Разработка методики определения режима импульсной аргонодуговой сварки труб с трубными решетками из стали 12Х18Н10Т

Современные мощные паротурбинные установки (ПТУ) представляют собой сложнейшие системы, состоящие из большого количества элементов. Существенное место в составе таких систем занимают теплообменные аппараты (ТА) — дорогостоящее, крупногабаритное и металлоемкое оборудование, улучшение характеристик которого способно, по данным ВТИ и МЭИ, обеспечить до 30% в повышении КПД ПТУ, достигнутом за счет усовершенствования всех элементов турбоустановки. ТА находят применение в технологических процессах пищевой, металлургической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, нефтяной, газовой промышленности, в атомной энергетике, являются частью продукции ВПК.

Кожухотрубные теплообменные аппараты паротурбинных установок принадлежат к числу наиболее ответственных и крупных аппаратов, влияющих на эффективность и надежность работы ПТУ, а в отдельных случаях и определяющим эти показатели. Поддержание эффективной работытеплооб-менных аппаратов паротурбинных установок окупается в минимальные сроки и дает существенный экономический эффект.

Обобщение опыта эксплуатации, а также анализ показателей работы ПТУ подтверждают большую значимость эффективности и надежности теп-лообменных аппаратов в схемах ТЭС и АЭС, в частности с точки зрения экономии топлива и (или) теплоты. Наиболее распространенными последствиями отказов теплообменных аппаратов ПТУ являются отключение турбины, ограничение отпуска тепловой и электрической энергии потребителям, снижение коэффициента готовности оборудования и т. п., что, естественно, приводит к увеличению удельных расходов топлива (теплоты). Повреждаемость теплообменных аппаратов достигает 26% от повреждаемости всего оборудования ПТУ, при этом опыт пользователей ТА позволяет утверждать, что надежность аппаратов в существенной степени определяется качеством соединений труб с трубными решетками [1, 2, 3]- часто причиной отказов (от 14% до 25%) становится потеря герметичности этими соединениями. В этих случаях возникает необходимость отключения аппаратов, поиска мест протечек и глушения труб, соединения которых с трубными решетками не обеспечивают необходимой плотности. Операции эти весьма трудоемки, сложны и связаны с тяжелыми условиями труда.

В реальных условиях эксплуатации при ремонте для восстановления поверхности теплообмена, как правило, заменяется весь трубный пучок. В этом случае стоимость восстановления не зависит от количества дефектных трубок. Сопоставление затрат, необходимых для восстановления поверхности теплообмена подогревателей, и потерь экономичности турбоустановки при работе с теплообменными аппаратами, имеющими неполную поверхность теплообмена, позволяет определить максимальное количество дефектных трубок, при котором экономически обоснована замена трубного пучка. При проведении экономических расчетов, определяются оптимальные сроки замены трубных систем аппаратов, которые позволяют окупить затраты связанные с заменой трубок, за счет выигрыша’от работы аппарата с восстановленной поверхностью теплообмена.

Исходя из вышесказанного, ремонт теплообменных аппаратов сводится либо к отглушению дефектных трубок без замены трубного пучка, либо к замене всего трубного пучка. В первом случае, следствием ремонта является уменьшение поверхности теплообмена, что приводит к ухудшению тепловых и гидродинамических характеристик аппарата и может отрицательно сказаться на экономичности работы турбоустановки в целом: Во втором случае, ремонт теплообменных аппаратов включает разборку (в том числе и сварных/паяных соединений), тщательную механическую очистку и замену дефектных трубок, сборку с восстановлением плотностей соединений между трубкой и трубной решеткой. Стоимость проведения комплексного ремонта составляет от 40% до 70% (до 800 тыс. руб.) от стоимости нового ТА в зависимости от его состояния до ремонта.

Таким образом, не только, при изготовлении, но и при ремонте тепло-обменных аппаратов встает вопрос о получении качественного закрепления труб в трубных решетках. Об эффективности видов закрепления труб существуют различные мнения. Отдавая должное наиболее распространенному способу — вальцовке, — применение которой в ряде случаев является оптимальным способом по простоте выполнения и низкой себестоимости, следует отметить, что при определенных условиях применение сварки является обязательным.

