CC BY
6
DOI 10.36622/^Ти.2021.15.5.018 УДК 621.7
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРУБОПРОВОДОВ МЕТОДОМ ПОВЕРХНОСТНОГО НАКЛЕПА
О.В. Уразов1, А.Д. Данилов2
Филиал АО «Концерн Росэнергоатом» «Нововоронежская атомная станция»,
г. Нововоронеж, Россия 2Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: представлены результаты экспериментальных исследований процесса восстановления поврежденных поверхностей трубопроводов различных диаметров методом поверхностного наклепа, реализующего явление поверхностного пластического деформирования, приводящее к изменению распределения напряжений по толщине, выполнено обоснование оптимальных режимов его проведения. При этом было осуществлено численное моделирование процесса накатки, определены оптимальные значения следующих параметров: глубины и силы ППД, скорости ППД, подачи ролика, формы рабочей поверхности используемого ролика. При анализе были учтены следующие физико-механические характеристики: глубина наклепа, величина остаточных напряжений, глубина распределения остаточных напряжений, время обкатки, нагрузка на ролик. Доказано очевидное преимущество роликов большего радиуса профиля - они позволяют обеспечить необходимое изменение шероховатости обрабатываемой поверхности при обкатке с большей подачей, что приводит к снижению времени технологического процесса. При этом в принятом диапазоне параметров режимов обкатки (нагрузка 2500^3000Н, глубина вдавливания 0.04^0.06мм) величины компонентов остаточных напряжений оказались практически идентичными для исследованных режимов всех рассмотренных роликов. Полученные результаты были положены в основу технологии восстановительного ремонта трубопроводов различного диаметра без остановки производственного процесса на Нововоронежской АЭС и создана промышленная установка с числовым программным управлением для реализации данной технологии
Ключевые слова: поверхностный наклеп, роликовая обкатка, поверхностное пластическое деформирование, остаточное напряжение
Введение
Опыт эксплуатации производственных и энергетических объектов показывает, что абсолютно на всех типах эксплуатируемого оборудования имеются проблемные критические элементы (сварные соединения (СС), узлы, зоны), подверженные образованию и ускоренному развитию эксплуатационных повреждений. В таких случаях возникает необходимость проведения компенсирующих мероприятий, приводящих к восстановлению служебных свойств до приемлемого уровня в целях обеспечения эксплуатационной надежности благодаря повышению прочности деталей машин и конструкций в течение всего срока службы или хотя бы до срока планируемой замены оборудования. Наиболее сложными в плане проведения ремонтных работ являются регулярные случаи повреждения сварных соединений трубопроводов под действием циклических растягивающих напряжений. Задача проведения восстановительного ремонта без остановки технологического процесса в таких случаях является затруднительной [1-4].
© Уразов О.В., Данилов А.Д., 2021
На Нововоронежской атомной электростанции была разработана методика и спроектировано оборудование для восстановления поврежденных поверхностей трубопроводов различных диаметров методом поверхностного наклепа, реализующим явление поверхностного пластического деформирования (ППД), приводящее к изменению распределения напряжений по толщине. Серьезный интерес в разработанной технологии представляет обоснование оптимальных режимов проведения ППД, чему и посвящена данная статья.
Блок-схема исследования
С целью выбора оптимального режима роликовой обкатки было проведено численное моделирование процесса накатки. Находились оптимальные значения следующих параметров:
• глубины и силы ППД;
• скорости ППД;
• подачи ролика;
• формы рабочей поверхности используемого ролика.
При этом учитывались следующие характеристики:
• глубины наклепа;
• величины остаточных напряжении;
• глубины распределения остаточных напряжении;
• время обкатки;
• нагрузка на ролик.
Блок-схема, описывающая проведенные расчеты по определению параметров режима роликовои обкатки, представлена на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема проведенных расчетных исследовании Выбор оптимальной силы обкатки
Ширина заходноИ впадины от одного прохода инструмента может быть оценена по формуле
2 а = 4
Р
НВ
где Р - нагрузка на индентор, НВ - твердость обрабатываемого материала.
Эта формула согласуется с результатами численного моделирования процесса вдавливания ролика в накатываемыи материал по схеме, представленнои на рис. 2.
Диаграммы вдавливания роликов различных размеров в координатах сила Р - глубина вдавливания и! представлены на рис. 3. Диаграммы вдавливания, приведенные к координатам сила Р - ширина заходноИ впадины 2а, представлены на рис. 4. На последнем графике отмечен интервал нагрузок ~2500^3000Н, после которого для всех рассматриваемых размеров ролика диаграммы выполаживаются, из чего следует, что увеличение нагрузки выше этих значении становится малоэффективным.
