www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

Основой развития отечественной энергетики является создание крупных тепловых электростанций, для эффективной эксплуатации которых требуется исключительно высокая надежность и работоспособность всего оборудования, особенно при блочной его системе (котел — турбина — генератор).

В соответствии с решениями XXV съезда КПСС в десятой пятилетке будут введены новые мощности тепловых электростанций с блоками 500, 800 и 1200 МВт, что обеспечит значительную экономию топлива и резко повысит производительность труда в энергетике.

Сварка давлением нашла широкое применение в котлостроении при изготовлении элементов поверхностей нагрева. С повышением единичной мощности блоков число сварных соединений трубной части котлов резко увеличивается, например, в котле 800 МВт оно достигает - 100 000.

В мировой практике применяют три способа заводской сварки труб поверхностей нагрева: контактную стыковую оплавлением, с нагревом токами высокой частоты и аргонодуговую.

Контактная стыковая сварка оплавлением — основной способ соединения труб поверхностей нагрева котлов. Это высокопроизводительный процесс, обеспечивающий получение сварных соединений с требуемыми прочностными и пластическими свойствами без применения специальной защиты. Существенным недостатком сварки оплавлением является образование в месте стыка грата, который необходимо удалять. Известные приемы не обеспечивают полного удаления внутреннего грата, что приводит в ряде случаев к повреждению металла труб в зоне стыка в процессе эксплуатации и к неизбежным вынужденным простоям энергетических блоков.

Одним из безгратовых способов стыковой сварки труб является сварка с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ), которая обладает преимуществами по сравнению с другими способами соединения труб. Она легко поддается автоматизации, позволяет получать соединения, свободные от внутреннего грата; при этом способе изменения толщины стенки трубы в пределах допусков относительно мало влияют на свойства соединений, не требуется тщательная подготовка поверхности труб перед сваркой для подвода тока и др. Однако при этом способе сварки необходимо точное расположение стыка по отношению к индуктору, ограничена величина осадки из-за невозможности увеличения внутреннего диаметра индуктора, используется оборудование со сложной схемой питания и т. д. Все это налагает особые требования к технологии сварки, проведение которой обеспечило бы высокое качество соединений.
Стыковая сварка с нагревом ТВЧ — способ сварки давлением, при котором детали соединяются по всей площади касания.

При стыковой сварке труб с нагревом ТВЧ детали, торцы которых соответствующим образом обработаны, закрепляются в зажимах и сводятся до соприкосновения или с небольшим зазором. При прохождении переменного тока через индуктор, окружающий трубы, в последних индуктируется ток, нагревающий заготовки на участке заданной ширины. После достижения температуры сварки трубы совместно осаживаются, в результате чего происходит формирование соединения. С целью защиты металла от окисления трубы нагревают в безокислительной среде.

Сварка с нагревом ТВЧ выполняется с большими скоростями нагрева и охлаждения, что меняет кинетику структурных превращений. Процесс сварки с нагревом ТВЧ определяется условиями нагрева, деформации, взаимодействия металла с газовой средой и структурными превращениями, которые могут существенно влиять на формирование соединения и его окончательные свойства.

Одним из направлений совершенствования котельных агрегатов является применение оребренных поверхностей нагрева (с продольным и поперечным наружным оребрением). Оребренные трубы применяют в теплообменных аппаратах различного назначения для тепловых и атомных электростанций: экономайзеры, пароперегреватели, экраны паровых котлов и т. п.

Развитие тепловых и атомных электростанций требует широкого использования различных оребренных поверхностей, позволяющих повысить надежность, понизить металлоемкость и уменьшить габаритные размеры теплообменных устройств.

Применение ребристых поверхностей позволяет эффективно решить в котлостроейии ряд проблем, к которым можно отнести: газоплотность и наддув (мембранные экраны); уменьшение шлакования ширм, удобства их очистки, долговечность креплений (цельносварные ширмы); повышение технологической надежности, уменьшение числа элементов в результате применения труб увеличенного диаметра с поперечным оребрением. Последнее также повышает надежность труб вследствие их бандажирования.

Мембранные конвективные и ширмовые поверхности для котельных агрегатов изготовляют в виде панелей путем вварки проставок в гладкотрубные змеевики или из плавниковых (оребренных) труб, сваренных в панель по кромкам плавников (ребер). На крупных панелях протяженность продольных швов, соединяющих отдельные трубы по образующей, составляет 1500 м, а на агрегате — до 100 000 м. Необходимость выполнения такого количества швов предопределяет применение высокопроизводительных способов сварки и в первую очередь сварки с нагревом ТВЧ.
Для оребрения труб можно использовать автоматическую дуговую сварку под слоем флюса или в среде защитного газа; шовную контактную сварку; сварку токами высокой (радио) частоты с индукционным или контактным подводом энергии.

