Введение 3
1 Анализ состояния вопроса 6
1.1 Анализ технологии сварки тонкостенных труб из нержавеющих сталей . .. 6
1.2 Анализ применяемых вариантов снижения остаточных деформаций и
напряжений 20
1.3 Задачи работы 29
2 Методика исследований 30
2.1 Сварка образцов для проведения исследований 30
2.2 Сварка и исследования геометрии обечаек 35
2.3 Исследования качества получаемых сварных соединений 38
2.4 Исследования деформаций образцов 41
2.4 Металлографические исследования 42
2.5 Исследования прочности получаемых сварных соединений 46
3 Результаты исследований 49
3.1 Результаты исследований геометрии образцов 49
3.2 Результаты исследований геометрии труб 53
3.3 Результаты исследования микротвердости 56
3.4 Результаты исследования прочности 57
4 Технологические рекомендации по сварке обечаек 58
Заключение 61
Список используемых источников 63
ООО «Прогресс», является членом СРО НП КСК «Союз-Петрострой станларт». Головной офис предприятия расположен в Санкт-Петербурге, объекты, строительством которых занимается ООО «Прогресс» расположены по всей территории России.
Одним из объектов, строительством которых занимается в настоящее время ООО «Прогресс» является Западно-Сибирский комплекс глубокой переработки углеводородного сырья. Указанное предприятие территориально находится в промышленной зоне города Тобольск, к северу от предприятий «Тобольск-Нефтехим» и «Тобольск-Полимер», Тобольской ТЭЦ.
Планируется к производству на предприятии полиолефинов. Сюда относится полиэтилен низкой и высокой плотности а также полипропилен. Поступление необходимых углеводородов на производственную площадку предприятия планируется с по трубопроводу с заводов газопереработки Западной Сибири, которые входят в группу компаний ОАО «СИБУР Холдинг», и с газоперерабатывающих заводов других компаний.
Переработку углеводородов планируется происходить на четырех главных установках: установки пиролиза, установки по производству полипропилена, двух установках по производству полиэтилена.
Все перечисленные установки помимо всего прочего оснащены дымовыми трубами. Высота дымовой трубы 60м. Несущая башня дымовой трубы запроектирована в виде четырехгранной призмы. Газоотводящий ствол представляет собой тонкостенную оболочку из коррозионностойкой стали марки AISI321. При сварке обечаек в оболочку из-за остаточных напряжений происходит депланация кромок, что ведет к невозможности нормального монтажа газоотводящего ствола. Применяемый диаметр дымовых труб при толщине стенки выходит за рамки ГОСТ. Поэтому трубы приходится изготавливать вальцуя листовой металлопрокат и выполняя продольный сварной шов. При этом зачастую собираемость конструкции в монтажных условиях требует дополнительных операций, что увеличивает трудоемкость.
Причиной необходимости дополнительных операций являются деформации, депланация кромок.
Отсюда сформулируем цель работы - повышение качества вытяжных труб путем снижения деформаций на этапе сварки обечаек.
Для достижения сформулированной цели, в работе были поставлены следующие основные задачи:
- выбрать способ снижения остаточных деформаций при сварке обечаек вытяжных труб;
- определить необходимые исследования выбранного способа для повышения его эффективности;
- разработать методику выполнения экспериментальных исследований;
- выполнить эксперименты согласно разработанной методике;
- определить необходимые исследования, требуемые для успешного внедрения выбранного спосба в практику;
- разработать методику проведения экспериментальных исследований;
- выполнить эксперименты, обработать их результаты; и оценить их результаты;
- обработать и проанализировать результаты экспериментальных исследований;
- по результатам экспериментальных исследований выдать технологические рекомендации и внедрить их в практику.
Поставленные задачи определили структуру магистерской диссертации, которая состоит из введения, трех глав, заключения.
Предмет и объект исследования определяется тематикой работы, ее целью и задачами.
Предметом исследования являются методы снижения остаточных деформаций и напряжений при сварке дымовых труб
Объектом исследования выступают оборудование и технология для снижения остаточных деформаций и напряжений при сварке дымовых труб.
Теоретической, методологической и информационной базой исследования послужили:
- ГОСТы, нормативные документы,;
- труды российских и зарубежных специалистов в области сварки и контроля;
- научные статьи в современной периодической печати;
- данные официальных сайтов промышленных учреждений и информационно-аналитических агентств.
В ходе исследования использовались общенаучные и специальные методы познания, а именно системный анализ как методология постановки и подхода к решению проблемы в целом, приемы логического и сравнительного анализа и синтеза, методы сравнений, абстрактно-логических суждений.