В дальнейшем нагрузка ~2500^3000Н будет использоваться как базовая.
Рис. 2. Схема статического расчета вдавливания ролика
Рис. 3. Расчетные диаграммы вдавливания ролика для радиуса профиля 1.6 мм (1), 2.5 мм (2) и 4 мм (3)
2а, тш 1 1 1 О О О
о
Р, N
Рис. 4. Перестроенные диаграммы вдавливания ролика для радиуса профиля 1.6 мм (1), 2.5 мм (2) и 4 мм (3) с выделенным диапазоном базовой нагрузки
Глубины вдавливания для каждого из рассматриваемых роликов при выбранных нагрузках (2500^3000Н) представлены в табл. 1. Эти значения будут в дальнейшем приняты в качестве базовых.
Таблица 1
Расчетные значения глубины и ширины заходноИ впадины при вдавливании роликов в накатываемый материал
Япр, мм Глубина обработки иь мм Ширины заходной впадины 2а, мм
1.6 0.05 0.75
2.5 0.044 0.85
4.0 0.035 1.0
Оценка влияния скорости обкатки
Скорость деформации при прокатке роликом определяется изменением степени деформации £ в единицу времени £
ds
г --
& .
Так как относительная деформация £ - величина безразмерная, то равномерная скорость деформации будет иметь размерность 1/с. От скорости деформации следует отличать скорость деформирования - скорость перемещения деформирующего инструмента, имеющую размерность м/с. При одной и той же скорости деформирования скорости деформации могут быть различными. В нашем случае, если исключить проскальзывание ролика, то можно принять, что эти скорости равны в выбранном диапазоне квазистатического деформирования поверхностного слоя от 0.0001 до 10000 мм/мин.
Влияние скорости в нашем случае ограничивается тепловыми явлениями, допустимым биением инструмента, жесткостью и точностью применяемого оборудования. Увеличение скорости сопровождается увеличением вклада вибраций и динамических нагрузок в структурные превращения стали, что может приводить к снижению эффективности процедуры упрочнения. Также с увеличением скорости обкатывания помимо роста температуры в зоне обработки наблюдается некоторое снижение степени пластического деформирования, что связано с инерционностью материала [7]. С учетом сказанного, выбираем скорость обкатывания У=1000 мм/мин.
Таким образом, для трубы 0426х40мм время одного оборота ролика равно: I п • D п • 426мм
¡об - V -
V
— 1.34 мин
1000мм / мин Оценка влияния подачи ролика
Подача ролика S выбирается исходя из требуемого параметра итоговой шероховатости поверхности после обкатки и ширины заходной впадины 2а.
В справочной литературе [7] рекомендованы следующие правила:
- для уменьшения Ra на 0.8 мкм 2а/Б>1.5,
- для уменьшения Ra на 1.1-1.4 мкм 2а/Б>3,
- для уменьшения Ra на 1.4-1.6 мкм
2а/Б>9.
Основываясь на этих рекомендациях было принято решение придерживаться соотношения
2а/Б=5.
Значения ширин заходной впадины 2а для исследуемых роликов при нагрузках 2500^3000Н представлены в табл. 2.
Таблица 2
Значения подачи роликов
Япр, мм 2а, мм S, мм
1.6 0.75 2а/5= 0.15
2.5 0.85 2а/5= 0.17
4.0 1.0 2а/5= 0.2
Количество циклов нагружения каждой точки поверхности рассчитывается по формуле
2 ак
N -
Б ,
где S - подача, к - число проходов.
Таблица 3
Расчетные значения максимальных нагрузок на ролик для различных режимов накатки
№ режима Радиус профиля ролика ЯПР, мм Подача Б, мм Глубина вдавливания иь мм Расчетное усилие Остаточное смещение иост, мм
Fx, Н Fy, Н Fz, Н
1 2.5 0.1 0.044 108 40 2475 0.0244-0.0382
2 2.5 0.15 0.044 100 40 2004 0.022-0.038
3 2.5 0.2 0.044 97 40 2380 0.0197-0.0381
4 4 0.1 0.035 75 35 2255 0.0195-0.0293
5 4 0.2 0.035 70 35 2255 0.0154-0.0296
6 4 0.3 0.035 60 32 2200 0.015-0.0295
Таблица 4
Расчетные значения максимальных нагрузок на ролики различной формы
№ режима Радиус профиля ролика ЯПР, мм Подача Б, мм Глубина вдавливания иь мм Расчетное усилие Остаточное смещение иост, мм
Fx, Н Fy, Н Fz, Н
1 1.6 0.1 0.050 145 45 2730 0.043
2 2.5 0.15 0.044 110 45 2805 0.037
3 4 0.2 0.035 70 40 2600 0.028
Разрушение поверхностного слоя может происходить не только при силе, превосходящей критическую, но и при небольшой нагрузке, если N слишком велико. В этом случае разрушение поверхности носит периодический характер. Допустимое N в большой мере зависит от марки обрабатываемого материала. С учетом этого, а также исходя из соображений оптимизации времени процесса число проходов к выбрано равным 1.
