автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Обеспечение качества поверхностного слоя соединений труба-коллектор, труба-трубная доска теплообменного оборудования атомных энергоустановок с учетом технологической наследственности при их изготовлении

На правах рукописи

ЯГУТКИН ЕВГЕНИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБА-КОЛЛЕКТОР, ТРУБА-ТРУБНАЯ ДОСКА ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ АТОМНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ ПРИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИИ

Специальность 05.02.08 - «Технология машиностроения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 MAP 2015

Москва 2015 г.

005560557

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации Акционерном обществе «Научно-производственное объединение «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения» (АО «НПО «ЦНИИТМАШ»),

Научный руководитель:

Кандидат технических наук, доцент Клауч Дмитрий Николаевич

Официальные оппоненты:

Куликов Михаил Юрьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)»

Ларионов Максим Александрович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник — начальник группы ФГУП ЦНИИмаш

Ведущая ФГБОУ ВПО «Московский государственный

организация: машиностроительный университет (МАМИ)»

Защита диссертации состоится21 апреля 2015 г. в 16.00 на заседании диссертационного совета Д 217.042.02 при АО «НПО «ЦНИИТМАШ» по адресу: 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д. 4. Тел/факс: (495) 675-83-05.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке АО «НПО «ЦНИИТМАШ» по адресу: 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д. 4 и на сайте цниитмаш.рф.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения (организации), просим направлять в диссертационный совет по указанному адресу.

Автореферат разослан «26» февраля 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационногосоветаД 217.042.02, /"у^ ^ кандидат технических наук, доцент / Д.Н. Клауч

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.Повышение надежности

теплообменногооборудования атомных энергетических установок (АЭУ) является весьма актуальной проблемой для обеспечения безопасности АЭС.

Одним из наиболее высоконагруженных, ответственных и сложных узлов АЭУ являются трубные соединения в системах труба-коллектор и труба-трубная доска. Работоспособность и надежность этих систем во многом обуславливается рациональной технологией их изготовления с обеспечением высокого качества поверхностного слоя элементов соединений, в том числе глубоких отверстий в коллекторах и трубных досках, а так же в теплообменных трубах с учетом технологической наследственности по всему циклу изготовления трубных соединений.

Цель работы.Исследование влияния технологии изготовления и технологической наследственности на качество поверхностного слоясоединений труба-коллектор, труба-трубная доска и разработка рекомендаций по совершенствованию технологии их изготовления, обеспечивающихповышение качества теплообменного оборудования АЭУ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1 Исследовать и установить закономерности влияния технологии обработки глубоких отверстий в коллекторах и трубных доскахна качество поверхностного слоя отверстий и основные эксплуатационные характеристики элементов теплообменного оборудования.

2 Исследовать влияние технологии закрепления труб методом гидрораздачи и механического вальцевания на качество поверхностного слоя деталей трубных соединений.

3 Исследовать влияние технологической наследственности на качество поверхностного слоя трубных соединенийпо всему циклу их изготовления.

Решение указанных задач позволяет установить влияние как отдельных операций, так и комплексное влияние с учетом технологической наследственности на качество поверхностного слоя трубных соединений.

Методы исследований. Исследования проводились в лабораторных условиях АО «НПО «ЦНИИТМАШ» и производственных условиях ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск» с использованием специальных станков и лабораторных установок для глубокого сверления, оборудования для механического вальцевания, установок для гидрораздачи, испытательных автоклавов, современного измерительного оборудования. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались графоаналитическими и статистическими методами с применением специальных программ и вычислительной техники.

Научная новизна.Установлены закономерности формирования поверхностного слоя трубных соединений теплообменного оборудования с

и

учетом технологической наследственностипо всему циклу их изготовления.Показано значительноевлияние режимов обработки на формирование остаточных напряжений в поверхностном слое при сверлении сверлами ВТА и развертывании глубоких отверстий в коллекторах и трубных досках. Доказано, что для обеспечения формирования остаточных напряжений сжатия следует ограничивать скорость резания при развертывании и обеспечить снятие равномерного припуска заданной величины для гарантированного удаления поверхностного слоя с остаточными напряжениями растяжения, которые могут образовываться после сверления. Установлено, что запатентованный способ обработки глубоких отверстий, обеспечивающий стабильное базирование, центрирование сверл и разверток, равномерное удаление припуска, позволяет повысить качество трубных соединений АЭУ. Впервые выявлены особенности формирования поверхностного слоя на операциях гидрораздачи и механического вальцевания.

Практическая ценность.В результате выполненной работы разработаны рекомендации по комплексному технологическому процессу изготовления соединений труба-коллектор, труба-трубная доска, включающемуобработку глубоких отверстий, процессы гидрораздачи и механического вальцевания труб, обеспечивающие повышение качества и надежности теплообменного оборудования.

Рекомендации используются при изготовлении трубных соединений теплообменногооборудования на ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск» и «АТОММАШ».

Личный вклад автора.Автором выполнен комплекс исследований влияния технологической наследственности на качество поверхностного слоя трубных соединений. Разработаны рекомендации по рациональной обработке глубоких отверстий и закреплению труб.Все результаты диссертационной работы получены автором лично или при его непосредственном участии в проведении экспериментов и производственных испытаний.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались наВторой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее Машиностроения России», МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009г.; Международной выставке машиностроения МАШЕКС 2010, Крокус Экспо, 2010г.; Научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии для атомного, энергетического и тяжелого машиностроения», АО «НПО «ЦНИИТМАШ», 2011 г.; 19-ом международномсеминаре «Технологические проблемы прочности», Подольск 2012 г.; Международной научно-технической конференции «Инноватика в Технологии конструкционных

материалов»,МАМИМосква2014 г.; Заседании секции НТС Госкорпорации «РОСАТОМ» «Технология атомного машиностроения», 2014 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ.

Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка использованных источников, приложения. Изложена на 144 печатных страницах, содержит 95 рисунков и графиков, 20 таблиц, список использованных источников состоит из 101 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы обеспечения и повышения качества изготовления теплообменного оборудования в современном энергетическом и атомном машиностроении.

В первой главепредставлен анализ конструкций теплообменного оборудования. В этих конструкцияходним из наиболее ответственных узлов являются соединения труба-коллектор и труба-трубная доска, количество которых может доходить до 11 ООО шт. в изделии.

Технологическими операциями, определяющими качество соединений, являются глубокое сверление, развертывание отверстий и закрепление труб в трубных досках и коллекторах.

Исследованию процесса глубокого сверления посвящено большое количество публикаций Уткина Н.Ф., Кирсанова C.B., Минкова М.А., Серебреницкого П.П., Кожевникова Д.В., Терехова В.М., Захарова Н.В. Шашкова В.П., Масарновского В.И., Клауча Д.Н., Овсеенко А.Н., Кущевой М.Е., Могутова И.В., Диннебера Ю.и др.

Основы процесса запрессовки труб подробно представлены в работах Юзика С.И., Кравец М.П., Санькова Н.И., Парахина В.К., Терехова В.М., Белоусова В.П., Кондратенко JI.A., Мазуровского Б.Я., Степанова В.Г., Шаврова И.А.и др.

Анализ работ в области обработки глубоких отверстий и закрепления труб в трубных досках и коллекторах энергетических установок позволяет сделать следующие выводы.

Применительно к изготовлению деталей теплообменного оборудования наиболее распространенным методом обработки является сверление ружейными сверлами и сверлами типа ВТА. Наиболее рациональным способом закрепления труб является закрепление при помощи гидрораздачи совместно с механическим вальцеванием определенных участков трубы.

Однако, отсутствуют систематизированные данные о влияниитехнологической наследственности на качество поверхностного слоя трубных соединений по всему циклу их изготовления.

Во второй главеизложена методика проведения экспериментов, используемое оборудование и инструменты.

Глубокие отверстияобрабатывались на станках с ЧПУ для глубокого сверления модели 2BW500-3-1000 фирмы «ТВТ»и модели «HTB-IIIWE»

фирмы «KOLB»b условиях ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО -Подольск». Контрольные образцы обрабатывались на установке для глубокого сверления АО «НПО «ЦНИИТМАШ».

Образцы изготавливались из различных марок сталей, используемых для изготовления деталей теплообменного оборудования - 10ГН2МФА-Ш, 09Г2С-А, 10Х2М-ВД, 22К, 08Х18Н10Т, 07Х12НМФБ.

Определение остаточных напряжений проводилось на установке АО «НПО «ЦНИИТМАШ» с лазерным измерителем перемещений и компьютерной обработкой результатов.

Шероховатость обработанной поверхности измерялась прибором профилографом - профилометром TR200 «TimeGroupInc».

Деформационное упрочнение оценивается путем измерения микротвердости на приборе ПМТ-3.

Повреждаемость в коррозионной среде после различных методов обработки исследовалась на специальной установке.

Усталостная прочность определялась на электрогидравлической машине РО 0458 фирмы «Шенк» с учетом нагруженности коллектора в процессе эксплуатации. Для этого применялись специальные образцы.

Эксперименты по вальцеванию проводились на специальном стенде конструкции АО «НПО «ЦНИИТМАШ».

Процесс закрепления теплообменных труб в трубных досках и коллекторах гидрораздачейпроводился на установке HYTEX-4000 фирмы "BALCKEDÜRR".

Для обработки глубоких отверстий использовались ружейные сверла с наружным отводом стружки, сверла с внутренним отводом стружки типа ВТАи развертки различных типов.

В работе исследовались соединения труба-коллектор, труба-трубная доска, полученные различными методами:

- механическим вальцеванием;

- гидрораздачей.

Для закрепления теплообменных труб механическим способом применялись роликовые вальцовки различных типов.

На операциях гидрораздачи использовались специальные зонды с уплотнителями. Диаметр зонда подбирался индивидуально к каждому отверстию. Операция гидрораздачи проводилась в два этапа:

1 - гидрораздача при давлении « 250 МПа;

2 - гидрораздача при давлении «350 МПа.

В качестве смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) при обработке отверстийиспользовалась жидкость на масляной основе МРЗ-К.

Определение остаточных напряжений в поверхностном слое отверстий осуществлялось по методу H.H. Давиденкова - И.А. Биргера на установке АО «НПО «ЦНИИТМАШ» с удалением поверхностного слоя электрохимическим способом.

Деформационное упрочнениеповерхностного слоя (наклеп) измерялось на косых шлифах.

В третьей главеприведены результаты исследования качества поверхностного слоя при обработке глубоких отверстий.

Исследовалось влияние технологии обработки глубоких отверстий на остаточные напряжения, шероховатость, деформационное упрочнение поверхностного слоя после сверления и развертывания отверстий в сталях 10ГН2МФА, 09Г2С-А, 10Х2М-ВД, 22К, 08Х18Н10Т.

В качестве режущего инструмента использовались сверла с внутренним отводом стружки (типа ВТА) и ружейные сверла с наружным отводом стружки диаметром 15,85 мм.