Теоретическая значимость исследования заключается в том, что предпринята попытка определения влияния параметров вибрационных колебаний на степень снижения остаточных напряжений.
Практическая значимость исследования заключается в том, что сделанные по их результатам выводы и рекомендации ориентированы на конкретное внедрение в практику строительства металлических вытяжных труб.
Цель магистерской диссертации - повышение качества вытяжных труб путем снижения деформаций на этапе сварки обечаек. В процессе выполнения работы была изучена литература касающаяся сварки нержавеющих сталей и способов уменьшения остаточных деформаций сварных соединений. Изучены научные статьи отечественных и зарубежных авторов, касающиеся способам уменьшения остаточных деформаций и в особенности связанные с исследованиями в области таких способов снижения остаточных деформаций как ударная ультразвуковая обработка сварных швов и вибрационная обработка в процессе сварки и после сварки. Также произведен поиск патентов в России и за рубежом по теме уменьшения сварочных деформаций и напряжений.
По результатам анализа литературных и патентных источников выявлены арианты снижения величины остаточных деформаций, хотя и обеспечивающие величину снижения меньшую, чем при термообработке, но в плане технико-экономических показателей значительно более эффективные.
Разработана методика определения эффективности снижения величины остаточных напряжений при вибрационной обработке. В результате выполненных исследований были получены данные, что наибольшая величина снижения напряжений обеспечивается при частоте виброколебаний 80 герц.
Таким образом, результаты данной магистерской диссертации могут использоваться на сварочных производствах для повышения точности изготавливаемых сварных узлов. Это безусловно окажет положительный экономический эффект, что немаловажно в нынешней непростой экономической ситуации. Также данное исследование позволит в некоторых случаях сократить количество сварных точек на изделие без потери итоговой прочности, что ускорит производительность труда, увеличит объем выпускаемой продукции, а также снизит энергозатраты. Для автомобильной промышленности это имеет особое значение, так как при сварке кузова производится несколько тысяч сварных точек.
Задачи, поставленные в начале обучения по программе магистратуры при планировании магистерской диссертации выполнены. Литература (книги, учебники, научные статьи, патенты) по уменьшению величины остаточных напряжений изучены, спланирован и впоследствии проведен эксперимент, данные, полученные в ходе эксперимента проанализированы. Выводы представлены в магистерской диссертации.
Цель достигнута.
1. Сагалевич, В. М. Методы устранения сварочных деформаций и напряжений / В.М. Сагалевич. - М.: Машиностроение, 1974. - 248 с.
2. Вагапов, И.К. Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки на значение и распределение напряжений в сварной заготовке / И.К. Вагапов, М.М. Ганиев, А.С. Шинкарев // Авиационная техника. - 2005. - №2. - С. 56¬59.
3. Васильев, Д.М. Методика рентгенографического измерения напряжения / Д.М. Васильев // Заводская лаборатория. - 1965. - № 8. - С. 972-978.
4. Винокуров, В.А. Отпуск сварных конструкций для снижения напряжений / В.А. Винокуров // -М. : Машиностроение, 1973. - 213 с.
5. Казаков, Ю.В. Магистерская диссертация: учебно-методическое пособие по выполнению выпускной квалификационной работы / Ю.В. Казаков. - Тольятти, ТГУ, 2017. - 60 с.
6. Винокуров, В.А. Григорьянц, А.Г. Теория сварочных деформаций и
напряжений / Винокуров В.А. Григорьянц А.Г.// -М. : Машиностроение,
1984. - 284 с.
7. Махненко, В.И. Остаточные сварочные напряжения в зоне кольцевых
сварных стыков трубопроводов из аустенитной стали / В.И. Махненко, Е.А. Великоиваненко, В.М. Шекер В.М. // Автоматическая сварка. -1998. -№11.-С.32-39.
8. Корольков, П.М. Термическая обработка сварных соединений трубопроводов и аппаратов, работающих под давлением / П.М. Корольков. - М. : Стройиздат, 1982. - 136 с.
9. Каменская, Н.И. Антонов, А.А. Влияние технологии монтажной сварки на уровень остаточных напряжений в сварных соединениях труб из стали 12Х1МФ / Н.И. Каменская, А.А. Антонов // Автоматическая сварка. - 1992. - № 7-8. - С.10-12.
10. Зарипов, М.З. Исследование влияния вибрационных и ультразвуковых колебаний в процессе сварки на свойства сварных соединений нефтегазового оборудования из стали 12Х18Н10Т / Зарипов М.З. Ибрагимов И.Г. Ризванов Р.Г. [и др.] // Нефтегазовое дело. - 2010. - №2.