В одних конструкциях теплообменных аппаратов сварка производится как самостоятельная технологическая операция без специальной подготовки, в других — с подготовкой трубной системы перед сборкой или в процессе' сборки. К такой подготовке в первую очередь относится селекция труб или их подвальцовка в трубных решетках для ликвидации или уменьшения зазора между трубами и трубными решетками. В этом случае подвальцовка рассматривается не как операция по закреплению труб, а как технологическая операция подготовки под сварку для-облегчения, ее выполнения.

Основной задачей, решаемой при разработке технологии сборки и, сварки ТА, является обеспечение качества выпускаемых изделий, а одним из главных этапов разработки техпроцесса — проектирование оптимальных параметров режима сварки. Найденные либо из справочной литературы, либо определенные по эмпирическим зависимостям, они требуют экспериментального уточнения. Методики обеспечения качества, основанные на эмпирических знаниях, особенно неэффективны в условиях мелкосерийного и единичного производства, в которых изготавливаются трубные решетки ТА.

В настоящее время на отечественных предприятиях при производстве ТА внедряются сложные наукоемкие технологии сварки, например, высокоавтоматизированная импульсно-дуговая > сварка на основе инверторных источников питания с процессорным управлением. Чаще всего используется оборудование зарубежных фирм-производителей (ESAB, Fronius, Kemppi, Polisoude и др.), которые при освоении и отработке технологии могут потребовать значительных материальных затрат: вместе со сварочным оборудованием поставляются отработанные технологии сварки, однако в ряде случаев они неприменимы в поле действия нормативных актов РФ, регламентирующих требования к качеству трубных соединений ТА.

Таким образом, возникает ситуация, когда необходимо применение существующих достижений в области математического моделирования сварочных процессов в инженерной практике для проектирования технологии сварки трубных решеток теплообменных аппаратов. В настоящий момент достаточно проработаны основные положения распространения тепла при сварке, механизм формирования сварочной ванны и шва, существуют подходы к математическому описанию импульсно-дугового процесса сварки. Однако моделей и программного обеспечения для моделирования дуговой сварки трубных решеток теплообменных аппаратов не существует.

Поэтому целью настоящей работы является обеспечение качества соединений труб с трубными решетками за счет оптимизации параметров режима импульсно-дугового процесса сварки методом компьютерного моделирования.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Проведен анализ существующих экспериментальных и расчетных методов оценки качества сварного соединения «труба — трубная решетка».

2. Обоснованы физические модели теплопереноса и формирования сварного шва труб с трубными решетками и на их основе разработаны математические модели.

3. Разработаны компьютерные алгоритмы и программное обеспечение для реализации предложенных математических моделей.

4. Проведена верификация моделей и проверка разработанного программного обеспечения.

5. С помощью разработанного программного обеспечения методами планирования эксперимента подобраны оптимальные технологические параметры.

Поставленные задачи решены и цель работы достигнута сочетанием экспериментальных и теоретических методов исследования.

В работе натурные экспериментальные исследования проведены с применением сварочного оборудования компании «Astro Arc Polysoude» (Франция) в совокупности со специально разработанным аппаратным комплексом измерения температурных полей и термических циклов. При получении цифровых изображений шлифов зон термического влияния используется точное оптическое оборудование (сканер) фирмы «Mentor Graphics Corp.» (США). Для снятия термических циклов применяется специально разработанный аппаратно-программный комплекс регистрации медленно меняющихся сигналов.

Численные эксперименты поставлены с применением разработанного программного комплекса (алгоритмическая среда — Fortran), моделирующего импульсно-дуговой процесс сварки неплавящимся электродом в среде аргона трубных решеток теплообменных аппаратов. Компьютерное моделирование проводится на ПЭВМ с центральным процессором AMD Athlon64bit 5000+Х2 MHz, оперативной памятью объемом 1 gB.

Теоретическая часть основана на математическом аппарате теории теплопроводности и теплообмена.