Режимы резания при сверлениихкорость резания Vot 55 м/мин до 100 м/мин;подача на оборот S0 от 0,022 мм/об до 0,145 мм/об.

Проведенные эксперименты показали, что в зависимости от режимов резания (скорости, подачи), обрабатываемого материала, геометрических параметров режущей части инструмента в поверхностном слое при сверлении могут формироваться как остаточные напряжения растяжения, так и сжатия различной величины по глубине поверхностного слоя.

На рисунке 1 приведеныэпюры тангенциальных остаточных напряжений в стали 10ГН2МФА после сверления сверлами с внутренним

отводом стружки на различных режимах резания.

б

400

а

§

3<Ю

о

| 200

&

2

- 100

о

Ш

Р

Ъ 0 а

(г4

S

о

° -100

Глубина слоя, мм 1 - V = 60 м/мин,Б0 = 0,1 мм/об;2 - V = 70 м/мин, 8о=0,05 мм/об;

3 - У= 70 м/мин, 80= 0,086 мм/об; 4 - У= 70 м/мин, 8„= 0,107 мм/об;

5 - У= 100 м/мин, 8о=0,025 мм/об. Рисунок 1- Тангенциальные остаточные напряжения в поверхностном слое при сверлении сверлом ВТА

Проведенные эксперименты показали, что при глубоком сверлении стали 10ГН2МФА увеличение подачи от 0,025 до 0,1 мм/об приводит к образованию в поверхностном слое глубиной ~ 0,1 мм остаточных напряжений растяжения (до 350 МПа).

При сверлении отверстий в стали 09Г2С с подачей0,03 мм/обв поверхностном слое формируются остаточные напряжения сжатия, достигающие 170 МПа, при сверлении с подачей 0,06 мм/обв поверхностном

слое глубиной до 0,2 мм формируются остаточные напряжения растяжения, достигающие 130 МПа.

Послесверления отверстий в стали 10Х2М-ВД с подачейБц = 0,145 мм/обв поверхностном слое формируются остаточные напряжения растяжения глубиной до 0,15 мм.

В стали 22К (У= 70 м/мин;80 = 0,14 мм/об)в слое глубиной 0,04 мкм формируются остаточные напряжения сжатия величиной 150 - 200 МПа, далее они переходят в напряжения растяжения величиной 50-90 МПа.

Таким образом, после операции сверления, в поверхностном слое формируются как остаточные напряжения растяжения, так и сжатия.

Проведены исследования остаточных напряжений после обработки глубоких отверстий ружейными сверлами с внутренним подводом СОЖ и наружным отводом стружки. На рисунке 2 приведена одна из эпюр остаточных напряжений в поверхностном слое глубоких отверстий после обработки сверлами 015,9 мм, глубиной 170 мм в стали 10ГН2МФА и характерные эпюры остаточных напряжений при обработке глубоких отверстий ружейными сверлами в нержавеющей стали 08Х18Н10Т (V = 65 м/мин; Бо = 0,04 мм/об).

Глубина слоя, мм

1, 2 - в нержавеющей стали 08Х18Н10 (V = 65 м/мин, Б,, = 0,04 мм/об);

3,4 - в стали 10ГН2МФА(У = 85 м/мин; 80 = 0,04 мм/об) Рисунок 2 - Остаточные напряжения в поверхностном слое глубоких отверстий после сверления ружейным сверлом

Проводились исследования остаточных напряжений после операции развертывания прискорости резания V от 5 м/мин до 77 м/мин; подаче 8„ от 0,1 мм/об до 0,4 мм/об.На операции развертывания применялись развертки диаметром 16,25 мм избыстрорежущей стали и твердого сплава.

Установлено, что после операции развертывания в поверхностном слое отверстий формируются в основном остаточные напряжения сжатия. Однако при высоких скоростях резания (У> 20 м/мин) отмечено формирование

остаточных напряжений растяжения, максимум которых у поверхности достигает величины 200 МПа.При уменьшении скорости резания снижается как величина максимальных напряжений, так и глубина слоя с напряжениями растяжения.После сверления и последующего развертывания стали ЮГШМФАсо скоростью резания 20 м/мин и подаче 0,35 мм/об, остаточные напряжения растяжения обнаружены только в тонком поверхностном слое 0,02 - 0,05 мм, переходящие на большей глубине в нулевые или в напряжения сжатия. При уменьшении величины подачи до 0,13 мм/об обнаружены остаточные напряжения сжатия(рисунок 3).

СИ

С

х 100

1 К о.

-100

е

СЗ

п

■200

/-

чК А 1 0, 2 0. 3

11,16,4

\з_

Глубина слоя, мм Сверление Развертывание

1 У= 67м/мин;80 = 0,022 мм/об V = 20 м/мин;8о=0,375 мм/об

2 V = 67 м/мин;Б0 = 0,022мм/об V = 20 м/мин;80 = 0,375 мм/об

3 V = 67 м/мищБо = 0,022 мм/об V = 20 м/мин;80 = 0,13 мм/об Рисунок 3 - Тангенциальные остаточные напряжения в образцах из стали

10ГН2МФА при сверлении сверлом ВТА и развертывании

Анализ эпюр остаточных напряжений в поверхностном слое образцов из стали 10Х2М-ВД после развертывания показывает, что при скорости резания У= 20 м/мин и подаче Бо = 0,35 мм/об формируются, в основном, остаточные напряжения сжатия (до 120 МПа), распространяющиеся на глубину до0,25 мм.

Для установления возможностей гарантированного формирования в поверхностном слое отверстий остаточных напряжений сжатия были проведены эксперименты по обработке режуще-упрочняющими развертками (рисунок4).