11. Винокуров, В. А. Сварочные деформации и напряжения. -М. :
Машиностроение, 1968. - 236 с.
12. Вишняков, Я.Д. Управление остаточными напряжениями в металлах и сплавах / Вишняков, Я.Д. Пискарев, В.Д. // -М.: Металлургия, 1989. -254 с.
13. Андреев, В.В. Ультразвуковая ударная обработка, как метод повышения долговечности сварных соединений / В.В. Андреев // Оборудование. - 2006. - № 3. - С. 32-33.
14. Каспарова, О.В. Новые представления о механизме межкристаллитной коррозии нержавеющих сталей / О.В. Каспарова, Ю.В. Балдохин // Защита металлов. - 2007. - том 43. - №3. - С. 256-261.
15. Ковалев, И.М. Некоторые особенности формирования сварных соединений при сварке с неплавящимся катодом / И.М. Ковалев // Сварочное производство. - 1972.- № 10. - С. 12 - 14.
16. Размышляев, А.Д. Влияние продольного магнитного поля на характеристики дуги при сварке неплавящимся электродом в аргоне / А.Д. Размышляев, М.В. Миронова // Автоматическая сварка. - 2008. - № 3. - С. 21 - 25.
17. Селяненков, В.Н. Зависимость давления сварочной дуги от параметров вольфрамового электрода / В.Н. Селяненков, В.В. Степанов, Р.З. Сайфиев // Сварочное производство. - 1980. - № 5. - С. 5 - 7.
18. Пашков, Ю.И. Остаточные сварочные напряжения и пути снижения стресс- коррозионных разрушений магистральных газопроводов / Пашков, Ю.И. Иванов, М.А. Губайдулин, Р.Г. // Вестник ЮУрГУ. - 2012. - №5. - С. 28-30.
19. Петушков, В.Г. Обработка взрывом сварных соединений
металлоконструкций / Петушков, В.Г. Кудинов, В.М. Фадеенко, Ю.И. - М.: Металлургия, 1993. - 160 с.
20. Shaikh S.N. Vibratory Residual Stress Relieving- A Review // Journal of Mechanical & Civil Engineering, 2016. № 3. P. 01-04.
21. Пономарев К.Е. К вопросу применения вибрационной обработки сварных конструкций космических аппаратов для повышения точности и размерной стабильности. Обзор / Пономарев К.Е., Стрельников И.В. // Вестник НПО им. С.А.Лавочкина, 2017. № 4 (38). С. 89-95.
22. Sedec P. Vibration treatment-effective method of improving the dimensional stability of welded structures: investigation and practice // Welding and Surfacing, 1997. Vol. 8. Р. 221-228.
23. Jose M.J., Kumar S.S., Sharma A. Vibration assisted welding processes and their influence on quality of welds // Science and Technology of Welding & Joining, August 2015. Р. 45-49.
24. Govindarao P. et al. Affect of Vibratory Welding Process to Improve the Mechanical Properties of Butt Welded Joints // International Journal of Modern Engineering Research, 2012. Vol. 2, issue 4. Р. 2766-2770.
25. Ризванов Р.Г., Файрушин А.М., Каретников Д.В. Влияние параметров вибрационной обработки в процессе сварки на свойства сварных соединений / Ризванов Р.Г., Файрушин А.М., Каретников Д.В. // Литье и металлургия, 2012. № 3. С. 337-342.
26. Жданов И.М., Дыхно С.Л. и др. Релаксация напряжений в тонколистовых сварных соединениях сплава АМг6 / Жданов И.М., Дыхно С.Л. [и др.] // Автоматическая сварка, 1986. № 4. С. 35-38.
27. Колесников, Я.А. Влияние направления приложения вибрационного воздействия в процессе сварки на поле остаточных напряжений в стыковом сварном соединении / Колесников Я.А., Ризванов Р.Г., Файрушин А.М. // Нефтегазовое дело, 2006. С. 72-74.
28. Ризванов Р.Г. Исследование влияния вибрационной обработки на механические свойства и трещиностойкость сварных соединений труб из жаропрочной стали 15Х5М Ризванов Р.Г., Файрушин А.М., Каретников Д.В. // Нефтегазовое дело, 2013. № 1. С. 369-382.
29. Гиренко, В.С. Влияние остаточных напряжений и деформационного старения на сопротивляемость стали образованию хрупких трещин / Гиренко В.С. Котенко Э.В. // Автоматическая сварка. - 1968. - № 2. - С. 34-37.
