автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка технологии закрепления труб в трубных решетках с дискретно-пластическим формированием служебных характеристик в неразъемных соединениях

Введение 5 1. Продольно-прессовый механизм образования неразъёмных соединений и на его основе - технологические процессы за- 9 крепления труб в трубных решетках

1.1. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты 9 1.1.1. Элементы трубных пучков

1.1.1.1. Теплообменные трубы

1.1.1.2. Трубные решетки

1.2. Служебные характеристики неразъёмных соединений

1.3. Основные принципы продольно-прессового локализован- ^ ного образования неразъёмных соединений

1.4. Технологическая модель образования неразъёмных со- ^g единений

1.5. Алгоритм проектирования неразъёмных соединений

1.5.1. Конструкции трубных отверстий

1.5.2. Конструкция профилированных законцовок

1.5.3. Типовая сборка трубы с трубной решеткой

1.5.4. Стадия предварительного закрепления

1.5.5. Окончательное закрепление

1.6. Качество получаемых неразъёмных соединений 26 Выводы 28 Цель и задачи исследований 29 2: Разработка технологии закрепления труб в трубных решетках с дискретно-пластическим формированием служебных ха- 30 рактеристик неразъёмными соединениями

2.1. Принципы усовершенствованной методологии закрепле- ^д ния труб в трубных решетках

2.2. Разработка элементов новой технологии закрепления

2.3. Разработка усовершенствованной технологической моде- ^ ли образования неразъёмных соединений

2.4. Алгоритм проектирования неразъёмных соединений

2.4.1. Конструкции профилированной законцовки

2.4.2. Конструкции трубного отверстия

2.4.3. Типовая сборка соединяемых элементов

2.4.4. Стадия предварительного закрепления профилирован- ^ ной законцовки трубы в трубной решетке

2.4.5. Стадия окончательного образования неразъёмного со- ^ единения

2.5. Контроль неразъёмного соединения. 43 Выводы 44 3. Экспериментальная проверка основных положений усо- ^ вершенствованной методологии

3.1. Методика изучения характера течения модельного мате- 45 риала

3.2. Металлографические исследования неразъёмных соединений

3.3. Качественная оценка осевых остаточных сжимающих напряжений I - го рода

3.4. Испытания неразъёмных соединений с повышенными служебными характеристиками

3.4.1. Испытания на прочность неразъёмных соединений выдергиванием трубы из трубной решетки

3.4.2. Гидравлические испытания неразъёмных соединений на плотность

3.4.3. Разработка методики ускоренных испытаний неразъёмных соединений, имитирующих действие коррозии во внутренних слоях трубы

3.4.4. Экспериментальная проверка окончательной стадии закрепления профилированной законцовки трубы в трубном фланце

3.4.5. Определение напряжений методом тензометрирования

3.4.6. Эксперименты по определению прочностных характеристик кольцевого выступа на срез.

Выводы

4. Внедрение нового технологического процесса в производство

4.1. Директивный техпроцесс образования неразъёмных соединений с дискретно-пластическим формированием служебных характеристик

4.2. Оценка технико-экономической эффективности от внедрения в производство высококачественных технологий и образования неразъёмных соединений

Развитие нефтеперерабатывающей, нефтехимической, судостроительной промышленности, атомного, энергетического машиностроения и так далее идет по пути создания мощных агрегатов и аппаратов (рис. 1), работающих в различных агрессивных средах. Надежность работы такого оборудования может быть обеспечена только при использовании для его создания самых прогрессивных технологических процессов обработки и сборки.

Рис. 1 - Нефтеперерабатывающая установка ЭЛОУ - 11 (Новокуйбышевский НПЗ)

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты, выпускаемые заводами химического машиностроения, являются самым распространенным видом (до 40% /1/ от общего веса) технологического оборудования (рис. 2).

При проектировании новой, изготовлении и ремонте существующей аппаратуры в условиях наращивания мощностей технологических установок (примерно в 4 раза за каждые 10 лет 121), основное внимание направлено на повышение эксплуатационного срока службы теплообмен-ных аппаратов и увеличения сроков межремонтных пробегов технологических линий в целом.