св

с

100

а

<о §

в!

о, | "10°

4>

3 I ■т о

ё н

0

-200

-300

1

1 1 1 — / /' 0, 2 0, 3

У ' 0, ,11.1 _!_! 1 \0А

__-А---

/ к

1

Глубина слоя, мм Сверление Развертывание

1 V = 67 м/мин; Б0 = 0,022 мм/об V = 5 м/мин;Б,, = 0,158 мм/об

2 V = 67 м/мин; 80 = 0,022 мм/об V = 5 м/мин; 80 = 0,35 мм/об Рисунок 4 - Остаточные напряжения в образце из стали 10ГН2МФА при

сверлении сверлом ВТА и развертывании режуще-упрочняющей разверткой

Натяг упрочняющей диаметротверстия.

части составляло,01 - 0,02

на

Применение упрочняющих разверток можно эффективно использовать для получения поверхностного слоя с остаточными напряжениями сжатия.

Анализ эпюр остаточных напряжений после операции развертывания показывает, что величина и глубина распространения напряжений в поверхностном слое существенно зависит от режимов резания. При обработке твердосплавными развертками на высоких скоростях резания формируются остаточные напряжения растяжения, максимум которых у поверхности достигает величины +200 - +400 МПа. С уменьшением скорости резания снижается как величина максимумов напряжений, так и глубина слоя с напряжениями растяжения.

При развертывании на скоростях резания 18-20 м/мин и подаче 0,35 мм/об остаточные напряжения растяжения образуются только в тонком поверхностном слое 0,02 - 0,05 мм. На большей глубине они переходят в напряжения сжатия. Напряжения сжатия величиной до 300 МПа получены при скоростях резания менее 10 м/мин при подаче 0,15 мм/об. При скорости резания 20 м/мин и подаче до 0,14 мм/об их величина -100 МПа.

Установлено, что скорость резания при развертывании оказывает существенное влияние на шероховатость поверхности. При увеличении скорости резания от 8 м/мин до 77 м/мин величина шероховатости поверхности уменьшается от 5,79 мкм до 1,48 мкм (при подаче Б = 0,35 мм/об) (рисунок 5).

На рисунке 6 приведено распределение микротвердости поверхностного слоя образцов после сверления и развертывания.Сверление проводилось при скорости резанияУ=100 м/мин с подачей 8=0,03 мм/об.Скорость резания при развертывании составляла 8 и 20 м/мин, подача 0,35 мм/об.

Глубина поверхностного слоя, мкм •- У=20 м/мин, Б = 0,35 мм/об; X - У= 8м/мин, Э = 0,35 мм/об Рисунок 6- Распределение микротвердости по глубине поверхностного слоя отверстий после развертывания стали 10Х2М-ВД

Анализ экспериментальных данных показывает, что при скорости резания 8 м/мин максимальнаямикротвердость поверхностного слоя

о 10 20 30 40 50 60 70 ЕО 90

Скорость резания, м/мин Рисунок 5 - Влияние скорости резания на шероховатость поверхности при развертывании образцов из стали 10ГН2МФА

составляет 4300 МПа, при У=20м/мин микротвердость достигает5000 МПа.Глубина упрочненного слоя составляет от 30 до 70 мкм.

В четвертой главе приведены результаты исследований влияния методов закрепления труб на качество поверхностного слоя деталей трубного соединенияпри механическомвальцевании и гидравлической раздаче.

Для обеспечения равномерного прилегания и закрепления труб к поверхности отверстия перед последующей герметизирующей сваркой проводится предварительное вальцевание (подвальцовка).Схема подвальцовки образцов приведена нарисунке 7, а вальцевания - на рисунке 8.

15-1

Рисунок 7- Схема подвальцовки трубы в ложементе для последующей сварки

3

1 — ролик, 2 - ложемент, 3 - труба

Рисунок 8- Схема механического вальцевания трубы

Эксперименты по лодвальцовке проводилась на специальном стенде АО «НПО «ЦНИИТМАШ» с использованием образцов ложементов с отверстием диаметром 16,25+0'17 мм, наружным диаметром 40 мм и длиной 60 мм и270 мм, в которые устанавливались трубы диаметром 16 мм с толщиной стенки 2мм.

Нарисунке9 приведены зависимости усилия сдвига от крутящего момента вальцевания.

я

а 40

РХ о а>

Щ 30

я

о

10 о

4,4 5,2 7 8,2 12 15 19 Крутящий момент, Нм ш- после подвальцовки при рабочей длине роликов 14 мм, ширина прижатия трубы к ложементу - 4,5 (момент, Нм: 4,4; 5,2; 7; 8,2)

• - после вальцевания при рабочей длине роликов 30 мм, ширина прижатия трубы к ложементу - 30 мм (момент, Нм: 12; 15; 19) Рисунок 9- Зависимость усилия сдвига трубы из ложемента от крутящего момента

I

При исследовании соединения труба - трубная доска после запрессовки труб методом гидрораздачи определялись следующие параметры:

-местные зазоры в соединениях (несплошность контакта);

- усилие сдвига;

-прочностные характеристики материала труб при испытании нарастяжение;

- микротвердость поверхностного слоя образцов;

- шероховатость поверхности образцов;

- остаточные напряжения в поверхностном слое образцов.

Запрессовка труб проводилась гидрораздачей с последующим механическим вальцеванием.