Уменьшение подачи S приводит, с одной стороны, к увеличению времени накатки, а с другой - снижению шероховатости. Величина подачи связана с параметром шероховатости Rz по формуле
Rz - Кпр -
у[4Я
ПР
- S
2
где RПР - радиус профиля ролика.
По полученным результатам отчетливо заметно увеличение разницы между остаточными смещениями поверхностного слоя в начале и в конце прохода с ростом подачи S, а также возникновение волнистости на поверхности материала при больших значениях подачи S.
Вывод - выбираем средние значения рассмотренных диапазонов подачи S, приводящие к компромиссному решению между параметрами получаемой поверхности и временем обкатки:
S= 0.15 мм при RПp= 2.5 мм
S=0.2мм при RПР= 4.0 мм
Анализ значений времени обкатки показал их достаточно значительными, что говорит о преимуществах использования роликов максимальных размеров ^ш=4.0 мм), позволяющих работать при больших значениях подачи S.
Следует отметить, что в процессе ППД глубину обработки нужно увеличивать постепенно до выбранного максимального значения, т.к. подобный подход обеспечивает плавное распределение остаточных напряжений по длине трубы. В случае обработки с одной глубиной по всей длине трубы на границе обрабатываемой поверхности может возникнуть высокий градиент остаточных напряжений, а также значительные растягивающие напряжения в верхней точке наплыва перед роликом, что негативно скажется на усталостных свойствах материала.
Оценка влияния геометрических размеров ролика
Для сравнительного анализа влияния размеров роликов было произведено моделирование процесса обкатки с постоянной в три прохода с одним рабочим проходом и с глубиной обкатки и! (табл. 4).
Анализ распределения остаточных напряжений по глубине показал схожесть полученных результатов для различных роликов, что говорит о равной эффективности обработки каждым из них. В данном случае при выборе оптимального размера ролика необходимо использовать другие параметры сравнения.
2
В качестве параметра сравнения можно использовать время обработки. В таком случае предпочтительными становятся ролики большего радиуса ^ш=2.5 / 4.0 мм), для которых, исходя из большей ширины заходной впадины а, можно использовать большую подачу S при сохранении выбранных пределов изменения шероховатости, что приведет к существенному уменьшению времени процесса обкатки. Например, время обработки идентичной площади образца при использовании роликов с RПР= 1.6 мм и RПР= 4.0 мм при идентичных нагрузках и различных подачах отличается в 1.3 раза. Помимо этого, ролик с RПР= 4.0мм характеризуется меньшими значениями нагрузок в направлениях X и Y, которые могут вносить дополнительные погрешности, вызванные нежесткостью конструкций оборудования.
Оценка влияния глубин обработки
Для определения оптимальных глубин обработки было произведено моделирование процесса обкатки для рассматриваемых роликов 1.6/2.5/4.0 мм). Описание рассматриваемых режимов представлено в табл. 5.
Таблица 5 Рассмотренные глубины обработки
Глубина обработки, мм
Ролик Режим 1 и1 Режим 2 и2 Режим 3 и3
ЯПР=1.6 0.05 0.045 0.055
ЯПР=2.5 0.044 0.04 0.05
ЯПР=4.0 0.035 0.0315 0.0385
Здесь: и! - базовая глубина статического вдавливания ролика; и2 « 0.9 иь и3 « 1.1 иь
Первый режим характеризуется глубиной обработки и^ соответствующей нагрузке 2500^3000Н. Он был рассмотрен в предыдущем разделе.
Второй режим характеризуется пониженной глубиной обработки и2, с целью снижения нагрузок на ролик и конструкцию в целом.
Третий режим характеризуется повышенной глубиной обработки и3, с целью достижения больших величин и глубин остаточных напряжений при тех же значениях максимальных нагрузок, что и при обработке с глубиной иь Это осуществляется путем ступенчатого вдавливания (выбранная глубина вдавливания
достигается при движении ролика по поверхности образца).