К преимуществам предварительно оребренных труб по сравнению с плавниковыми металлургического производства можно отнести возможность сваривать гладкие трубы практически любого диаметра и длины с ребрами, ширина которых изменяется в большом диапазоне; использовать для ребер металл более дешевый, чем металл трубы; осуществлять предварительный ультразвуковой контроль гладких труб перед приваркой к ним ребер.

Основное требование к соединению — равномерный провар по всей длине трубы. При этом глубина проплавления трубы вместе с зоной термического влияния в местах соединения с ребром не должна превышать 50% толщины стенки. Кроме того, в средней части ребра по его толщине в месте соединения с трубой допускается непровар до 1,5 мм; трещины в металле сварного соединения и подрезы тела трубы не допускаются. Невыполнение этого требования может привести к разупрочнению основного металла трубы вблизи шва и его разрушению в процессе эксплуатации, особенно при применении труб из хромо-молибденованадиевых сталей, склонных к образованию локальных трещин в околошовной зоне или, в отдельных случаях, к прожогу.

Дуговая сварка ребра с трубой осуществляется автоматически под слоем флюса или реже в среде защитного газа.

Применение дуговой сварки при изготовлении оребренных труб из хромомолибденованадиевых сталей требует последующей трудоемкой операции — термической обработки. Цельносварные панели из стали 12Х1МФ следует подвергать отпуску при 720—750°С, панели из стали типа хролой (0,5% С— 0,5% Мо; 1,25% С—0,5% Мо и 2,25% С—1% Мо) — при 680—700°С.

Недостатки технологии дуговой приварки ребер к трубам следующие: значительная зона термического влияния, распространяющаяся иногда на всю толщину стенки трубы; сложность получения шва стабильного качества по всей длине труб; невозможность применения труб с малой толщиной стенки; трудность формирования шва на плавнике малой ширины; значительные сварочные деформации сравнительно низкая производительность.

Шовная контактная сварка до настоящего времени не нашла практического применения при изготовлении труб с продольными ребрами. При этом методе одновременно приваривают два ребра, подаваемые под углом к трубе. После разогрева ребер их осаживают роликами с усилием, направленным перпендикулярно к оси трубы. С целью концентрации подводимой энергии в месте сварки и равномерности местного разогрева ребра на всю его толщину кромка имеет один или несколько (в зависимости от его толщины) продольных выступов или гребней.

Ток к свариваемым деталям подается обжимными роликами или специальными скользящими контактами. После сварки заданная ширина оребренных труб достигается последующим фрезерованием ребер. Необходимо отметить, что в зоне шва могут наблюдаться окислы, не удаленные из-за сложной конфигурации кромки ребра.

К положительным качествам шовной сварки можно отнести ее сравнительно высокую производительность и возможность одновременной приварки двух ребер на всю их толщину, чем еще более повышается производительность процесса, уравновешиваются сварочные напряжения и достигается минимальная деформация оребренной трубы.

Недостатки этого способа следующие: большая по сравнению с другими видами сварки потребляемая мощность, обусловленная значительными потерями энергии при прохождении тока по телу трубы и ребра вне зоны сварки, чем объясняется малое его промышленное применение; высокая стоимость изготовления ребер из-за сложной их конфигурации; необходимость обработки резанием оребренной трубы (по ребрам); невозможность изготовления этим методом тонкостенных труб относительно большого диаметра из-за недопустимой их деформации; трудность получения соединения гарантированного качества из-за сложной конфигурации кромки ребра.

Сварка токами высокой (радио) частоты осуществляется при подводе тока к зоне соединения индукционным или контактным способом. При индукционном подводе тока труба и две полосы перед обжимными валками проходят в непосредственной близости от индуктора. Два ребра, расположенные с диаметрально противоположных сторон, подаются под некоторым углом к трубе, образуя с ней щели V-образной формы. При прохождении под индуктором в свариваемых деталях индуктируются вихревые токи, направленные противоположно току в индукторе. Встречая на своем пути V-образную щель, ток отклоняется к вершине угла схождения. В силу эффекта близости и поверхностного эффекта ток концентрируется в основном на свариваемых участках поверхностей, обращенных друг к другу. Часть тока проходит вне зоны сварки (по периметру трубы и по телу ребер), что неизбежно вызывает дополнительные потери энергии. Особенно велики эти потери при сварке деталей из ферромагнитных материалов. Потери определяются шириной зоны, по которой протекает ток, эта ширина зависит от частоты тока, формы и размеров индуктора. Форма и размеры индуктора зависят от сечения и свойств металла труб и ребер. В случае необходимости предварительного подогрева трубы длина участка индуктора, обращенного к трубе, может быть увеличена. Изменение расстояния между свариваемыми деталями и индуктором приводит к их неравномерному нагреву и снижению качества соединений.

