ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО РЕМОНТА ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ МЕТОДОМ ПОВЕРХНОСТНОГО НАКЛЕПА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Машиностроение и машиноведение

DOI 10.36622/^ТО.2022Л8Л.018 УДК 621.7

ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО РЕМОНТА ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ 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

Aннотация: представлены результаты работы по техническому обеспечению процесса восстановления поврежденных поверхностей трубопроводов различных диаметров методом поверхностного наклепа, реализующего явление поверхностного пластического деформирования, приводящее к изменению распределения напряжений по толщине. В результате проведенных лабораторных исследований данного процесса на Нововоронежской АЭС был разработан специализированный технический комплекс для восстановительного ремонта поверхностных повреждений трубопроводов различного диаметра без остановки технологических процессов. С помощью лабораторного стенда были исследованы 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 рассмотренных режимов для всех исследованных роликов. Дальнейшие исследования остаточного смещения поверхностного слоя при различных режимах обкатки, измерения микротвердости и твердости по Виккерсу с записью диаграммы вдавливания, анализ микроструктуры приповерхностных слоев стали 10ГН2МФА после ППД позволили сделать вывод о соответствии восстановленных поверхностей эксплуатационным требованиям. Таким образом, представленный в статье технический комплекс был допущен к промышленной эксплуатации

Ключевые слова: поверхностный наклеп, поверхностное пластическое деформирование, остаточное напряжение, технический комплекс

Введение

Трубопроводы первого контура АЭС с ВВЭР являются одним из основных элементов реакторной установки, обеспечивающих эксплуатацию в рамках проектных требований. С увеличением срока службы АЭС возрастает число эксплуатационных режимов, которые приводят к повреждению от циклических нагрузок, связанному не только с дефектообра-зованием, но и со снижением служебных свойств (потеря пластичности, прочности) вследствие исходных технологических микроструктурных повреждений наиболее «ослабленных» зон сварного соединения. Большинство эксплуатационных повреждений обусловлено недостаточным сопротивлением металла сварных соединений зарождению и развитию трещин [1-5]. Как правило, эксплуатационные повреждения сопряжены со значительным эко-

© Уразов О.В., Данилов А.Д., 2022

логическим и материальным ущербом. Проблемой эксплуатации такого оборудования является невозможность оперативной остановки технологического процесса и демонтаж дефектных узлов для ремонта. Решение данной проблемы требует разработки специализированного оборудования и технологии восстановительного ремонта трубопроводов непосредственно в процессе эксплуатации.

На Нововоронежской атомной электростанции была разработана технология восстановительного ремонта, спроектировано и изготовлено оборудование, реализующее данную технологию для поврежденных поверхностей трубопроводов различных диаметров методом поверхностного наклепа [6, 7].

Лабораторный стенд для отработки

технологии поверхностного наклепа

Для отработки режимов поверхностного упрочнения был разработан и изготовлен лабо-

раторный стенд на базе станка с числовым программным управлением.

Стенд состоит из основных модулей, перечисленных ниже (рис. 1):

а) 3-координатной силовой рамы (штатива);

б) ПК;

в) блока управления;

г) программное обеспечение и программные профили настроек персонального компьютера.

Рис. 1. Лабораторный стенд для отработки технологии поверхностного наклепа

Конструкция лабораторного стенда следующая. 3-координатный штатив (рис. 2) представляет собой основание, выполненное из высокопрочного чугуна 1, на котором установлена силовая рама 2, представляющая собой металлоконструкцию коробчатого сечения. На основании 1 на прямоугольных шариковых направляющих с предварительным натягом 3 установлен стол продольного перемещения 4. На силовой раме 2 на прямоугольных шариковых направляющих с предварительным натягом 5 установлена каретка поперечного перемещения 6, на которой на прямоугольных шариковых направляющих с предварительным натягом 7 смонтирован стол вертикального перемещения 8. Перемещение стола продольного перемещения 4, каретки поперечного перемещения 6 и стола вертикального перемещения 8 осуществляется посредством шариковинтовых пар 9 с помощью шаговых двигателей 10. На столе вертикального перемещения 8 на кронштейне 11 установлена роликовая накатка 12. Элементы перемещений защищены от попадания

стружки двойной защитой (сальники + скребки), а ходовые винты дополнительно к этому защищены жалюзями. Максимальный статический момент (X, Y, 2) на ходовых винтах до 50 кг-см. Продольная подача 500 мм. Поперечная подача 370 мм. Вертикальная подача 160 мм. Масса 250 кг.