По данным нефтеперерабатывающей и нефтехимической промыш-ленностям убытки, связанные с простоем технологических линий в результате низкого качества закрепления труб в трубных решетках в 10-15 раз /3/ превышают стоимость самих дорогостоящих (100 тыс, рублей/тонну и более) теплообменных аппаратов.

Рис. 2 - Блок теплообменных аппаратов нефтеперерабатывающей установки ЭЛОУ- 11 (Новокуйбышевский НПЗ)

Усовершенствованию многие годы подлежат как конструкции сборок труб в трубных решетках, а также технологические процессы образования неразъемных соединений, так как, например, около 80% простоев теплообменной аппаратуры, изготовленной с применением механической вальцовки, вызвано разгерметизацией и коррозией труб в пределах вальцовочного пояска /4/.

Недостатки существующей большой разновидности технологических процессов закреппения труб в трубных решетках (механическая вальцовка, виброразвальцовка, гидропротягивание, запрессовка высоким гидравлическим давлением, запрессовка взрывчатыми веществами, электрогидравлическая запрессовка и так далее), даже при использовании доработанных конструкций сборок труб с трубными решетками, предопределяются неэффективностью положенного в их основу поперечно-прессового механизма образования соединений, когда:

1. Требуемые характеристики прочности и плотности достигаются только на стадии совместной деформации трубы и трубной решетки, причем на достаточно большой площади контакта соединяемых эпементов;

2. Напичие микронеровностей на контактируемых поверхностях соединяемых элементов обусловливают необходимость использования высоких по уровню радиальных давлений, которые, в конечном итоге, вызывают коробление трубной решетки;

3. Кольцевые канавки, предусмотренные в трубном отверстии, не за-попняются материалом трубы;

4. Коррозионная стойкость соединений труб с трубными решетками, как важнейшая служебная характеристика, не регламентируется техническими документами.

Рис. 3 - Трубные пучки перед их ремонтом {ООО «Ремонтно-механический завод» ЗАО НК ЮКОС - РМ)

Применение той или иной технологии закрепления труб в трубных решетках оправдано для определенных конструкций теплообменной аппаратуры, условий и требований её эксплуатации. Недостаточно обоснованный её выбор приводит к урону (аварии на Чернобыльской АЭС, АЭС «Хенфорд», «Тарапур» «Сан-онофр», «Милма», «Шипинг-порт», на атомных подводных лодках «Морской волк» (США), «Комсомолец», на Самарском НПЗ в ноябре 1997 года), который невозможно оценить только в денежном выражении.

Вибрационные, ударные и другие знакопеременные нагрузки при одновременном воздействии высоких давлений, температур и агрессивных сред обусловливают необходимость применения новых конструктивных решений в соединениях труб с трубными решетками, повышающими качество теплообменников, что, в свою очередь, ставит новые технологические задачи, связанные с закреплением труб в трубных решетках при изготовлении и ремонте трубных пучков.

Эффективная технологическая управляемость служебными характеристиками соединений, в том числе и их коррозионной стойкостью, достигается разработанным автором настоящей работы усовершенствованного механизма продольно - прессового локализованного закрепления и на его основе - рациональной технологий образования неразъемных соединений. При этом используются универсальные конструкции теплообменных труб с профилированными законцовками и соответствующие им новые конструкции сборок соединяемых элементов.

Данный механизм позволил впервые реализовать технологию закрепления труб в трубных решетках, где их плотность, прочность и коррозионная стойкость формируются раздельно как по времени, так и по местоположению. Управление служебными характеристиками весьма эффективно и прогнозируем срок межремонтного пробега любого трубного пучка.

Настоящая работа представляет собой законченный этап исследований, проводимых сотрудниками ООО «Ремонтно-механический завод» ЗАО НК ЮКОС - РМ под руководством автора настоящей работы и при активном участии сотрудников СГАУ имени академика С. П. Королева.

Результаты исследований позволили разработать научно-обоснованные рекомендации и технические требования на проектирование технологических процессов производства теплообменных труб с профилированными законцовками условия ТУ 1212-001-43950522-02 «Крепление труб с профилированными законцовками в трубных решетках теплообменных аппаратов» со сроком введения 01.06.2002 года, изготовление оснастки и выбор оборудования, а также на выполнение операций закрепления труб в трубных решетках.