Из полученных данных следует, что при гидрораздачес давлением 3600 МПа воздействие на поверхностный слой трубы и ложемента проявляется в значительно меньшей степени, чем при запрессовке механическим вальцеванием. Уровень остаточных напряжений в поверхностном слое отверстий ложемента на глубине более 0,05 мм не превышал -50 МПа. Изменения микротвердости и шероховатости поверхностного слоя трубы и ложемента незначительны. Установлено, что:

- шероховатость наружной поверхности трубы при вальцевании практически не изменяется и находится в пределах Яа0,77 ... 11а 1,2 мкм; -шероховатость внутренней поверхности трубы после вальцевания уменьшается сЯа1 - 2,84 мкмдо Яа0,8мкм;

! У

/ /

/

/ /

1

:

-шероховатость поверхности отверстия в ложементе после вальцевания практически не изменяется (до вальцевания 11аЗ,84 мкм, после - Яа3,32 мкм).

Анализ эпюр тангенциальных остаточных напряжений после вальцевания показывает, что в поверхностном слое наружной и внутренней поверхности трубы могут быть как напряжения сжатия, так и растяжения.

В пятой главеприведены результаты анализавлияния технологической наследственностина качество поверхностного слоя трубных соединений оборудования АЭУ.

Анализ результатов исследований показал, что при сверлении глубоких отверстий в зависимости от режимов резания наблюдается нестабильность в формировании остаточных напряжений в тонком поверхностном слое. Они могут отличаться как по характеру, так и по величине (остаточные напряжения растяжения до +300 МПа и остаточные напряжения сжатия до -100 МПА) и распространяться на глубину до 0,2 мм.

Для обеспечения требований к глубоким отверстиям по форме, точности диаметра, качеству поверхностного слоя применяется финишная операция развертывания отверстий.

Исследования остаточных напряжений после операции развертывания показали, что при использовании рациональных режимов резания (до V = 18 м/мин, Б = 0,35 мм/об) и упрочняющей развертки формируются остаточные напряжения сжатия, однако при увеличении скорости резания до 80 м/мин в поверхностном слое образуются остаточные напряжения растяжения.

Для установления величины припуска на операцию развертывания с целью гарантированного удаления слоя с возможными остаточными напряжениями растяжения определены остаточные напряжения после развертывания отверстий с припуском 0,1 мм и 0,2 мм (рисунок 10).

\ Сверле ние

\

V Растяжение

0. ' • , ,

1 1 1 0

с«™

Разверты вание при пуск 0,1 м м

г, 1 -"Г7 I —- в 0 Гйстажение

0 0,4

Сжэтие

0,1 мм

I о

1 с

о -20С

Разверть вание пр1 пуск 0,2 5 м

о ' 1 [ 1 1 0 Растяжение

Сжашс

0,2 мм

Рисунок 10 - Тангенциальные о статочные напряжения в образце из стали 10ГН2МФА после операции сверления и развертывания с учетом технологической наследственности

На основании проведенных исследований установлено, что с учетом технологической наследственности после сверления глубоких отверстий, когда в поверхностном слое могут формироваться остаточные напряжения растяжения, необходимо проведение операции развертывания отверстий на рациональных режимах резания с обеспечением припуска ~ 0,2 мм, гарантирующего удаление слоя с остаточными напряжениями растяжения.

С учетом технологической наследственности разработан и запатентован (патент №2413596ЦНИИТМАШ и ЗиО-Подольск) способ обработки глубоких отверстий, обеспечивающий стабильное базирование, центрирование сверл и разверток, равномерное удаление заданного припуска, отвод стружки из зоны резания без контакта с обработанной поверхностью, что позволяет повысить качество трубных соединений АЭУ.

Последующей операцией после сверления и развертывания глубоких отверстий является закрепление теплообменных труб.

На рисунке 11 приведена эпюра тангенциальных остаточных напряжений после гидравлической раздачи труб и механического вальцевания.

1 - после гидрораздачи; 2 -после механического вальцевания (Мкр = 9 Нм);

3 -после механического вальцевания (Мкр =12 Нм) Рисунок 11 — Тангенциальные остаточные напряжения в образце из стали 10ГН2МФА

После операции гидрораздачи в поверхностном слое формируются I остаточные напряжения сжатия величиной —50 МПа. После механического вальцевания - остаточные напряжения сжатия величиной от -100 МПа до -350 Мпа в зависимости от величины крутящего момента.

Анализ результатов исследований показал, что упрочнение поверхностного слоя после операции сверления и развертывания составляет 20% - 50% с глубиной залегания до 0,1 мм.

После операции гидрораздачи, в исследуемом диапазоне режимов, существенных изменений микротвердости поверхностного слоя не наблюдается.

В шестой главе представлены исследования влияния технологии обработки глубоких отверстий на повреждаемость в коррозионной среде и усталостную прочность.

Задачей экспериментов являлось определение влияния воздействия водных растворов, имитирующих среды АЭС, на повреждаемость образцов, поверхность которых подвергалась механической обработке с деформациямии остаточными напряжениямиразличной величины и знака.

Образцы изготавливались из аустенитной нержавеющей стали 08Х18Н10Т,которая имеет высокую склонность к хлоридному растрескиванию под напряжением.

Испытаниям на стойкость к коррозионному растрескиванию (КР) подвергали следующие виды образцов. 1

1-ая серия: образцы - «кольца» 033 мм, внутреннюю поверхность которых обрабатывали с различными режимами резания. Уровень остаточных напряжений составлял от 0 до +300 МПа.

