CC BY
30
ГРНТИ 55.19.13; 55.13.15; 55.01.21 Габдысалын, Риза
ст. преподаватель кафедра «Мапшно строение», Восточно-Казахстанский государственный технический университет имени Д. Ссрикбасва. г. Усть-Каменогорск, 070004, Республика Казахстан, e-mail: riza.gabdyssalyk@mail. ru; LUepoe Карибек Тогаевич
д.т.н., профессор, кафедра «Технологическое оборудование, машиностроение и
стандартизация». Карагандинский
государственный технический университет.
г. Караганда. 100027, Республика Казахстан,
e-mail: shkt1965@mail. ru:
Маздубай Асылхан Владимирович
РЮ, ассоц. профессор (доцент) кафедры «Металлургия», Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар. 140008, Республика Казахстан, e-mail :asylkhan_m@mail. ru; Окимбаева Асель Еркиновна
преподаватель, кафедра «Технологическое оборудование, машиностроение и стандартизация». Карагандинский государственный технический университет, г. Караганда, 100027, Республика Казахстан, e-mail: а .okimbaeva@kstu.kz
ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШТАМПОСВАРНОЙ КОНСТРУКЦИИ КРУПНЫХ ШИБЕРНЫХ ЗАДВИЖЕК
Приводятся результаты исследования технологии изготовления трубопроводной арматуры, в частности крупных шиберных задвижек, в условиях арматурных заводов PK. Выявлены проблемы обеспечения качества при соединениях узлов и деталей крупных шиберных задвижек. В основном существенные проблемы возникают при сборке узлов «седло-шибер» и «корпус», а также при механической обработке свариваемых кромок переменного сечения профиля отверстий в цилиндрическом корпусе соединений «патрубка-корпус», расположенных на взаимно-перпендикулярных поверхностях.
Для совершенствования технологии изготовления и решения существующих проблем авторами разработан способ термофрикционного фрезерования отверстия с криволинейной поверхностью коробки полукорпуса крупных шиберных задвижек и конструкция специальной конусной фрезы трения.
Ключевые слова: шиберная задвижка, патрубка, полукорпус, многопроходная сварка. термофрикционное фрезерование, конусная фреза трения, сварной шов.
ВВЕДЕНИЕ
В Республике Казахстан (PK) одной из главных технических задач транспортировки нефти и нефтепродуктов, пара, холодной и горячей воды и различных других жидких нейтральных и агрессивных рабочих сред, является
создание высокоорганизованной системы коммуникаций трубопроводного транспорта, обеспечивающего высокую надежность и полную экологическую безопасность. Это можно обеспечить лишь при использовании новых разработок в области конструкционных материалов, технологии сварки, создания и изготовления надежной трубопроводной арматуры и других элементов системы трубопроводного транспорта.
Мировой опыт эксплуатации магистральных газонефтепроводов на трубы диаметрами 700-1200 мм, находящихся под высоким внутренним давлением (5,0-12 МПа) и их надежность свидетельствуют, что наиболее экономичным направлением является использование сварных труб, изготовленных из листового проката низколегированных прочных сталей, обладающих хорошей свариваемостью. Немаловажное значение имеет изготовление из труб соответствующих диаметров сварных отводов и фитингов.
Одним из ответственных элементов транспортной трубопроводной системы магистральных газонефтепроводов является запорная и регулирующая трубопроводная арматура, качество которой должна соответствовать международным стандартам. Штампосварная трубопроводная арматура имеет неоспоримые преимущества относительно литой, так как позволяет выдерживать более высокие параметры транспортируемой среды при снижении расчетной толщины стенки и снижении общего веса изделия. Однако при этом непрерывно возрастают требования к качеству сварных соединений и изысканию новейших сварочных технологий, обеспечивающих надежность и долговечность работы сварной конструкции при длительном воздействии эксплуатационных нагрузок.