Практическим итогом работы явилось проектирование и изготовление специальных производственных комплексов для производства труб с профилированными законцовками, получения отверстий в трубных решетках, а также изготовления трубных пучков в количестве 36 штук для Новокуйбышевского и Самарского НПЗ, ООО «Этанол», ООО «Завод масел и присадок».

Материал настоящей работы докладывался на научно-технических конференциях г. г. Москвы, Самары и Орла, а также на НТС родственных предприятий городов Тольятти, Бугульмы, Подольска, Воронежа и Калуги; обсуждался со специалистами из Азербайджана, Казахстана и Германии.

На международной выставке «Нефть и Газ - 97» и «Нефть и Газ -2001» представленные результаты работы вызвали положительные отзывы отечественных и зарубежных специалистов: «Индреско» (США), «Китайнефтегаз» и др.

На состоявшейся в августе 2001 года презентации продукции ООО «Ремонтно-механический завод» новые технологические процессы закрепления труб в трубных решетках при изготовлении и ремонте тепло-обменных аппаратов получили одобрение со стороны специалистов заинтересованных предприятий (см. в приложении «Заключение о новых технологиях»).

Автор настоящей работы выражают глубокую благодарность своему научному руководителю, заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., профессору Гречникову Ф. В., д.т.н., проф. Козий С. И. и коллективу кафедры ОМД СГАУ имени академика С. П. Королева за её активное обсуждение; инженерно-техническим работникам ООО «РМЗ», Большаковой Г. И., Мартыновой Е. В., Тамаровой О. Т., Христову В. Р., Иванникову Ю. Д., Глухову В. С., Землякову П. В., Дегтяреву Е. П., Переплетину А. Г., за помощь по освоению и внедрению новых разработок в производство; сотрудникам ЦЗЛ АО «Авиакор», Анискиной В. И., Куликовой Н. А., Осипову Н. М., за помощь в проведении испытаний неразъёмных соединений, сотрудникам, отдела механизации и автоматизации АО «Авиакор»

Иванову А. И.], Копелевичу А. М., Пескову А. Н., Долгушину С. И. за консультации, состоявшиеся в процессе выполнения настоящей работы.

1. Продольно-прессовый механизм образования неразъёмных соединений и на его основе - технологические процессы закрепления труб в трубных решетках.

Кожухотрубчатая теплообменная аппаратура является самой распространенной и интенсивно эксплуатируемой химическими, нефтеперерабатывающими и другими предприятиями.

Результаты работы послужили основанием для следующих выводов:

1. Разработана усовершенствованная методология продольно-прессового локализованного закрепления труб в трубных решетках, позволяющая эффективно управлять дискретно-пластическим формированием повышенных и долговременных служебных характеристик неразъёмных соединений (прочность труб на вырыв из трубной решетки превышает их прочность при растяжении в исходном сечении; давление разгерметизации не менее 16 МПа, срок межремонтного пробега трубных пучков при их бездефектной работе более 7 лет).

Создана обобщенная технологическая модель закрепления труб, включающая операции: раздачи законцовки в сочетании с эффективной изгибной деформацией её полотна; дорнование отверстий законцовки с предварительной её раздачей на конус, образованием пластического шарнира и последующем заполнением свободных объёмов поперечными сдвигами в полотне в условиях объёмной схемы напряженно-деформированного состояния.

2. Расчетными параметрами технологической модели закрепления труб в трубных решетках являются конструкция профилированной законцовки (длина опорного участка и его консольной части; длина переходного конического участка; длина и форма поперечного сечения нагружаемого участка); конструкция трубного отверстия (глубина и форма поперечного сечения кольцевых канавок; длина кольцевых поясков); сборки соединяемых элементов (длина выступания торца законцовки над лицевой поверхностью трубной решетки); стадии закрепления и силовые характеристики их выполнения; контроль неразъёмных соединений путём замера диаметра отверстия в трубах и их сравнение с контрольными значениями.

3. Разработан технологический процесс получения законцовки с внешним и внутренним профилированием для изготовления новых и трубных пучков ремонтного варианта. Впервые в практике производства законцовок используется локальный радиальный обжим, как элемент технологии, интенсифицирующий пластическую деформацию материала трубы. При этом достигается их единый типоразмер, что снижает потребность в инструменте по номенклатуре и его количеству.