2-ая серия: плоские образцы размером 80x10 х 3 мм. Уровень остаточных напряжений составлял от -300 МПа до +300 МПа. На плоских образцах моделировалось напряженное состояние поверхностного слоя путем обработки различными методами:

- шлифование с формированием в поверхностном слое остаточных напряжений растяжения;

- упрочнение дробью с формированием остаточных напряжений сжатия;

- шлифование с последующим отжигом (снятие остаточных напряжений).

Образцы испытывались без внешних нагрузок.

Анализ результатов испытаний показал, что на внутренней поверхности кольцевых образцов (имеющих в поверхностном слое остаточные напряжения растяжения) после их испытаний на КР в водных растворах имелись слои с трещинами коррозионного растрескивания. В образцах с остаточными напряжениями сжатия трещин не обнаружено.

Трещины инициируются с внутренних поверхностей образцов типа «кольцо», имеющих остаточные напряжения растяжения и контактирующих с коррозионной средой, как правило, ориентированы под углом - 30° к поверхности.Трещины разветвлены, разрушение многоочаговое, развитие трещин имеет транскристаллитный характер.Трещины наблюдаются винтервале значений остаточных напряжений от +50 МПа до +300 МПа и концентрируются в очень тонком слое, соизмеримом с глубиной распространения остаточных напряжений растяжения, вызванных механической обработкой.

Результаты сравнительных испытаний на стойкость к КР, как функции состояния поверхности по наличию, характеру и величине остаточных напряжений и условий дополнительных нагружений получены при выдержке образцов в «ускоренном» растворе.

Термообработка для снятия остаточных напряжений была проведена по режиму — 650°С, нагрев 1,5 часа, выдержка 2 часа, остывание с печью.

Испытание этих образцов осуществляли при нагружении изгибом (в «скобе») с напряжениями на поверхности +300 МПа.

Металлографический анализ состояния поверхности образцов после испытаний на КР в «ускоренном» растворе показал следующее:

- на поверхности шлифованных образцов при наличии остаточных напряжений растяжения имеются множественные весьма неглубокие трещины, ориентированные в поперченном направлении;

- поверхность образцов, подвергнутых шлифованию с последующей термообработкой для снятия напряжений, не имеет массового поражения трещинами КР, но наблюдаются мелкие участки округлой формы повышенной травимости;

- на поверхности образцов, подвергнутых наклепу (в поверхностном слое сформированы остаточные напряжения сжатия), трещин КР, как и следовало ожидать, не обнаруживается;

- поверхности образцов, испытанных на стойкость к КР в «ускоренном» растворе при извне приложенном напряжении ~ +350 МПа имеют

множественные поражения трещинами коррозионного растрескивания под напряжением.

Исследования усталостной прочности в коррозионной среде проводились на образцах с отверстиями, обработанными по различным технологическим вариантам. Уровень остаточных напряжений варьируется в широких пределах: от +200 до -200 МПа, шероховатость поверхности ЯаО.З -5- 5,7 мкм.

Анализ результатов испытаний позволяет определить общие тенденции влияния параметров качества поверхностного слоя на коррозионно-усталостную прочность.Изменение уровня остаточных напряжений от (-100 -200) до (+150 +200) приводит к значительному (более чем 2* кратному) снижению количества циклов до разрушения. Следует учитывать также существенное влияние шероховатости поверхности на усталостную прочность.

Снижение числа циклов до разрушения при испытаниях в коррозионной среде наблюдается как при большой величине остаточных напряжений растяжения, так и при увеличенной шероховатости поверхности.

Результаты экспериментального определения усталостной прочности на образцах, изготовленных по различным технологическим вариантам, показывают, что обеспечивается необходимый запас прочности по напряжениям и числу циклов в соответствии с требованиями «Норм расчета на прочность ПНАЭ Г-7-002-86».

В седьмой главе представлены рекомендации по обеспечению качества поверхностного слоя в деталях трубных соединений теплообменного оборудования АЭУ.

С учетом технологической наследственности был разработан и запатентован способ обработки глубоких отверстий, обеспечивающий равномерное удаление припуска при развертывании, отвод стружки без контакта с обработанной поверхностью при сверлении и развертывании глубоких отверстий.

Разработаны рекомендации по выбору рациональных режимов резания при обработке глубоких отверстий на станках 2В\¥500-3-1000 фирмы «ТВТ» и НТВ-ШАУЕ фирмы «КОЬВ» в деталях теплообменного оборудования АЭУ для типовых марок обрабатываемых материалов, использующихся в атомной промышленности: 10ГН2МФА, 09Г2С, 10Х2М-ВД, 22К.

Рекомендуются следующие режимы резания при сверлении глубоких отверстий инструментом типа ВТА и ружейными сверлами:

- скорость резания V от 70 до 100 м/мин;

- подача Бо от 0,02 до 0,03 мм/об.

При развертывании разверткам из быстрорежущей стали:

- скорость резания V до 18 м/мин;

- подача Бо до 0,3 мм/об.

Учитывая, что глубиназалегания остаточных напряжений растяжения, которые могут возникать после сверления, не превышает 0,15 - 0,2мм, для

гарантированного удаления слоя с остаточными напряжениями растяжения следует назначить припуск на развертывание 0,2 мм на сторону.

В качестве СОЖ рекомендуется использовать жидкость на масляной основе МРЗК, не содержащую соединений хлора. СОЖ подается в зону резания под давлением Р = 6 МПа; расход жидкости составляет ~ 60 л/мин.

Рациональные режимы закрепления трубв планируемой к выпуску энергоустановки БН-1200:

- подвальцовка труб(длина контакта 5 мм) - частота вращения веретена п < 400 об/мин; крутящий момент 8 - ЮНм;

- вальцевание(длина контакта 30 мм)- частота вращения веретена п < 400 об/мин; крутящий момент 12-19 Нм;

-гидрораздача - давление 3600 МПа.