Научная новизна работы связана с совершенствованием расчетных методов и подхода к оценке качества и выбору режимов автоматической импульсной дуговой сварки неплавящимся электродом в среде аргона соединений труб с трубными решетками:

1. На базе физико-математических моделей теплопереноса и формирования* свободной поверхности сварочной ванны разработана нелинейная многопараметрическая модель формирования сварного соединения при сварке труб с трубными решетками импульсной’дуговой сваркой неплавящимся электродом в среде аргона, учитывающая теплоту фазовых превращений и конвективный теплоперенос в сварочной ванне.

2. Усовершенствована статистическая модель теплопереноса в сварочной ванне, позволяющая точно воспроизвести контур реальной сварочной ванны и правильно описать тепловые процессы, происходящие в околошовной зоне. Путем прямого имитационного моделирования процесса аргон-но-дуговой импульсной сварки установлено, что неучет конвективной составляющей теплопроводности жидкого металла сварочной ванны приводит к значительным (от 20 до 40%) погрешностям расчета размеров зоны расплавления. Значение погрешности увеличивается с ростом погонной энергии сварки и скважности тока.

3. Теоретически обоснована и экспериментально доказана целесообразность сочетания численной модели теплопереноса и аналитической модели образования наплыва, что позволяет с точностью до 12% прогнозировать показатели качества сварного соединения труб из стали 12Х18Н10Т с трубными досками при дуговой сварке неплавящимся электродом в среде аргона в диапазоне сварочного тока до 220 А.

4. Показано, что задача оптимизации тепловых режимов сварки труб с трубными решетками может быть эффективно решена с использованием комплексного критерия оптимизации, представляющего собой? гладкую среднеквадратичную свертку нормированных частных функций откликов. При. этом откликами являются основные показатели качества сварного соединения — глубина проплавления, величина наплыва на внутреннюю поверхность теплообменной трубы и степень перекрытия сварных точек при импульсном процессе сварки, а параметрами оптимизации — сила тока импульса, скорость сварки, длительность импульса и длительность паузы.

На защиту выносятся:

1. Модели теплопереноса и формирования свободной поверхности сварочнойванны при' импульсной аргонодуговой сварке неплавящимся электродом в среде аргона теплообменных труб с трубными решетками теплообменных аппаратов.

2. Методика определения эффективного коэффициента теплопроводности и основанная на данной методике математическая модель теплопереноса в сварочной ванне.

3. Разработанный аппаратный комплекс измерения медленно меняющихся сигналов (температуры). 4. Набор критериев оптимизации и их обобщенный параметр, определяющий качество соединения теплообменных труб с трубными решетками теплообменных аппаратоврезультаты численного эксперимента по определению оптимального режима сварки теплообменных труб типоразмера 12×1 мм из стали 12Х18Н10Т с трубными решетками из стали 12Х18Н10Т.

Практическая ценность работы заключается в разработке программного комплекса для ЭВМ, позволяющего моделировать распределение температурных полей и формирование свободной поверхности сварочной ванны (наплыва) при импульсной аргонодуговой сварке неплавящимся электродом в среде аргона теплообменных труб с трубными решетками теплообменных аппаратовв разработке аппаратного комплекса измерения температурных полей и термических циклов, позволяющего регистрировать температуру тела в восьми точках.

Работа выполнена на кафедре «Технологии сварки» Калужского филиала Московского Государственного Технического Университета им. Н. Э. Баумана.

Общие выводы и результаты работы.

1. Анализ современного состояния^ производства теплообменных аппаратов показывает, что на сегодняшний день импульсно-дуговая сварка (НДС) не-плавящимся (вольфрамовым) электродом в среде аргона является наиболее прогрессивным видом выполнения соединения «труба — трубная, решетка». Основной технической? проблемой, возникающей при приварке труб ю трубным, решеткам, является, обеспечение необходимой глубины проплавления при ограничении наплыва металла на внутреннюю поверхность теплообмен-нош тру бы. Решение у казаннойшроблемьг возможно замечет оптимизации параметров режима ИДС.