30. Голиков, Н.И. Перераспределение остаточных сварочных напряжений при ультразвуковой ударной обработке сварных соединений стыков труб / Голиков Н.И. Сидоров М.М. // Сварочное производство. - 2011. - № 5. - С. 3-6.
31. Голиков, Н.И. Влияние ультразвуковой ударной обработки на ударную вязкость сварных соединений стыков труб, изготовленных из сталей 09Г2С и 13Г1С-У / Голиков Н.И. Сидоров М.М. // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2011. - № 7. - С. 3-6.
32. Голиков, Н. И. Исследование перераспределений остаточных напряжений при циклическом нагружении сварных соединений / Голиков Н. И. Сидоров М.М. // Сварочное производство. - 2013. - № 12. - С. 18-20.
33. Антонов, А.А. Исследование технологических остаточных напряжений в сварных соединениях магистральных трубопроводах / А.А. Антонов, О.И. Стеклов [и др.] // Заготовительные производства в машиностроении. -2012. - № 3. - С.13-19.
34. Косинцев В.И. Основы проектирования химических производств и оборудования / В.И. Косинцев [и др.] - Томск: Томский политехнический университет, 2013. - 395 с.
35. Файрушин А.М. Совершенствование технологического процесса
изготовления корпусов аппаратов с применением вибрационной обработки. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата
технических наук. - Уфа, 2003.
36. Цветков А.С. Повышение надежности крупногабаритных сварных
хладостойких конструкций ответственного назначения за счет снижению уровня остаточных напряжений. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Санкт-Петербург, 2011.
37. Арефьев И.В. Снижение остаточных напряжений в восстановленных наплавкой конструкциях из низкоуглеродистых сталей электродуговой обработкой. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Волгоград, 2011.
38. Лихобабина Е.А. Прогнозирование остаточных сварочных напряжений и деформаций на стадии проектирования судового корпуса. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Владивосток, 2002.
39. Аммосов, А.П. Яковлева, С.П. Голиков, Н.И. [и др.] Перераспределение остаточных напряжений при взрывной обработке кольцевых сварных соединений магистрального трубопровода / А.П. Аммосов, С.П. Яковлева, Н.И. Голиков [и др.] // Сварочное производство. -1997. - № 1. - С. 13-15.
40. Арафьев, И.В. Влияние параметров ручной дуговой наплавки на остаточные
сварочные напряжения, механические свойства наплавленного металла и околошовной зоны / И.В. Арафьев, И.Л. Пермяков [и др.] // Известия
ВолгГТУ. - 2008. - № 2. - С. 77-80.
41. Бабаев, А.В. Влияние остаточных напряжений на зарождение и скорость развития усталостных трещин в сварных соединениях с непроварами / А.В. Бабаев // Автоматическая сварка. - 1977. - № 12. - С. 30-32.
42. Безбородов, В.П. Клименов, В.А. Плешанов, В.С. [и др.]. Влияние
43. ультразвуковой ударной обработки на структуру и свойства сварных
44. соединений теплостойкости стали 12Х1МФ / В.П. Безбородов, В.А. Клименов, В.С. Плешанов [и др.]. // Сварочное производство. - 2000. - № 7. - С. 17-21.
45. Степнов, М. Н. Статистические методы обработки результатов
механических испытаний : справочник / М. Н.Степнов. М. :
Машиностроение, 1985.- 231 с.
46. Тихонов, А. Н. Статистическая обработка результатов экспериментов / А. Н. Тихонов, М. В. Уфимцев. М. : Изд-во МГУ, 1988. - 174 с.
47. Алешин, Н.П. Физические методы неразрушающего контроля сварных соединений / Н.П. Алешин. - М.: Машиностроение, 2006. - 368 с.
48. Алешин, Н.П. Контроль качества сварочных работ / Н.П. Алешин, В.Г. Щербинский В.Г. - М.: Высшая школа, 1986. - 167 с.
49. Матвеев, Ю.М. Теоретические основы производства сварных труб / Ю.М. Матвеев. - М.: Металлургия, 1967. - 169 с.
50. Щербинский, В.Г., Алешин Н.П. Ультразвуковой контроль сварных соединений / В.Г. Щербинский, Н.П. Алешин. - М.: изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000. - 496 с.
51. Троицкий, В.А. Краткое пособие по контролю качества сварных соединений / В.А. Троицкий. ИЭС им. Е.О. Патона НАЛ Украины. - 1997. - 224 с.