Для парогенераторов типа ПГВ-1000М: подвальцовка Ь< 6 мм; п < 400 об/мин; крутящий момент < 2,4 Нм; промежуточное вальцевание п < 400 об/мин; крутящий момент 2,4; довальцовка п < 400 об/мин; крутящий момент 2,94 - 3,92 Нм.

Применение разработанных рекомендаций позволяетобеспечить высокое качество поверхностного слоя деталей и повысить производительность изготовления соединений труба — коллектор и труба -трубная доска АЭУдо 2-х раз.

Разработанные рекомендации используются на производстве ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск» и«Атоммаш» при изготовлении коллекторов парогенераторов, трубных досок подогревателей высокого и низкого давления, подогревателей сетевой воды энергоблоков ВВЭР-1000, ВВЭР-1200, БН-600, БН-800.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На основании результатов комплексных исследований влияния технологии изготовления и технологической наследственности на качество поверхностного слоя соединений труба-коллектор, труба-трубная доска решена важная научно-техническая задача повышения качества теплообменного оборудования АЭУ.

1. Установлены основные закономерности формирования поверхностного слоя с учетом технологической наследственности по всему технологическому циклу изготовления деталей соединений труба-коллектор, труба-трубная доска теплообменного оборудования из различных конструкционных материалов.

2. Исследованияопераций сверления сверлами с наружным и внутренним отводом стружки показали, что в зависимости от режимов обработки, марки обрабатываемого материала и инструмента в поверхностном слое могут формироваться как остаточные напряжения сжатия, так и напряжения растяжения различной величины с глубиной распространения до 0,2 мм.

3. На формирование поверхностного слояна операции развертывания наиболее существенноевлияние оказывают скорость резания, подача и геометрические параметры инструмента. Повышение скорости резания

(более 20 м/мин) и подачи (более 0,35 мм/об) приводит к формированию высокого уровня остаточных напряжений растяжения.Для формирования поверхностного слоя с гарантированным высоким уровнем остаточных напряжений сжатия следует ограничивать скорость резания до 20 м/мин или применять инструмент с «упрочняющей» геометрией режущей части.

4. На операции развертывания для снижения вероятности сохранения в поверхностном слое остаточных напряжений растяжения, получаемых после операции сверления, следует предусмотреть припуск 0,2 мм.

5. Гидрораздача трубпри давлениях 3600 МПа существенно не изменяет эпюру напряжений в поверхностном слое отверстий и шероховатость контактирующих поверхностей трубного соединения.

6. Механическое вальцевание трехроликовыми раскатками с роликами длиной 30мм при крутящем моменте 12-19 Нм обеспечивает необходимый уровень усилия сдвига (более 600 кг) и создает в поверхностном слое глубоких отверстий напряжения сжатия.

7. Выявлены закономерности влияния остаточных напряжений на стойкость к коррозионному растрескиванию (КР) стали 08Х18Н10Т в водных растворах, содержащих хлорид ион. Аустенитная нержавеющая сталь 08Х18Н10Т проявляет склонность к коррозионному растрескиваниюповерхностей, имеющих остаточные напряжения растяжения. Снижение остаточных напряжений растяжения в поверхностном слое позволяет увеличить время до разрушения. Термическая обработка (отжиг), устраняющая остаточные напряжения растяжения, существенно снижает склонность этой стали к КР. При наличии остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое КР не происходит.

8. Разработку технологического процесса изготовления трубных соединений теплообменного оборудования требуемого качества необходимо проводить с учетом технологической наследственности операцийсверления, развертывания глубоких отверстий и закрепления в них теплообменных труб. При рациональном выборе методов обработки, режимов резания, способов закрепления теплообменных труб обеспечивается необходимое качество поверхностного слоя деталей трубных соединений и их эксплуатационные свойства.

9. С учетом технологической наследственности разработан и запатентован (патент №2413596 ЦНИИТМАШ и ЗиО-Подольск) способ обработки глубоких отверстий, обеспечивающий стабильное базирование, центрирование сверл и разверток, отвод стружки из зоны резания без контакта с обработанной поверхностью при сверлении и развертывании,равномерное удаление заданного припуска при развертывании с целью гарантированного формирования в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.

10. Для изготовления трубных соединений АЭУ рекомендуется технологический процесс, обеспечивающий формирование в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия и включающий:

- глубокое сверление сверлами с внутренним или наружным отводом стружки на режимах V = 80 - 100 м/мин, S = 0,025 - 0,04 мм/об с подачей СОЖ МРЗК под давлениемб МПа с припуском под развертывание 0,2 мм;

- развертывание на режимах Удо 20 м/мин, Бдо 0,35 мм/об;

- закрепление труб с помощью гидрораздачи и механического вальцевания.

11. Для проведения исследований в «ЦНИИТМАШ» созданы установка для определения остаточных напряжений в поверхностном слое и специальный стенд для исследования процесса закрепления труб методом механического вальцевания.

12. Результаты исследований используются на ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск» и «Атоммаш»при проектировании технологических процессов и изготовлении теплообменного оборудования АЭУ ВВЭР-1000, БН-600, БН-800.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Ягуткин Е.Г. Исследование процессов обработки глубоких отверстий и закрепления труб в деталях теплообменного оборудования АЭУ / Е.Г. Ягуткин, Л.А. Кондратенко, A.B. Гунин, И.В. Могутов // Известия МГТУ «МАМИ»: №1(19). - М.:МГТУ «МАМИ», 2014. - с.103-107.

