сварка. 1985. - № 1. - С. 1-4.

14. Ильюшин А. А., Ленский В. С. Сопротивление материалов. М.: Физматгиз, 1959. 371 с.

15. Казимиров A.A., Недосека А.Я., Лобанов А.И. Аналитическое описание процесса образования продольных сварочных деформаций и напряжений // Автоматическая сварка. 1969. - № 2. - С.39-44.

16. Казимиров A.A., Моргун В.П., Хоменко В.Ф. Механизм уменьшения остаточных напряжений при импульсной обработке сварных соединений // Автоматическая сварка. 1974. - № 7. - С.39-43.

17. Карпенко A.C., Чертов И.М., Бабенко А.Е. Остаточные деформации цилиндрической обечайки при сварке продольных швов // Автоматическая сварка. 1985. - № 8. - С. 49-52.

18. Кириличев В.А., Земзин В.Н., Пегров Г.Л. Влияние никеля в аустенитных швах на миграцию углерода в сварных соединениях разнородных сталей // Автоматическая сварка. — 1969. №5. - С. 9-12.

19. Опара B.C., Юрченко Е.С., Демиденко Л.Ю. Электрогидро-импульсная обработка многошовных сварных узлов // Автоматическая сварка. 1990. - № 6. - С.9-10.

20. Сагалевич В.М. Методы устранения сварочных деформаций и напряжений. М.: Машиностроение, 1974. - 248 с.

21. Сагалевич В.М., Янченко Ю.А. Установка для обкатки сварных швов и околошовной зоны с наложением ультразвуковых колебаний. М.: НИИинформтяжмаш: Технология, организация и механизация сварочного производства. Серия 10-75-7.1975. С 21-24.

22. Сергеев Н.П. Справочник молодого сварщика. — М.: Высшая школа, 1984.-159 с.

23. Скорняков JI.M., Киселев С.Н., Воронин H.H. Температурные поля при сварке кольцевых швов на цилиндрических оболочках // Автоматическая сварка. 1976. - № 5. - С. 12-15.

24. Смирнов Аляев Г.А., Розенберг В. М. Технологический задачи пластичности. Л.: Лениздат, 1951. 215 с.

25. Смирнов Аляев Г.А., Чикидовский В. П. Экспериментальные исследования в обработке металлов давлением. Л.: Машиностроение, 1972. 370 с.

26. Снижение остаточных сварочных напряжений ультразвуковой обработкой' / И.Г. Полоцкий, А .Я. Недосека, Г. И. Прокопенко и др. // Автоматическая сварка. 1974. - № 4. - С.74-75.

27. Сорокин A.B., Манохин Ю.И. Влияние остаточных напряжений на размерную стабильность сварных тонкостенных оболочек из малоуглеродистых сталей / Редкол. Журн. «Автоматическая сварка». Киев, 1991. - 10 с. - Деп. в ВИНИТИ 28.08.90, №3531 - В91.

28. Стеклов О.И. Стойкость материалов и конструкций к коррозии под напряжением. -М.: Машиностроение, 1990. — 384 с.

29. Стеклов О.И., Акулов А.И. О влиянии остаточных напряжений и вида напряженного состояния на коррозионное растрескивание сварных соединений // Автоматическая сварка. 1965. - № 2. - С.38-43.

30. Стеклов О.И. Основы сварочного дела. М.: Высшая школа, 1986. - 224 с.

31. Талыпов Г.Б. Сварочные деформации и напряжения. Л.: Машиностроение, 1973.-280 с.

32. Ткаченко Г. П., Бриф В. М. Изготовление и ремонт кожухотрубча-той тегаюобменной аппаратуры. М.: Машиностроение, 1980т 160 с.

33. Труфяков В.И. О роли остаточных напряжений в понижении выносливости сварных соединений // Автоматическая сварка. 1956. - № 5. - С.90-103.

34. Труфяков В.И., Кудрявцев Ю.Ф. К расчетной оценке влияния внешнего нагружения на релаксацию остаточных сварочных напряжений // Автоматическая сварка. — 1988. № 1. — С. 7-9.

35. Труфяков В.И., Кудрявцев Ю.Ф., Михеев П.П. О влиянии остаточных напряжений на сопротивление усталости сварных соединений // Автоматическая сварка. 1988. - № 2. - С.1-4.

36. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Часть 2. Механические испытания. Конструкционная прочность. М.: Машиностроение, 1974. - 368 с.

37. Халимов А.Г. Исследование свариваемости и разработка технологии сварки нефтеаппаратуры из малоуглеродистых хромистых закаливающихсясталей: Дис. Кандидата технических наук. — Москва, 1980. 278 с.

38. Халимов А.Г., Бакиев A.B., Зайнуллин P.C. Работоспособность сварных соединений из стали 15Х5М. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1991.-84 с.

39. Халимов А.Г., Бакиев A.B., Зайнуллин Р.С, Кукин А.Г. , Таюрский Ю.А. К вопросу о технологии сварки стали 15Х5М аустенитными электродами // Вопросы сварочного производства / Тр. ЧПИ. Челябинск, 1978. - № 203. -с.77-82.

40. Химченко Н.В., Бобров В.А. Неразрушающий контроль в химическом и нефтяном машиностроении. М.: Машиностроение, 1978. — 264 с.

41. Чертов И.М. Применение разжимных подкладных колец для снижения остаточных напряжений при сварке кольцевых швов // Автоматическая сварка. 1984. - № 12. - С.40-42.

42. Чулошников П.Л. — Контактная сварка. В помощь рабочему-сварщику. М.: Машиностроение, 1977. -144 с.

43. Эффективность методов снижения остаточных сварочных напряжений. / А.Я. Недосека, A.A. Грузд, О.И. Зубченко, С.Б. Ищенко // Автоматическая сварка. 1974. - №3. - С. 66-69.

44. ГОСТ Р 52857.7-2007 Национальный стандарт РФ. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Теплообменные аппараты.