Максимальные нагрузки на ролик для рассмотренных режимов представлены в табл. 6.
Таблица 6 Максимальные нагрузки на ролик
Ролик Режим Fx, Н Fy, Н Fz, Н
1 145 45 2730
ЯПР=1.6 2 125 35 2425
3 150 55 2780
1 110 45 2805
КЛР=2.5 2 95 35 2500
3 115 55 3010
1 70 40 2600
Япр=4.0 2 60 30 2300
3 70 45 2600
По полученным результатам анализа рассмотренных глубин обкатки можно сделать следующие выводы:
1. В принятом диапазоне параметров режимов обкатки (Нагрузка 2500^3000Н, глубина вдавливания 0.04^0.06мм) величины компонентов остаточных напряжений оказались практически идентичными для всех рассмотренных режимов для всех рассмотренных роликов.
2. Глубина распределения остаточных напряжений, которая слабо колеблется в пределах 1^1.5мм, а также величины максимальных нагрузок на ролик. Таким образом, в рамках выбранного диапазона выбор глубины вдавливания не является существенным.
Рис. 5. Установка для поверхностного упрочнения зоны повреждения сварных соединений 0 426х40
Заключение
В результате проведенных экспериментальных исследований процесса восстановления поврежденных поверхностей трубопрово-
дов различных диаметров методом поверхностного наклепа, реализующего явление поверхностного пластического деформирования, приводящее к изменению распределения напряжений по толщине, было проведено обоснование оптимальных режимов проведения ППД.
Для этого было выполнено численное моделирование процесса накатки, при этом определены оптимальные значения следующих параметров: глубины и силы ППД; скорости ППД; подачи ролика; формы рабочей поверхности используемого ролика.
При этом были учтены следующие характеристики: глубина наклепа; величина остаточных напряжений; глубина распределения остаточных напряжений; время обкатки; нагрузка на ролик.
Полученные результаты были положены в основу технологии восстановительного ремонта трубопроводов различного диаметра без остановки производственного процесса на Нововоронежской АЭС и создана промышленная установка с числовым программным управлением для реализации данной технологии (рис.
5).
В соответствии с экспертной оценкой экономический эффект в случае применения технологии восстановления поврежденных поверхностей методом поверхностного наклепа соединительного (дыхательного) трубопровода между главным циркуляционным трубопроводом и компенсатором давления составляет 825 440,44 рублей в год. Кроме этого сокращается срок простоя энергоблока ежегодно на 14 суток, что позволяет за счет дополнительно
произведенной электроэнергии увеличить выручку предприятия более чем на 400 млн. рублей ежегодно.
Литература
1. Поваров В.П., Бакиров М.Б., Данилов А.Д. Автоматизированная система многопараметрического мониторинга параметров состояния энергетических установок АЭС. Воронеж: Научная книга, 2017. 276 с.
2. Поваров В.П., Бакиров М.Б., Данилов А.Д. Обработка данных в системе непрерывного мониторинга эксплуатационной повреждаемости критических элементов энергетических установок // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2018. Т. 14. № 1. С. 64-72.
3. Intellectual decision-making system in the context of potentially dangerous nuclear power facilities / A. Danilov, V. Burkovsky, S. Podvalny, K. Gusev, V. Povarov // MATEC Web of Conferences. 13. Сер. "13th International Scientific-Technical Conference on Electromechanics and Robotics "Zavalishin's Readings". 2018. P. 2009.
4. Data support system for controlling decentralised nuclear power industry facilities through uninterruptible condition monitoring / V. Povarov, A. Danilov, V. Burkovsky, K. Gusev // MATEC Web of Conferences. 13. Сер. "13th International Scientific-Technical Conference on Electrome-chanics and Robotics "Zavalishin's Readings". 2018. P. 2012.
5. Расчетно-экспериментальная оценка влияния термической стратификации на эксплуатационную нагру-женность дыхательного трубопровода энергоблока № 5 Нововоронежской АЭС / В.П. Поваров, О.В. Уразов, М.Б. Бакиров, В.И. Левчук // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. 2017. № 1. С. 5-16.
6. Restoration of metal properties of circulation pump blades by the method of surface ultrasonic impact treatment / V.P. Povarov, O.V. Urazov, M.B. Bakirov, S.S. Pakhomov, I.A. Belunik // Thermal Engineering. 2017. Т. 64. № 10. С. 762-769.
7. Адаскин А.М., Седов Ю.Е., Онегина А.К. Материаловедение в машиностроении. М.: Издательство Юрайт, 2020. Ч. 1. 258 с.
