РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ТЕПЛООБМЕННЫХ ТРУБ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ
|
Актуальность работы
Одним из основных требований Федеральной целевой программы развития атомного энергопромышленного комплекса России является обеспечение гарантированной безопасности АЭС и повышения срока службы энергоблоков с 30 до 60 лет и более. Достижение поставленных целей требует решения важных технических задач, связанных с повышением надежности и увеличением ресурса работы оборудования АЭС.
В рамках Программы развития «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и перспективу до 2015 года» Россия планирует увеличить долю атомной энергетики в народнохозяйственном комплексе государства почти в 2,5 раза за счет ввода до 2030 года почти 40 новых блоков. До 2020 года в Российской Федерации построят четыре новые атомные электростанции.
Повышение требований к проектным срокам службы энергоблоков определяет возросшие требования к надежности и качеству оборудования АЭС, важнейшим элементом которого является парогенератор (ПГ). Одним из основных факторов, определяющих техническое состояние и срок службы парогенератора АЭС, является состояние теплообменных труб (ТОТ). Выход теплообменных труб из строя в процессе эксплуатации приводит к длительной остановке всего агрегата и к значительным экономическим убыткам.
В процессе эксплуатации парогенератора имеет место зарождение и после-дующий рост коррозионных дефектов ТОТ, основными видами которых являются коррозионное растрескивание (КР), питтинговая и межкристаллитная коррозия (МКК). Развитие коррозионных трещин ТОТ происходит при совместном действии коррозионной среды, а также рабочих и технологических остаточных напряжений в металле. Поэтому снижение технологических растягивающих остаточных напряжений в теплообменных трубах является актуальной проблемой.
Работа выполнена в рамках исследований, включенных в следующие научные программы и контракты:
- программа УрФУ «Целевая аспирантура Уральского федерального университета» (по договору № 27 от 01.10.2012 г.);
- НИР № 2368/011 от 20 января 2011 г. «Выполнение комплекса работ по созданию научно-технических предпосылок и технической базы для разработки технологии изготовления теплообменных труб парогенераторов проекта АЭС- 2006 из стали 08Х18Н10Т с повышенным уровнем коррозионной стойкости и нормированием уровня остаточных напряжений»;
- НИР № Н97742Б012/12 от 22 ноября 2011 г. «Развитие физики и механики обработки металлов давлением с целью разработки инновационных процессов и технологий производства металлургической продукции транспортного назначения, для нефтедобычи и энергомашиностроения» по этапу 2 «Исследование уровня остаточных напряжений и коррозионной стойкости труб и проволоки из аустенитных нержавеющих сталей»;
- программа поддержки молодых ученых УрФУ в рамках реализации про-граммы развития УрФУ на 2010 - 2020 годы (по договорам № 1.2.1.5./45 от 01.07.2012 г. и № 1.2.1.5./70 от 27.05.2013 г).
Цель и задачи исследований
Целью диссертационной работы является создание технологии финишной обработки теплообменных труб, обеспечивающей снижение в них растягивающих или формирование сжимающих остаточных напряжений. Для достижения постав-ленной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Проанализировать литературные данные о дефектах, возникающих при эксплуатации теплообменных труб парогенераторов, и определить направление совершенствования технологии их производства;
2. Предложить способ финишной правки труб с одновременным нагревом, с целью уменьшения в них растягивающих или формирования сжимающих остаточных напряжений;
3. Разработать конструкцию установки для правки труб растяжением с одно-временным нагревом;
4. Подготовить научно-обоснованные рекомендации по промышленному ис-пользованию предложенного способа;
5. Разработать методику, позволяющую простыми аппаратными средствами и не сложными расчетными операциями определять остаточные напряжения в трубах.
Научная новизна полученных результатов
В работе получены и выносятся на защиту следующие результаты, отличающиеся научной новизной:
- алгоритм расчета распределения остаточных напряжений по стенке трубы на основе «энергетического подхода»;
- способ финишной правки труб с одновременным нагревом;
- результаты исследования закономерностей формирования остаточных напряжений при электроконтактном нагреве труб с одновременным растяжением ;
- результаты сравнительного анализа кривизны труб а также остаточных напряжений в трубах, изготовленных по применяемой и предложенной технологиям.
Теоретическая значимость работы заключается в результатах экспериментальных исследований остаточных напряжений в трубах, которые расширяют знания о влиянии параметров нагрева и растяжения на остаточные напряжения в стенке труб. Предложена и опробована экспериментально-аналитическая методика расчета распределения остаточных напряжений в стенке трубы.