Анализ качества штампосварных соединений конструкций ответственного назначения показывает, что существенным фактором возникновения дефектов в сварных швах является человеческий фактор: утомляемость, морально - психологическое и физическое состояние рабочего, случайные действия сварщика несовместимые с требованиями технологии сварки [1, 2]. Поэтому в машиностроении производители особо ответственных сварных конструкций стараются свести к минимуму человеческий фактор и максимально использовать робототехнические комплексы в сварочном производстве. Однако для использования роботов необходима тщательная подготовка свариваемых кромок на современном механообрабатывающем оборудовании и сборка под сварку, обеспечивающая высокую точность для качественного провара корня шва.
Выполненные исследования производств трубопроводной арматуры в условиях арматурных заводов РК показали [3-8], что большие проблемы возникают при сборке узлов «седло-шибер» и «корпус», а также при механической обработке свариваемых кромок переменного сечения профиля отверстий в цилиндрическом корпусе соединений «патрубка-корпус», расположенных на взаимно-перпендикулярных поверхностях. Существует также проблема обеспечения качества сварного соединения при узловой и общей сборке задвижек. Решением данной проблемы может быт применение автоматизированной сварки. Однако применения автоматизированного сварочного оборудования предусматривает для
осуществления сварки качественно и точно обработанной поверхности, которые не всегда получается возможным в условиях арматурных заводов РК. А также если поверхность имеет криволинейную или другую сложную профиль тогда его механическая обработка еще усложняется.
В связи с этим разработка способа механической обработки поверхностей со сложными профилями с целью обеспечения и подготовки качественной и точной поверхности для соединения автоматизированной сваркой является актуальной задачей.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ В условиях АО «Усть-Каменогорский арматурный завод» (г. Усть-Каменогорск) производится трубопроводная арматура, в частности крупные шиберные задвижки.
На рисунке 1 показано конструкция крупной шиберной задвижки.
1 - основание; 2 - ребро; 3,10 - днище; 4 - обечайка нижняя; 5 - обечайка средняя; 6,16 - патрубка; 7,8 - фланец; 9 - обечайка верхняя; 11 - проушина;
12 - стойка; 13 - электропривод; 14 - кожух; 15 - шибер; 17 - шпиндель Рисунок 1 - Конструкция крупной шиберной задвижки
Задвижка шиберная служит в качестве запорного устройства на трубопроводах подачи перегретой воды или пара в системах тепловых сетей, котельных и ТЭЦ, а так же на трубопроводах, транспортирующих нефть и нефтепродукты, природный и попутный газ.
Задвижка шиберная состоит из следующих основных деталей и узлов: корпуса, крышки, шпинделя, стойки, шибера, электропривода и редуктора. Базовыми узлами задвижки являются корпус и крышка.
Узел корпус состоит из подузла полукорпус и деталей: обечайка нижняя 4, днище 3, ребра 2 и основание 1. Подузел полукорпус состоит из деталей: обечайка средняя 5, патрубка 6, 16 и фланец 7. Узел крышка состоит из деталей: днище 10, проушина 11, обечайка верхняя 9, фланец 8.
Корпус шиберной задвижки служит для правильного взаимного расположения деталей в процессе эксплуатации изделия. Крышка задвижки предназначена для герметичного соединения с корпусом задвижки и обеспечения выхода клина при открытии условного прохода для подачи рабочей смеси.
Крышка к корпусу крепится при помощи фланца 8 с отверстиями под шпильки, расположенными по окружности. К втулке (на рисунке 1 не указан) крышки крепится стойка 12 для обеспечения вращения шпинделя 17 и крепления электропривода 13.
Основным материалом для базовых деталей шиберной задвижки является углеродистая качественная конструкционная сталь 20. Углеродистые стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. Углеродистые качественные стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Углеродистые стали пластичны, хорошо штампуются и свариваются. Особенно сталь 20 является наиболее рекомендуемой из углеродистых сталей для сварных конструкций с большим объемом сварки. Сталь 20 сваривается без ограничений (кроме химико - термически обработанных деталей), не склонна к отпускной хрупкости.
Детали всех узлов и подузлов шиберной задвижки соединяются путем сварки. Основные типы применяемых технологий сварки в условиях завода -это полуавтоматическая сварка в среде защитного газа и автоматическая сварка под слоем флюса. Так же на предприятии применяется полуавтоматическая сварка в импульсном режиме, что позволяет обеспечить при сварке обратное формирование шва. После сварки сварные швы подвергаются термообработке для снятия внутренних напряжений возникающих в зоне сварного соединения. После чего проводиться контроль сварного шва. При контроле используются следующие методы: рентгенография, ультразвуковая и цветная дефектоскопия.