Поступила 06.09.2021; принята к публикации 19.10.2021 Информация об авторах
Уразов Олег Владимирович - заместитель директора, филиал АО «Концерн Росэнергоатом», «Нововоронежская атомная станция» (396072, Россия, Воронежская обл., г. Нововоронеж, Промышленная зона Южная, 1), e-mail: [email protected]
Данилов Александр Дмитриевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: [email protected]
INVESTIGATION OF THE PROCESS OF RESTORATION OF DAMAGED PIPELINE SURFACES BY THE METHOD OF SURFACE RIVETING
O.V. Urazov1, A.D. Danilov2
'Branch of JSC "Concern Rosenergoatom" "Novovoronezh Nuclear Power Plant",
Novovoronezh, Russia 2Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
mamhhocrpoehhe h mamuhobegehue
Abstract: here we present the results of experimental studies of the process of restoration of damaged surfaces of pipelines of various diameters by the method of surface work hardening, which implements the phenomenon of surface plastic deformation, leading to a change in the distribution of stresses along the thickness. At the same time, we carried out a numerical simulation of the knurling process, we determined the optimal values of the following parameters: the depth and strength of the SPD, the speed of the SPD, the feed of the roller, the shape of the working surface of the roller used. The analysis took into account the following physical and mechanical characteristics: work hardening depth, residual stress value, residual stress distribution depth, running time, roller load. We proved the obvious advantage of rollers with a larger profile radius - they allow one to provide the necessary change in the roughness of the machined surface during rolling with a higher feed, which leads to a decrease in the time of the technological process. In this case, in the accepted range of parameters of the running modes (load 2500-3000N, indentation depth 0.04-0.06 mm), the values of the residual stress components turned out to be almost identical for the considered modes for all the considered rollers. We used the results as the basis for the technology of restorative repair of pipelines of various diameters without stopping the production process at the Novovoronezh NPP and an industrial unit with numerical control was created to implement this technology
Key words: surface riveting, roller running-in, surface plastic deformation, residual stress
References
1. Povarov V.P., Bakirov M.B., Danilov A.D. "Automated system of multiparametric monitoring of parameters of the state of NPP power plants" ("Avtomatizirovannaya sistema mnogoparametricheskogo monitoringa parametrov sostoyaniya en-ergeticheskikh ustanovok AES"), Voronezh: Nauchnaya kniga, 2017, 276 p.
2. Povarov V.P., Bakirov M.B., Danilov A.D. "Data processing in the system of continuous monitoring of operational damage of critical elements of power plants", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosu-darstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2018, vol. 14, no. 1, pp. 64-72.
3. Danilov A., Burkovsky V., Podvalny S., Gusev K., Povarov V. "Intellectual decision-making system in the context of potentially dangerous nuclear power facilities", MATEC Web of Conferences:13th International Scientific-Technical Conference on Electromechanics and Robotics, Zavalishin's Readings 2018, pp. 2009.
4. Povarov V., Danilov A., Burkovsky V., Gusev K. "Data support system for controlling decentralised nuclear power industry facilities through uninterruptible condition monitoring", MATEC Web of Conferences:13th International Scientific-Technical Conference on Electromechanics and Robotics, Zavalishin's Readings 2018, pp. 2012.
5. Povarov V.P., Urazov O.V., Bakirov M.B., Levchuk V.I. "Computational and experimental assessment of the effect of thermal stratification on the operational load of the breathing pipeline of the Novovoronezh NPP Unit No. 5", News of Higher Educational Institutions. Nuclear Power Engineering (Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Yadernaya energetika), 2017, no. 1. pp. 5-16.
6. Povarov V.P., Urazov O.V., Bakirov M. B., Pakhomov S.S., Belunik I.A. "Restoration of metal properties of circulation pump blades by the method of surface ultrasonic impact treatment", Thermal Engineering, 2017, vol. 64, no. 10, pp. 762769.
7. Adaskin A.M., Sedov Yu.E., Onegina A.K. "Materials science in mechanical engineering" ("Materialovedenie v mashinostroenii"), Moscow: Yurayt, 2020, 258 p.
Submitted 06.09.2021; revised 19.10.2021 Information about the authors
Oleg V. Urazov, Deputy Director, branch of JSC "Concern Rosenergoatom" Novovoronezh Nuclear Power Plant (1 Yuzhnaya Industrial Zone, Novovoronezh 396072, Voronezh region, Russia), e-mail: [email protected] Aleksandr D. Danilov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 324006, Russia), e-mail: [email protected]