Преимущества сварки ТВЧ с индукционным подводом следующие: быстрый нагрев; продолжительный срок службы индуктора; отсутствие на свариваемых деталях под индуктором рисок, царапин и др. К недостаткам указанного способа следует отнести сложность поддержания равномерного зазора между индуктором и поверхностью свариваемых деталей; сравнительно высокую потребляемую мощность из-за растекания тока по поверхности трубы вне зоны сварки и трудность сосредоточения разогрева в зоне сварки.

В отличие от индукционного токоподвода при контактном наблюдается сконцентрированное выделение теплоты в зоне сварки; интенсивно разогреваются ребро и полоска металла на поверхности трубы, которая является зеркальным отражением ребра.

Для одновременной приварки двух ребер известны схемы питания от одного или двух генераторов. В первом случае два сварных шва образуются благодаря последовательному соединению элементов двух цепей с помощью перемычки или с использованием индукционного обвода.

При сварке от одного генератора с перемычкой возможен случай, когда суммарное сопротивление участков от места сварки до установки перемычек больше (или равно) сопротивления трубы между вершинами углов схождения. В этом случае неизбежно такое перераспределение тока, при котором поверхность трубы в зоне сварки не нагревается и качественного соединения получить невозможно. Такое явление полностью исключается при использовании двух генераторов.

При сварке токами радиочастоты наиболее целесообразен контактный подвод тока. При этом вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости ток высокой частоты концентрируется на свариваемых поверхностях и проникает в металл на небольшую глубину; близко расположенные друг к другу поверхности кромок за короткий промежуток времени разогреваются до сварочной температуры при минимальной зоне термического влияния.

Недостаток способа — небольшой срок службы токоподводящих контактов, для замены которых необходима остановка оборудования.

Способ приварки ребер к трубам токами радиочастоты характеризуется универсальностью, позволяющей изготовлять оребренные трубы практически любого диаметра с плавниками (ребрами) любой ширины; возможностью обеспечения контроля гладких труб перед приваркой к ним ребер; возможностью использования для ребер более дешевого металла, чем металл трубы; высокой производительностью в результате высокой скорости сварки (15—30 м/мин при рассматриваемом способе вместо 1,2—1,6 м/мин при сварке под слоем флюса) и возможностью одновременной приварки двух ребер на всю толщину за один проход; узкой зоной термического влияния; минимальными деформациями, особенно при одновременной приварке двух ребер; отсутствием дополнительных сварочных материалов (флюса, газа, проволоки), от качества которых зависят свойства сварных соединений; сравнительно высоким КПД процесса благодаря большой концентрации энергии вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости; возможностью приварки ребер к трубам с малой толщиной стенки.

Недостатками способа являются сложность применяемого оборудования, его высокая стоимость, а также необходимость высокой квалификации обслуживающего персонала (наладчиков и операторов).

Анализ приведенных данных показывает, что наиболее целесообразно изготовление газоплотных панелей из оребренных труб. При этом сварные оребренные трубы должны иметь высокое качество в месте соединения ребра с телом трубы, а зона термического влияния должна быть минимальной во избежание разупрочнения основного металла трубы вблизи шва. Этим требованиям отвечает высокопроизводительный процесс приварки ребра к гладкой трубе токами радиочастоты. По литературным данным рыночная стоимость 1 кг оребренных труб сваркой токами радиочастоты на 50%, а дуговой сваркой под флюсом на 35% дешевле плавниковых труб металлургического производства. Ниже приведена стоимость труб, изготовленных различными способами (стоимость гладкой трубы принята за 100%), %:

Гладкая труба.............................100

Оребренная токами радиочастоты...................130

Оребренная дуговой сваркой под слоем флюса.............145

Плавниковая труба металлургического производства..........180

Авторы сделали первую попытку обобщения разрозненных материалов и результатов своих исследований, что облегчит в дальнейшем широкое внедрение высокопроизводительных методов сварки токами высокой частоты не только в энергомашиностроении, но и в ряде других отраслей промышленности.

Назад, на страницу описания