52. Кирияков, В.Ф. О применении пьезопреобразователя с наклонным дном иммерсионной камеры / В.Ф. Кирияков // Дефектоскопия. 1976. № 4. С. 96 - 104.
53. Гуревич, А.К. Ультразвуковая дефектоскопия сварных соединений / А.К. Гуревич. - Киев: Укртехиздат, 1963. - 152 с.
54. Бирилло, И.Н. Оценка прочностного ресурса газопроводных труб с коррозионными повреждениями / И.Н. Бирилло, А.Я. Яковлев, Ю.А. Теплинский и др. - М. : ЦентрЛитНефтеГаз, 2008. - 168 с.
55.
55. Bruce, W.A., Amend W.E. Advantages of Steel Sleeves over Composite / W.A. Bruce, W.E. Amend. Materials for Pipeline Repair, Evaluation, Rehabilitation & Repair of Pipelines, Clarion Technical Conferences and Tiratsoo Technical. Berlin. October 20-21, 2010.
56. Петров, С.В. Оценка изменений механических характеристик металла длительно эксплуатируемых трубопроводов, работающих в различных условиях прокладки / С.В. Петров, А.В. Комаров, А.С. Кузьбожев // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2009. - № 5. - С. 34-39.
57. Тихонов, А. Н. Статистическая обработка результатов экспериментов / А. Н. Тихонов, М. В. Уфимцев. М. : Изд-во МГУ, 1988. - 174 с.
58. Смирнов, О.В. Применение электронной микроскопии в исследованиях деформационного старения материала трубопроводов / О.В. Смирнов, А.С. Кузьбожев, Р.В. Агиней // Заводская лаборатория. Диагностика материалов - 2007. - №10. - С. 37-41.
59. Смирнов, О.В. Опыт применения рентгеноструктурного анализа в исследованиях металла трубопроводов / О.В. Смирнов, А.С. Кузьбожев, Р.В. Агиней // Заводская лаборатория. Диагностика материалов - 2007. - №11. - С. 41-42.
60. Рудзей, Г. Ф. Особенности статистической обработки результатов усталостных испытаний / Г. Ф. Рудзей // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2004. - Т. 70, №1. - С. 66-70.
61. Платонов, А.Н. Осесимметричная задача напряженно-деформированного состояния восстановленного участка трубопровода // Изв. ву-зов. Нефть и газ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. - №4. - С. 81-85.
62. Зандберг, А. С. Напряжения в сварных соединениях и ремонтных конструкциях магистральных трубопроводов / A.C. Зандберг. М.: НИПКЦ Восход-А, 2008. 216 с.
63. Ильященко Д.П. Влияние энергетических характеристик инверторного источника питания на химический состав и микроструктуру сварного шва из стали 12Х18Н10Т // Научно-технический вестник Поволжья. - 2013 - №. 4. - C. 178-180.
64. Национальный институт авиационных технологий. Производственная инструкция Дуговая сварка в среде защитных газов конструкционных, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов - М.:2000-134с.
65. Кусков В.Н., Мамадалиев Р.А., Обухов А.Г. Переход легирующих
элементов в наплавленный металл при сварке стали 12Х18Н10Т //
Фундаментальные исследования. - 2013. - № 11 (9). - С. 1794-1797.
66. Чиркин В. С. Теплопроводность промышленных материалов. М., Машгиз, 1962. 248 с.
67. Петров А. В., Славин Г. А., Вербицкий В. Г. Исследование тепловой эффективности процесса сварки сжатой дугой тонколистового материала. «Сварочное производство», 1967, № 2, с. 6—8.
68. Д. А. Дудко, Б. И. Шнайдер, Р. Ю. Тухметов, В. Г. Вербицкий, М. И. Ланда, Р. М. Тимашев. Повышение эффективности газовой защиты сварочных горелок. — «Автоматическая сварка», 1974, № 9, с. 47—49.
69. Б. И. Шнайдер, Ю.Е.Сергеев, В. Г. Вербицкий, А. Л. Гецонок, Г. X. Яковлев. Регулирование процесса автоматической аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом тонколистовых изделий с криволинейным контуром.— «Автоматическая сварка», 1970, № 12, с. 15—18.
70. Рыкалин Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М., Машгиз, 1951. 296 с.
71. Сергеев Ю. Е., Бабков Г. Г. Система автоматического регулирования длины непрерывно горящей дуги. — В кн.: Разработка и внедрение прогрессивных методов сварки и изготовления сварных изделий на предприятиях машиностроения. Тезисы докладов научно-технической конференции. Омск. 1973, с. 41—44.