4. Разработана концепция построения полуавтоматической линии с производительностью в 60 труб/час из специализированного оборудования, разработанного на ООО «Ремонтно-механический завод»: косовал-ковая правильная машина, машина для зачистки концов труб, торцовочная машина, горизонтальный гидравлический пресс двойного действия, универсальный производственный комплекс для дорнования.

5. Разработаны способы ускоренных испытаний, имитирующих влияние коррозии на внутренние слои трубы при параметрах эксплуатации трубных пучков, что позволяет прогнозировать их срок бездефектной работы.

6. Выпущены технические условия ТУ 1212-001-43950522-02 «Крепление труб с профилированными законцовками в трубных решетках теплообменных аппаратов» со сроком введения 01.06.2002 года.

7. Изготовление трубных пучков для предприятий нефтепереработки и нефтехимии обеспечило получение экономического эффекта в размере около 500 тыс. рублей.

Результаты настоящих исследований вошли в состав конкурсной работы «Высокоэффективные технологии изготовления и ремонта трубных пучков теплообменных аппаратов», удостоенной Губернской премии по Самарской области за 2001 год.

Заключение

Настоящая работа выполнена с целью создания научно обоснованной высокоэффективной технологии усовершенствованного продольно-прессового локализованного закрепления труб в трубных решетках теплообменных аппаратов.

Программа исследований, намеченная в соответствии с целью работы, выполнена полностью.

1. Краснов В. И., Максименко М. 3. Ремонт теплообменников. М.: «Химия», 1990, 104 е.;

2. Юзик С. И. Развальцовка труб в судовых теплообменных аппаратах. -Л.: Судостроение, 1978, 144 е.;

3. Мазуровский Б. Я. Электрогидроимпульсная запрессовка труб в трубных решетках теплообменных аппаратов. Киев: «Наукова думка», 1980, 170 е.;

4. Ткаченко Г. П., Бриф В. М. Изготовление и ремонт кожухотрубчатой теплообменной аппаратуры. М.: Машиностроение, 1980, 160 е.;

5. Отраслевой стандарт 26-02-1015-85. Крепление труб в трубных решетках. М.: Министерство химического и нефтяного машиностроения, 1985. 27 е.;

6. Гладилин А. Н., Сторожев М. В., Попов В. А. и др. Технология металлов. М.: Машгиз, 1952. 709 е.;

7. Пресняков А. А. Локализация пластической деформации. М.: Машиностроение, 1983. 56 е.;

8. Диссертация Козий С. С. «Разработка высокоэффективных технологий продольно-прессового локализованного закрепления труб в трубных решетках» на соискание ученой степени кандидата техни-' ческих наук. Самара: СГАУ, 2002. 228 с;

9. Патент RU № 2179903 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С./ по заявке 2000113151, бюл. № 6 от 27.02.02;

10. Патент RU № 2177853 С1, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С./ по заявке 2000110552, бюл. № 1 от 10.01.02;

11. Патент RU № 2177852 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С./ по заявке 2000102498, бюл. № 1 от 10.01.02;

12. Патент RU № 2177851 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С./ по заявке 2000102497, бюл. № 1 от 10.01.02;

13. Патент RU № 2174889 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С./ по заявке 99127564, бюл. № 29 от 20.10.01;

14. Патент RU № 2171154 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных отверстиях. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С. и др./ по заявке 99118811, бюл. № 21 от 27.07.01;

15. Патент RU № 2170635 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С. и др./ по заявке 99119623, бюл. № 20 от 20.07.01;

16. Патент RU № 2177854 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С./ по заявке 99123982, бюл. № 1 от 10.01.02;

17. Патент RU № 2174888 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С./ по заявке 99123235, бюл. № 29 от 20.10.01;

18. Патент RU № 2174887 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С./ по заявке 99123133, бюл. № 29 от 20.10.01;

19. Патент RU № 2168631 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С./ по заявке 99118812, бюл. № 18 от 27.06.01;

20. Патент RU № 2169630 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С. и др./ по заявке 99118810, бюл. № 18 от 27.06.01;

21. Патент RU № 2164835 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Козий С. С., Батраев Г. А., Козий С. И./ по заявке 99108066, бюл. № 10 от 10.04.01;