2. Ягуткин Е.Г.Особенности обработки глубоких отверстий в деталях теплообменных аппаратов, применяющихся в энергетическом машиностроении / И.В.Могутов, Д.Н.Клауч, Е.Г.Ягуткин // Журнал "Технология Машиностроения": №7,2013, с. 16-18.

3. Ягуткин Е.Г. Технологическая наследственность при изготовлении трубных соединений теплообменного оборудования атомных энергетических установок / B.C. Дуб, O.A. Кобелев, Д.Н. Клауч, М.Е. Кущева, Е.Г. Ягуткин // «Тяжелое машиностроение» №8, 2014, с. 2-4.

4. Ягуткин Е.Г. Исследование смазочно-охлаждающих жидкостей для обработки глубоких отверстий / И.В. Могутов, М.Е. Кущева, Н.В. Ермолаева, Е.Г. Ягуткин, Ю.В. Голубков // Научно-технический журнал «Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса» №6, 2011, с. 31-32.

В других изданиях

5. Ягуткин Е.Г.Совершенствование технологии обработки глубоких отверстий в деталях теплообменных аппаратах АЭУ / Д.Н. Клауч, В.М. Терехов, И.В. Могутов, М.Е. Кущева, Е.Г. Ягуткин // Сборник тезисов выступлений участников конференции «Инновационные материалы и технологии для атомного, энергетического и тяжелого машиностроения» -М.: ГНЦ РФ ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»,2011. - с. 27-28.

6. Ягуткин Е.Г.Обеспечение качества поверхностного слоя деталей энергомашиностроения при механической обработке / Д.Н. Клауч, А.Н. Овсеенко, М.Е. Кущева, Е.Г. Ягуткин, Д.П. Носов // Сборник тезисов выступлений участников конференции «Инновационные материалы и технологии для атомного, энергетического и тяжелого машиностроения» -М.: ГНЦ РФ ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»,2011. - с. 55-56.

7. Ягуткин Е.Г.Методы определения технологических остаточных напряжений в деталях малой жесткости / Е.С. Овсеенко, А.Н. Овсеенко, Е.Г. Ягуткин // Научно-технический журнал «Прогрессивные технологии машиностроительных производств»: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня. - 2011. - № 12. - М.: издательство «Горная книга» -с. 29-32.

8. Ягуткин Е.Г.О причине обрыва корпуса роликовой вальцовки / JI.A. Кондратенко, B.C. Винников, H.H. Щегольков, Е.Г. Ягуткин // Материалы 19-го международного семинара «Технологические проблемы прочности» Подольск 22-23 июня 2012г. / Материалы международного семинара, с. 220-229.

9. Ягуткин Е.Г.Экспериментальные исследования процесса роликового вальцевания / В.М. Терехов, JI.A. Кондратенко, И.В. Котов, Д.Н. Клауч,

A.B. Гунин, A.JI. Мосюк, Е.Г. Ягуткин, Д.П. Носов // Материалы20-го международного семинара «Технологические проблемы прочности» Подольск 21-22 июня 2013г. / Материалы международного семинара, с. 162168.

10. Ягуткин Е.Г. Повышение производительности и качества обработки глубоких отверстий в деталях теплообменных аппаратах АЭУ / // Материалы Унаучно-технической конференции молодых специалистов «Энергомашспецсталь 2013». Краматорск 2013г. / Сборник материалов. - с. 122-123.

11. Ягуткин Е.Г. Изменение свойств однослойных стальных холоднокатаных труб при их закреплении в досках трубных / В.М. Терехов,

B.C. Винников, JI.A. Кондратенко, Д.Н. Клауч, A.B. Гунин, А.Л. Мосюк, Д.П. Носов, Е.Г. Ягуткин // Материалы 21-го международного семинара «Технологические проблемы прочности» Подольск 20-21 июня 2014г. / Материалы международного семинара, с. 44-54.

12. Патент №2413596. Способ обработки глубоких сквозных отверстий / Д.Н. Клауч, В.М. Терехов, И.В. Могутов, Е.Г. Ягуткин, М.Е. Кущева -2009140424/02 Заявл. 03.11.2009, Опубл. 10.03.2011, Бюл. № 7.

13. Патент №2416495. Устройство для дробления стружки при сверлении глубоких отверстий / Н.И. Ташлицкий, Д.Н. Клауч, М.Е. Кущева, JI.B. Федотова, В.М. Терехов, Е.Г. Ягуткин, - 2009129937/02 Заявл. 05.08.2009, Опубл. 20.04.2011, Бюл. № 11.

14. Патент №124203. Режущая пластина / Ю.Е. Петухов, В.А. Гречишников, И.В. Чулин, П.В. Домнин, A.A. Водовозов, Е.Г. Ягуткин, Д.Н. Лыткин - 20012131512/02 Заявл. 24.07.2012, Опубл. 20.01.2013, Бюл №2.

15Патент №2524466. Инструмент для обработки отверстий / Д.Н. Клауч, М.Е. Кущева, Е.Г. Ягуткин, Д.Н. Лыткин, Ю.Е. Петухов, В.А. Гречишников, A.A. Водовозов, И.В. Чулин, С.С. Завьялов, П.В. Домнин, A.A. Рубец, В.Б. Романов, A.B. Рощупкин, К.А. Макшин, Д.В. Железнов-2013114917/023аявл. 03.04.2013, Опубл. 27.07.2014.

л

Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 57.

Отпечатано с готового оригинал-макета 115088, Москва, ул Шарикоподшипниковская, 4