Сварные швы должны иметь плавные переходы к основному металлу, а также поверхность без наплывов. Если при внешнем осмотре обнаружены наплывы швов, кратеры, участки с трещинами и порами, с размерами и количеством выше допускаемой величины, то их вырубают, выплавляют с последующей заваркой. В месте, где обнаружены дефекты, производят дополнительные засверливания для выявления границ дефектного участка, после установления, которых шов на этом участке удаляется и заваривается вновь.
Тщательный контроль и приёмка деталей и готовых изделий проводят на всех стадиях производства сварных конструкций.
На всех стадиях обработки проверяют: соблюдение внешнего вида и формы составных деталей сварной конструкции, в соответствии с техпроцессом, чертежами и техническими условиями (качество разделки кромок, зачистка после газовой резки); отсутствие внешних пороков металла (раковин, расслоений); соответствие металла чертежу на основании сертификата и лабораторных исследований.
После сборки сварной конструкции проверяют: отсутствие окалины, масла, чистоту металла в месте наложения швов; соответствие основных размеров основным чертежам, соблюдение допусков; правильная подготовка металла под сварные швы, зазоры.
При сварке т.е. в процессе сварки проверяют: соответствие квалификации сварщиков и режимов сварки по техпроцессу; зачистка предыдущих слоев шва перед наложением последующего; порядок наложения швов по техпроцессу; соответствие швов и марки сварочной проволоки чертежным размерам.
Если дефект не обнаружен, то сварочные сборочные единицы передаются на заключительную механическую обработку.
Детали задвижек, обеспечивающие герметичность узла затвора поступают на участок гальванопокрытий. При гальванизации детали покрываются хромовым или цинковым покрытием. Качество гальванопокрытия также контролируется специальными методами, включая замеры твердости и толщины покрытия электронными приборами.
В итоге все детали и сборочные узлы изделия поступают на участок сборки и испытаний. В связи с высоким рабочим давлением к сборочным узлам задвижки предъявляются высокие требования по прочности, а также для проверки соответствия задвижки требованиям Технических Условий на заводе изготовителе проводятся следующие испытания: на работоспособность, на прочность и плотность, на герметичность.
Обсуждение пути совершенствования технологии изготовления. Результаты исследования технологии изготовления крупных шиберных задвижек в условиях АО «Усть-Каменогорский арматурный завод» показывает, что для повышения качества изготовления и обеспечения долговечности, прочности, плотности и герметичности соединения узлов и деталей необходимо применение сварочного робота для автоматизации сборочно-сварочных работ, в частности при сборке узла корпус. В сварочных роботах предусмотрен импульсно-дуговой процесс сварки, который позволяет производить сварку с обратным формированием корня шва. При сварке роботами требуется высокая точность сборки, для этого необходима механическая подготовка кромок в коробке корпусе под сварку на станке с ЧПУ.
Условием качественного выполнения сварного соединения «магистральный патрубок - корпус» шиберной задвижки является сквозное проплавление сварного шва с обеспечением обратного формирования валика корня шва. Это можно достигнуть лишь при высокой точности механической обработки отверстия в корпусе с учетом обеспечения притупления кромки и равномерного зазора между стыкуемыми элементами при сборке под сварку.
На рисунке 2 показана коробка корпуса шиберной задвижки.
а)
б)
в)
а - вид сбоку; б - вид спереди; в - вид А; 1 - ребра; 2 - фланец; 3 - обечайка Рисунок 2 - Коробка корпуса шиберной задвижки
На рисунке 3 показан подузел полукорпус шиберной задвижки.
32Л
а) б)
а - вид сбоку; б - вид А; 1 - ребра; 2 - фланец; 3 - обечайка; 4 - патрубка Рисунок 3 - Подузел полукорпус шиберной задвижки
Коробка корпуса задвижки (см. рисунок 2) состоит из соединения двух деталей обечайки 3 и фланца 2. После сборки узла коробки корпуса во внутреннюю полос заваривают детали ребра 1.