Практическую значимость работы представляют следующие результаты диссертации:
- рекомендации по применению способа правки труб растяжением с одновременным нагревом.
- апробация способа правки труб растяжением с одновременным нагревом;
- сравнительный анализ качества труб, изготовленных применяемым и предлагаемым способами;
- конструкция промышленной установки правки труб растяжением с одновременным нагревом;
- техническое задание на проектирование промышленной установки правки труб растяжением с одновременным нагревом.
- экспериментально-аналитическая методика определения остаточных напряжений в трубах;
- конструкция установки для определения остаточных напряжений в трубах методом электролитического травления;
- результаты измерений по новой методике остаточных напряжений в трубах, изготовленных по применяемой технологии.
Достоверность полученных научных результатов и выводов диссертации обоснована использованием статистических методов обработки опытных данных, применением основных положений механики деформируемого тела, теорий пластичности и упругости. Достоверность полученных результатов подтверждается схожестью расчетных данных с результатами проведенных промышленных и лабораторных экспериментов, а также их соответствием данным опубликованным в работах других авторов. Научные положения и практические выводы работы подтверждены в процессе апробации нового способа получения труб с низким уровнем остаточных напряжений.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
- XVIII международная промышленная выставка «Металл-ЭКСПО-2012» (Москва, 2012);
- XIV международной научной конференции «New technologies and achievements in metallurgy, material engineering and production engineering» (Польша, Ченстохова, 2013);
- VI международная молодежная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении» (Уральская научно-педагогическая школа имени профессора А.Ф.Головина, Екатеринбург, 2013);
- VII международная молодежная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении», посвященная памяти чл.-корр. РАН, почетного доктора УрФУ В.Л. Колмогорова (Екатеринбург, 2013);
- XII международная научно-техническая уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2011);
- Региональная научно-практическая конференция «Молодежь и наука» (Нижний Тагил, 2011);
- I Международная интерактивная научно-практическая конференция «Инновации в материаловедении и металлургии». (Екатеринбург, 2012).
Публикации
Результаты диссертационной работы отражены в 6 печатных трудах и тезисах докладов, 2 из них - из перечня изданий, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из 4 глав, 3 приложений и списка литературных источников в составе 110 наименований, содержит 178 страниц машинописного текста, включая 48 рисунков и 12 таблиц.
Одним из основных требований Федеральной целевой программы развития атомного энергопромышленного комплекса России является обеспечение гарантированной безопасности АЭС и повышения срока службы энергоблоков с 30 до 60 лет и более. Достижение поставленных целей требует решения важных технических задач, связанных с повышением надежности и увеличением ресурса работы оборудования АЭС.
В рамках Программы развития «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и перспективу до 2015 года» Россия планирует увеличить долю атомной энергетики в народнохозяйственном комплексе государства почти в 2,5 раза за счет ввода до 2030 года почти 40 новых блоков. До 2020 года в Российской Федерации построят четыре новые атомные электростанции.
Повышение требований к проектным срокам службы энергоблоков определяет возросшие требования к надежности и качеству оборудования АЭС, важнейшим элементом которого является парогенератор (ПГ). Одним из основных факторов, определяющих техническое состояние и срок службы парогенератора АЭС, является состояние теплообменных труб (ТОТ). Выход теплообменных труб из строя в процессе эксплуатации приводит к длительной остановке всего агрегата и к значительным экономическим убыткам.
В процессе эксплуатации парогенератора имеет место зарождение и после-дующий рост коррозионных дефектов ТОТ, основными видами которых являются коррозионное растрескивание (КР), питтинговая и межкристаллитная коррозия (МКК). Развитие коррозионных трещин ТОТ происходит при совместном действии коррозионной среды, а также рабочих и технологических остаточных напряжений в металле. Поэтому снижение технологических растягивающих остаточных напряжений в теплообменных трубах является актуальной проблемой.
