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 деталеймашин и агрегатов в процессе их изготовления, создание менее энергоемких технологических процессов за счет широкогоприменения 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 «трубатрубная 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 °C до 250 °C, для стали 15Х5М — от 300 до 350°С) и последующей высокотемпературной термообработкой (для стали 12МХ при температуре от 670 °C до 710 °C, 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 оборудованияприменяемого 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.

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.