Отверстие 01110+1 с криволинейной поверхностью вырезают огневой резкой и в дальнейшем обрабатывают по контуру под сварной шов (см. рисунок 2, в).
В отверстия 01110" и 011O4D11 устанавливается деталь патрубка и сваривается по контуру непрерывной дугой способом MIG/MAG. По чертежу отверстие с криволинейной поверхностью имеет 1 мм допуска. При правильном базировании патрубки, она должна иметь по диаметру 3^3,5 мм щели (с учетом допуска) для заварки. Однако обеспечить равномерный зазор по диаметру патрубки в пределах допуска невозможно, ввиду низкого качества обработки отверстия и наружного диаметра патрубки, а также из-за сложности обеспечения соосности патрубки и отверстий (0111011 и 01104D11) коробки полу корпус а (см. рисунок 2, а и рисунок 3, а) при сборке. При неравномерности зазора по диаметру патрубки обеспечение качества сваривания и обратного формирования валика корня шва невозможно.
Для решения данной проблемы в работе [3] было отмечена необходимость разработки прогрессивной технологии обработки отверстий с криволинейной поверхностью.
В результате проведенных исследований разработана способтермофрикционного фрезерования и конструкция специальной конусной фрезы трения для обработки отверстий с криволинейными поверхностями подузла полукорпус.
На рисунке 4 показана фотография конусной фрезы трения.
1 - наплавленные зубья Рисунок 4 - Фотография конусной фрезы трения
Для повышения износостойкости конусной фрезы трения на режущие части инструмента были наплавлены наплавочный материал БТООЭУ М7-С, обладающий высокой твердостью и температурной стойкостью.
В таблице 1 приводится химический состав и твердость материала.
Таблица 1 - Химический состав и твердость наплавочного материала STOODY M7-G, %
С Cr Мп Мо V W Fe Твердость
1,0 4,0 0,4 9,0 2,0 2,0 58-66 HRC
Наплавку производили на лабораторной базе Казахстанского института сварки при Карагандинском государственном техническом университете.
Результаты экспериментальных исследований по обработке криволинейных поверхностей показали положительные показатели качества. Установлено, что при выборе оптимальных режимов резания можно обеспечить шероховатость обработанной поверхности в широких пределах II = 1,25^6,2 мкм.
Термофрикционное фрезерование отверстия с криволинейной поверхностью осуществляется на станке с ЧПУ. Для обеспечения термофрикционного фрезерования была разработана методика и управляющая программа в среде пакета КХ [9].
Применение предлагаемой технологии обеспечивает повышение качества и точности обработки отверстий с криволинейной поверхностью и позволяет, уменьшит размеры зазора за счет ужесточения допусков на диаметр отверстия коробки полукорпуса. При этом достигается обеспечение равномерного зазора по диаметру патрубки, который позволит применения многопроходной сварки «МЮ-МАв» [10, 11] с использованием робототехнического комплекса по заданной программе с учетом получения коренного валика с обратным формированием методом БТТ.
А роботизация позволит модернизировать производство, повысить качество изготовления, производительность, улучшить конкурентоспособность продукции и снизить трудоемкость.
ВЫВОДЫ
1 Исследование технологии изготовления штампосварных соединений показывает, что существенным фактором возникновения дефектов в сварных швах является человеческий фактор, который диктует необходимость использования робототехнических комплексов в сварочном производстве. Однако применения робототехнических комплексов предусматривает для осуществления сварки качественно и точно обработанные поверхности, которые не всегда получаются возможным, а также, если поверхность имеет криволинейную или другую сложную профиль тогда его механическая обработка еще больше усложняется.
2 Выполненные исследования производств трубопроводной арматуры, в частности крупных шиберных задвижек, в условиях арматурных заводов РК показали, что существенные проблемы возникают при сборке узлов «седло-шибер» и «корпус», а также при механической обработке свариваемых кромок переменного сечения профиля отверстий в цилиндрическом корпусе соединений «патрубка-корпус», расположенных на взаимно-перпендикулярных поверхностях.