22. Патент RU № 2164189 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Козий С. С., Батраев Г. А., Козий С. И./ по заявке 99108109, бюл. № 8 от 20.03.01;

23. Патент RU № 2163851 С1, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ получения теплообменных труб. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С. и др./ по заявке 99113055, бюл. № 7 от 10.03.01;

24. Патент RU № 2163850 С 1, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С. и др./ по заявке 99113151, бюл. № 7 от 10.03.01;

25. Патент RU № 2162021 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Козий С. И., Козий Т. Б., Батраев Г. А., Гречников Ф. В./ по заявке 98111655, бюл. № 2 от 20.01.01;

26. Патент RU № 2196017 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ получения теплообменных труб с профилированными внешними законцовками. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С./ по заявке 2001100890, бюл. № 1 от 10.01.03;

27. Патент RU № 2173232 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С./ по заявке 99125540, бюл. № 35 от 10.09.01;

28. Патент RU № 2173231 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С./ по заявке 99121593, бюл. № 25 от 10.09.01;

29. Патент RU № 2171155 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных отверстиях. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С. и др./ по заявке 99120204, бюл. № 21 от 27.07.01;

30. Патент RU № 2162023 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных отверстиях. /Козий С. С., Батраев Г. А., Козий С. И./ по заявке 98121969, бюл. № 2 от 20.01.01;

31. Патент RU № 2160174 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С. и др./ по заявке 97109181, бюл. № 34 от 10.12.00;

32. Патент RU № 2165325 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С. и др./ по заявке 99108941, бюл. № 11 от 20.04.01;

33. Патент RU № 2157289 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Иванников Ю. Д., Козий Т. Б., Гречников Ф. В./ по заявке 97122012, бюл. № 28 от 10.10.00;

34. Патент RU № 2129056 С1, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Иванников Ю. Д., Козий Т. Б., Гречников Ф. В./ по заявке 97117333, бюл. № 11 от 20.04.99;

35. Патент RU № 2198051 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ комбинированного закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С./ по заявке 2001105331, бюл. № 4 от 10.02.03;

36. Патент RU № 2190492 С1, кл. В21 D 39/06, 53/08. Способ закрепления труб в трубных решетках. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С./ по заявке 2001100978, бюл. №28 от 10.10.02;

37. Пресняков А. А. Локализация пластической деформации. М.: Машиностроение, 1983. 56 е.;

38. Сторожев М. В., Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением. М.: «Высшая школа», 1963. 388 е.; Сторожев М. В., Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением. - М.: Машиностроение, 1971. 424 е.;

39. Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1986. 688 е.;

40. Губкин С. И. Пластическая деформация металлов, т. I, II, III. -М.: Металлургиздат, 1960;

41. Шмыков А. А. Справочник термиста. М.: Машгиз, 1961, 392 е.;

42. Дорошенко П. А. Технология производства судовых парогенераторов и теплообменных аппаратов. Л.: Судостроение, 1972. 360с.;

43. Патент RU № 2195638 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ гидравлических испытаний на плотность вальцовочных соединений. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С./ по заявке 2001104053, бюл. № 36 от 27.12.02;

44. Патент RU № 2195639 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ гидравлических испытаний на плотность вальцовочных соединений. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С./ по заявке 2001104059, бюл. № 36 от 27.12.02;

45. Патент RU № 2195640 С2, кл. В 21 D 39/06, 53/08. Способ гидравлических испытаний на плотность вальцовочных соединений. /Батраев Г. А., Козий С. И., Козий С. С./ по заявке 2001104797, бюл. № 36 от 27.12.02;

46. ОСТ 26-17-01-83. Аппараты теплообменные и аппараты воздушного охлаждения. Стандартные технические требования к развальцовке труб с ограничением крутящего момента. М.: Издательство стандартов, 1984, 36 с. ;

47. Аверкиев Ю. А., Аверкиев А. Ю. Технология холодной штамповки. М.: Машиностроение, 1989. - 604 е.;

48. Проскуряков Ю. Г. Дорнование цилиндрических отверстий. -М. Свердловск: Машгиз, 1958. - 112 е.;

49. Паспорт СВ-М1А-ООО-НС. 1980. 32 с.