2. Установлено, что существующие аналитические методы определения оптимальных параметров: режима, основанные на идеализированных представлениях о распространении-.тепла* при сварке труб с трубнымирешетками, имеют низкую точность и не могут быть. использованы? в практике инженер

• ' ' ' ' ' V. ных расчетовЭкспериментальный1, подбор режимов требует существенных материальных и временных затрат на стадии проектирования теплообменных аппаратови: не соответствует современному уровню машиностроительного производства. В настоящее время целесообразным, является проведение компьютерных имитационных экспериментовдля^ чего необходимо разработать математические моделиописывающие процесс импульсной! дуговойсварки неплавящимся (вольфрамовым) электродом: в среде, аргона теплообменных труб с учетом, возможностей современных персональных компьютеров, и реализовать их в виде программного-комплекса.

3. Разработанафизико-математическая модель (ФММ) — позволяющая.имитировать. импульснуюдуговую1 сварку теплообменных труб струбными решетками теплообменных аппаратов. ФММ состоит из численной модели теплопереноса на основе интегроинтерполяционного метода, которая учитывает зависимости теплофизических свойств материала от температуры, теплоту фазовых' превращении и конвективный теплоперенос в сварочной ванне, и аналитической модели формирования свободной поверхности сварочной ванны. Установлена целесообразность применения в статистической модели эффективной теплопроводности для расчетов тепловых потоков в сварочной ванне коэффициента конвективной составляющей теплопроводности, изменяющегося в пределах от 1,05 до 7. Показано, что для упрощения требований к вычислительным ресурсам целесообразно решать задачу для фрагмента изделия, размер которого может быть определен путем проверки применимости граничных условий третьего родадля этого разработаны-математические модели, описывающие теплоперенос во фрагментах с одной и несколькими теплообменными трубами.

4. Разработан и создан аппаратный комплекс измерения температурных полей для сравнения результатов натурного эксперимента с результатами численного расчета. Верификация разработанных математических моделей по результатам сравнения численных и натурных экспериментов' показывает, что они являются адекватными в диапазоне сварочных токов до' 220 А, погрешность не превышает 12%. Свыше 220 А модели описывают процесс неточно, так как не учитывают все физико-химические явления, протекающие в данном процессе. В первую очередь это связано с неучетом давления дуги на расплав сварочной ванны.

5. Предложено для решения задачи определения оптимального режима сварки в качестве факторов следует использовать силу тока импульса, скорость сварки, длительность импульса № длительность паузы, зафиксировав: остальные параметры режима на значениях, установленных производителем сварочного оборудования. В качестве функций отклика предложено использовать глубину проплавления, величину наплыва на внутреннюю поверхность теплообменной трубы и степень перекрытия сварных точек при импульсном процессе сварки. Установлено, что разделка трубной решетки и изменение положения электрода относительно стыка положительно не влияют на глубину проплавления и величину наплыва на внутреннюю поверхность тепло-обменной трубы.

6. Показано, что ни одна из функций отклика не удовлетворяет условию универсальности. Предложено использовать обобщенный критерий оптимизации, который получен путем гладкой среднеквадратичной свертки частных критериев оптимизации (нормированных функций отклика). Физический смысл обобщенного критерия заключается в обеспечении запаса на выполнение ограничений на каждую функцию отклика: при достижении необходимого значения обобщенного критерия оптимизации будут получены требуемые значения для каждой из функций отклика. Для минимизации времени и числа испытаний в качестве метода нахождения оптимального режима сварки был выбран метод крутого восхождения. Дополнительно в разработанный программный комплекс опционально внедрен модифицированный метод сеточного поиска.

7. В результате проведенных имитационных экспериментов получены параметры режима сварки для труб из стали 12Х18Н10Т и некоторых титановых сплавов, применяемых при производстве соединения «труба — трубная решетка». Сварены опытные образцы, результаты исследования которых показали, что все требования, указанные заказчиком в технических условиях, выполнены. Результаты исследований внедрены на ОАО «КТЗ» при производстве теплообменного аппарата для нужд атомной энергетики. Экономический эффект на стадии проектирования составляет 60 тыс. руб.