Работа выполнена в рамках исследований, включенных в следующие научные программы и контракты:
- программа УрФУ «Целевая аспирантура Уральского федерального университета» (по договору № 27 от 01.10.2012 г.);
- НИР № 2368/011 от 20 января 2011 г. «Выполнение комплекса работ по созданию научно-технических предпосылок и технической базы для разработки технологии изготовления теплообменных труб парогенераторов проекта АЭС- 2006 из стали 08Х18Н10Т с повышенным уровнем коррозионной стойкости и нормированием уровня остаточных напряжений»;
- НИР № Н97742Б012/12 от 22 ноября 2011 г. «Развитие физики и механики обработки металлов давлением с целью разработки инновационных процессов и технологий производства металлургической продукции транспортного назначения, для нефтедобычи и энергомашиностроения» по этапу 2 «Исследование уровня остаточных напряжений и коррозионной стойкости труб и проволоки из аустенитных нержавеющих сталей»;
- программа поддержки молодых ученых УрФУ в рамках реализации про-граммы развития УрФУ на 2010 - 2020 годы (по договорам № 1.2.1.5./45 от 01.07.2012 г. и № 1.2.1.5./70 от 27.05.2013 г).
Цель и задачи исследований
Целью диссертационной работы является создание технологии финишной обработки теплообменных труб, обеспечивающей снижение в них растягивающих или формирование сжимающих остаточных напряжений. Для достижения постав-ленной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Проанализировать литературные данные о дефектах, возникающих при эксплуатации теплообменных труб парогенераторов, и определить направление совершенствования технологии их производства;
2. Предложить способ финишной правки труб с одновременным нагревом, с целью уменьшения в них растягивающих или формирования сжимающих остаточных напряжений;
3. Разработать конструкцию установки для правки труб растяжением с одно-временным нагревом;
4. Подготовить научно-обоснованные рекомендации по промышленному ис-пользованию предложенного способа;
5. Разработать методику, позволяющую простыми аппаратными средствами и не сложными расчетными операциями определять остаточные напряжения в трубах.
Научная новизна полученных результатов
В работе получены и выносятся на защиту следующие результаты, отличающиеся научной новизной:
- алгоритм расчета распределения остаточных напряжений по стенке трубы на основе «энергетического подхода»;
- способ финишной правки труб с одновременным нагревом;
- результаты исследования закономерностей формирования остаточных напряжений при электроконтактном нагреве труб с одновременным растяжением ;
- результаты сравнительного анализа кривизны труб а также остаточных напряжений в трубах, изготовленных по применяемой и предложенной технологиям.
Теоретическая значимость работы заключается в результатах экспериментальных исследований остаточных напряжений в трубах, которые расширяют знания о влиянии параметров нагрева и растяжения на остаточные напряжения в стенке труб. Предложена и опробована экспериментально-аналитическая методика расчета распределения остаточных напряжений в стенке трубы.
Практическую значимость работы представляют следующие результаты диссертации:
- рекомендации по применению способа правки труб растяжением с одновременным нагревом.
- апробация способа правки труб растяжением с одновременным нагревом;
- сравнительный анализ качества труб, изготовленных применяемым и предлагаемым способами;
- конструкция промышленной установки правки труб растяжением с одновременным нагревом;
- техническое задание на проектирование промышленной установки правки труб растяжением с одновременным нагревом.
- экспериментально-аналитическая методика определения остаточных напряжений в трубах;
- конструкция установки для определения остаточных напряжений в трубах методом электролитического травления;
- результаты измерений по новой методике остаточных напряжений в трубах, изготовленных по применяемой технологии.
Достоверность полученных научных результатов и выводов диссертации обоснована использованием статистических методов обработки опытных данных, применением основных положений механики деформируемого тела, теорий пластичности и упругости. Достоверность полученных результатов подтверждается схожестью расчетных данных с результатами проведенных промышленных и лабораторных экспериментов, а также их соответствием данным опубликованным в работах других авторов. Научные положения и практические выводы работы подтверждены в процессе апробации нового способа получения труб с низким уровнем остаточных напряжений.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
- XVIII международная промышленная выставка «Металл-ЭКСПО-2012» (Москва, 2012);
- XIV международной научной конференции «New technologies and achievements in metallurgy, material engineering and production engineering» (Польша, Ченстохова, 2013);
- VI международная молодежная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении» (Уральская научно-педагогическая школа имени профессора А.Ф.Головина, Екатеринбург, 2013);
- VII международная молодежная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении», посвященная памяти чл.-корр. РАН, почетного доктора УрФУ В.Л. Колмогорова (Екатеринбург, 2013);
- XII международная научно-техническая уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2011);
- Региональная научно-практическая конференция «Молодежь и наука» (Нижний Тагил, 2011);
- I Международная интерактивная научно-практическая конференция «Инновации в материаловедении и металлургии». (Екатеринбург, 2012).