3 Для решения вышеуказанных проблем разработан способ термофрикционного фрезерования отверстия с криволинейной поверхностью коробки полукорпуса крупных шиберных задвижек и конструкция специальной конусной фрезы трения.
4 Применение предлагаемой технологии обеспечивает повышение качества и точности обработки отверстий с криволинейной поверхностью коробки полукорпуса крупных шиберных задвижек и позволяет, уменьшит размеры зазора за счет ужесточения допусков на диаметр отверстия коробки полукорпуса.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Гуревич, Д. Ф. Трубопроводная арматура. Справочное пособие / - 3-е изд. -М. : ЛКИ, 2008.-368 с.
2 Чемоду ров, Ю. К. Трубопроводный транспорт газа, нефти и нефтепродуктов. Учебное пособие / - Минск : Беларусь, 2009. - 520 с.
3 Шеров, К. Т., Габдысалык Р. Анализ и исследование проблемы изготовления крупных задвижек для магистральных трубопроводов / Труды университета. - Караганда : Изд-во КарГТУ, 2018. - № 1 (70) - С. 13-17.
4 Габдысалык, Р., Шеров, К. Т., Лопухов, Ю. И. Повышение износостойкости сопрягаемых поверхностей узла «седло-шибер» крупных шиберных задвижек / Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций им. М. Тынышпаева.-Алматы : Изд-во КазАТК, 2018. - № 1 (104). - С. 67-76.
5 Габдысалык, Р., Шеров, К. Т. Проблемы обработки и сборки узла «корпус» крупных шиберных задвижек // Труды международной научно-практической конференции «Интеграция науки, образования и производства - основа реализации Плана нации» (Сагиновские чтения № 10), Часть 5. - Караганда: Изд-во КарГТУ, 2018.-С. 92-94.
6 Ходжибергенов, Д. Т., Шеров, К. Т., Касенов, А. Ж., Хожибергенова,
У. Д. Проблемы выбора технологии обработки нововнедренных материалов в производство // Наука и техника Казахстана. - № 2. - 2018. - С. 111-117
7 Габдысалык, Р., Шеров, К. Т. Создание расчетной модели специальной конусной фрезы методом конечных элементов / Механика и технологии. -Тараз : Изд-во «Тараз университет!» ТарГУ им. М. X. Дулати, 2018. - № 3 (61).
8 Габдысалык, Р., Шеров, К. Т. Вопросы роботизации сварки узлов крупных шиберных задвижек штампосварной конструкции // Материалы международной научно-технической конференции молодых ученых «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности». - Могилев : Белорус-Рос. ун-т, 2018.-С. 94.
9 Шеров, К. Т., Габдысалык, Р., Шеров, А. К., Карсакова, Н. Ж. Методика разработки управляющей программы в среде NX САМ для обработки больших отверстий с криволинейными поверхностями на станке с ЧПУ (научное произведение) / Свидетельство о государственной регистрации прав на объект авторского права за № 1334 от 02 мая 2018г.
10 Габдысалык, Р., Лопухов, Ю. И. Повышение технологичности и служебных свойств дисперсионно-твердеющих сталей в условиях наплавки MAG для теплоэнергетической арматуры / Вестник Восточно-Казахстанского государственного технического университета им. Д. Серикбаева -Усть-Каменогорск : Изд-во ВКГТУ, 2014. - № 4 - С. 64-70.
11 Габдысалык, Р., Лопухов, Ю. И. Повышение эрозионных свойств дисперсионно - твердеющей стали в условиях наплавки MAG для теплоэнергетической арматуры / Вестник Восточно-Казахстанского
государственного технического университета им. Д. Серикбаева -Усть-Каменогорск : Изд-во ВКГТУ, 2015. -№ 2 - С, 63-69.
Материал поступил в редакцию 21.09.18.
Рабдысальщ Риза
ara окытушысы, «Машина жасау» кафедрасы, Д. Сержбаев атындагы Шьтгыс Казахстан мемлекетпк техникалык университет!, бскемен к-, 070004, Казакстан Республикасы, e-mail: riza.gabdyssalyk@mail.ru; III еров К ар иве к Тогаевич т.г.д., профессор,
«Технологиялык жабдыктар, машинажасау жэне стандарттау» кафедрасы,
Караганды мемлекеттж техникалык университету
Караганды к., 100027, Казакстан Республикасы,
e-mail: shktl965@mail.ru;
Маздубай Асылхан Владимирович
PhD, кауымд. профессоры (доцент), «Металлургия» кафедрасы, С. Торайгыров атындагы Павлодар мемлекетпк университету Павлодар, 140008, Казакстан Республикасы, e-mail: asylkhan_m@mail.ru; Окимбаева Асель Еркиновна
окытушы, «Технологиялык жабдыктар, машинажасау жэне стандарттау»
кафедрасы, Караганды мемлекетпк техникалык
университет!, Караганды, 100027, Казакстан Республикасы,
e-mail: a.okimbaeva@kstu.kz.
Материал баспага 21.09.18 тусть
Ipi iiiitoep.ii ысырмасыныц штампты-шЫрыген конструкциясын жасау технологиясын зерттеу жэне жет!лд1ру
К,убыр арматурасын даярлау, aman айтканда К,азацстан Республикасы кубыр ondipy зауыттарыныц жагдайында ipi ишберлж ысырмаларды даярлау технологиясын зерттеу нотижелерi бершген. Ipi ишберлж ысырмалардыц memiKmepi мен тораптарын öipixmipy кезшде сапаны цамтамасыз ету мэселелерийц бар екендт аныкрпалган.
dcipece елеулi мэселелер «егер-шибер» жэне «корпус» тораптарын курастыру кезшде, сондай-ац, оза/xi перпендикуляр беттерде орналаскан, «патрубка-корпус» торабыныц цилиндрлж корпусындагы тЫрумен 6ipÍKinipLiemÍH meciK ппшшшц взгерушец ушын механикалык ендеу кез/'нде пайда болады.
Осы мэселелерд^ шешу жопе ipi ишберлж ысырмаларды даярлау технологиясын жепп'мдгру угмн авторлар тарапынан ipi ишберлж ысырмалардыц жартылайкорпус цорабы тестнщ цисыцсызыцпгы бетш термофрикциялык фрезерлеу edici .мен арнайы конустык уйкел/с фрезасыныц курылымы жаратылган.
Kvimmi свздер: Шиберлж ысырма, патрубка, жартылайкорпус, копоткелдi nicipy, термофрикцияльщ фрезерлеу, конустык; уйкелк• фрезасы, дэнекерленген жж.
Gabdysalyk Riza
senior lecturer, Department of «Mechanical Engineering», D. Serikbayev East Kazakhstan State Technical University, Ust-Kamenogorsk, 070004, Republic of Kazakhstan, e-mail: riza.gabdyssalyk@mail.rn; Sherov Karibek Togayevich
Doctor of Technical Sciences, professor, Department of «Technological equipment, engineering and standardization», Karaganda State Technical University, Karaganda, 100027, Republic of Kazakhstan, e-mail: shktl965@mail.ru; Mazdubay Assylkhan Vladimirovich
PhD, associate professor (docent), Department of «Metallurgy», S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan, e-mail: asylkhan_rn@mail.ru; Okimbayevci Asel Erkinovna
lecturer. Department of «Technological equipment, engineering and standardization», Karaganda State Technical University, Karaganda, 100027, Republic of Kazakhstan, e-mail: a.okimbaeva@kstu.kz. Material received on 21.09.18.
Research and perfection of the technology of manufacturing a stamped welded
structure for large shiber latches
This article presents the results of research into the technology of manufacturing pipeline valves, in particular large slide valves, in the conditions of reinforcement plants in Kazakhstan. The problems of quality assurance are revealed at connections of knots and details of large gate valves. In general, significant problems arise when assembling the «saddle-slide» and «body» assemblies, as welt as when machining the welded edges of the variable section of the profile of the holes in the cylindrical body of the «branch-body» connections located on mutually perpendicular surfaces. To improve the manufacturing technology and solve existing problems, the authors developed a method for thermofriction milling o f a hole with a curved surface of a half-shell box of large slide gate valves and a special friction cone friction design.
Keywords: sliding gate valve, branch pipe, half-body, multi-pass welding, thermofriction milling, cone friction cutter, welded seam.