Публикации
Результаты диссертационной работы отражены в 6 печатных трудах и тезисах докладов, 2 из них - из перечня изданий, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из 4 глав, 3 приложений и списка литературных источников в составе 110 наименований, содержит 178 страниц машинописного текста, включая 48 рисунков и 12 таблиц.
В результате выполнения диссертационной работы достигнута поставленная цель и получены следующие результаты:
1. Одним из основных факторов, определяющих ресурс работы парогенератора АЭС, является коррозионное растрескивание теплообменных труб в процессе эксплуатации. Коррозионное растрескивание теплообменных труб развивается под действием растягивающих рабочих и технологических остаточных напряжений в трубах. Поэтому снижение растягивающих технологических остаточных напряжений в ТОТ является актуальной проблемой.
2. Применяемые как зарубежом, так и на отечественных заводах технологии производства теплообменных труб, несмотря на существенные отличия, предусматривают одинаковую финишную обработку труб: термообработку и последующую правку на валковых станах. В процессе правки знакопеременным изгибом выделяется мартенсит деформации, и образуются растягивающие остаточные напряжения, под действием которых развивается коррозионное растрескивание ТОТ в процессе эксплуатации.
3. Разработка технологии финишной обработки теплообменных труб, исключающей операцию валковой правки и, тем самым, образование растягивающих остаточных напряжений в трубах является актуальной проблемой.
4. Разработан и опробован в производственных условиях способ финишной правки труб растяжением с одновременным нагревом, с целью уменьшения в них остаточных напряжений.
5. Способ обеспечивает получение механических свойств, величины зерна металла труб, микроструктуры и стойкости против МКК в соответствии с требованиями ТУ 14-3Р-197-2001. При этом кривизна и растягивающие остаточные напряжения в трубах на порядок меньше, чем в трубах после печного нагрева.
6. Разработана конструкция промышленной установки правки труб растяжением с одновременным нагревом. Установка позволяет проводить правку труб растяжением с одновременным нагревом, при этом натяжение в процессе нагрева и охлаждения можно регулировать в зависимости от текущей температуры.
7. Разработано техническое задание на проектирование промышленной установки правки труб растяжением с одновременным нагревом.
8. Разработана и опробована экспериментально-аналитическая методика, позволяющая простыми аппаратными методами и не сложными расчетными операциями определять остаточные напряжения в трубах.
1. Одним из основных факторов, определяющих ресурс работы парогенератора АЭС, является коррозионное растрескивание теплообменных труб в процессе эксплуатации. Коррозионное растрескивание теплообменных труб развивается под действием растягивающих рабочих и технологических остаточных напряжений в трубах. Поэтому снижение растягивающих технологических остаточных напряжений в ТОТ является актуальной проблемой.
2. Применяемые как зарубежом, так и на отечественных заводах технологии производства теплообменных труб, несмотря на существенные отличия, предусматривают одинаковую финишную обработку труб: термообработку и последующую правку на валковых станах. В процессе правки знакопеременным изгибом выделяется мартенсит деформации, и образуются растягивающие остаточные напряжения, под действием которых развивается коррозионное растрескивание ТОТ в процессе эксплуатации.
3. Разработка технологии финишной обработки теплообменных труб, исключающей операцию валковой правки и, тем самым, образование растягивающих остаточных напряжений в трубах является актуальной проблемой.
4. Разработан и опробован в производственных условиях способ финишной правки труб растяжением с одновременным нагревом, с целью уменьшения в них остаточных напряжений.
5. Способ обеспечивает получение механических свойств, величины зерна металла труб, микроструктуры и стойкости против МКК в соответствии с требованиями ТУ 14-3Р-197-2001. При этом кривизна и растягивающие остаточные напряжения в трубах на порядок меньше, чем в трубах после печного нагрева.
6. Разработана конструкция промышленной установки правки труб растяжением с одновременным нагревом. Установка позволяет проводить правку труб растяжением с одновременным нагревом, при этом натяжение в процессе нагрева и охлаждения можно регулировать в зависимости от текущей температуры.
7. Разработано техническое задание на проектирование промышленной установки правки труб растяжением с одновременным нагревом.
8. Разработана и опробована экспериментально-аналитическая методика, позволяющая простыми аппаратными методами и не сложными расчетными операциями определять остаточные напряжения в трубах.