Вертикальная часть представляет собой направляющую, закрепленную на основании при помощи уголка, суппорт, фланец с концентрическим Т-образным пазом, проставку фланца, поворотный кронштейн крепления шпиндельной головки, узел быстрой подачи шпиндельной головки.

К суппорту через проставку крепится устройство для проведения поверхностного пластического деформирования (ППД), (рис. 3 а,б), которое состоит из корпуса 1, на котором на плоских упругих элементах 2 установлена державка 3 с накатным роликом 4. Величину усилия пластического деформирования контролируют с помощью индикатора 5.

С помощью лабораторного стенда были исследованы следующие физико-механические характеристики: глубина наклепа, величина остаточных напряжений, глубина распределения остаточных напряжений, время обкатки, нагрузка на ролик. Доказано очевидное пре-

имущество роликов большего радиуса профиля - они позволяют обеспечить необходимое изменение шероховатости обрабатываемой поверхности при обкатке с большей подачей, что приводит к снижению времени технологического процесса.

Рис. 2. Общий вид лабораторного стенда

а) б)

Рис. 3. Устройство для проведения ППД: а) конструкция; б) внешний вид

142

Однако с увеличением скорости обкатывания помимо роста температуры в зоне обработки наблюдается некоторое снижение степени пластического деформирования, что связано с инерционностью материала [8]. С учетом этого экспериментально была выбрана скорость обкатывания У=1000 мм/мин.

Таким образом, например, для трубы 0426х40мм время одного оборота ролика равно:

Кб V ■

I к-В

к - 426мм

V 1000мм / мин

= 1.34 мин

Подача ролика S выбирается исходя из требуемого параметра итоговой шероховатости поверхности после обкатки и ширины заходной впадины 2а.

В справочной литературе [8] рекомендованы следующие правила:

- для уменьшения Ra на 0.8 мкм 2a/S>1.5,

- для уменьшения Ra на 1.1-1.4 мкм 2а/£!>3,

- для уменьшения Ra на 1.4-1.6 мкм 2а/£>>9.

Основываясь на этих рекомендациях, было

принято решение придерживаться соотношения 2а/Б=5.

Уменьшение подачи S приводит, с одной стороны, к увеличению времени накатки, а с другой - к снижению шероховатости. Величина подачи связана с параметром шероховатости Rz по формуле

Rz = RПР -

-

2

где ЯПР - радиус профиля ролика.

В результате экспериментов были получены средние значения диапазонов подачи S, приводящие к компромиссному решению между параметрами получаемой поверхности и временем обкатки:

S= 0.15 мм при RПР= 2.5 мм

S=0.2мм при RПР= 4.0 мм

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 рассмотренных режимов для всех рассмотренных роликов.

Технический комплекс для восстановительного ремонта поверхностных повреждений трубопроводов

С учетом полученных результатов (влияние силы и скорости обкатки, подачи, формы ролика, глубины обработки) [7] при лабораторных исследованиях режимов поверхностного упрочнения трубопроводов различных диаметров методом поверхностного наклепа на Нововоронежской АЭС была разработана автоматизированная установка по упрочнению сварных соединений трубопроводов большого диаметра (рис. 4).

Рис. 4. Установка для поверхностного упрочнения зоны повреждения сварных соединений 0426х40

Механическая часть установки (рис. 5) состоит из устройства кругового движения узла нагружения с деформирующим роликом вокруг трубопровода 1; устройства продольной подачи узла нагружения с деформирующим роликом вдоль оси трубопровода 2; узла нагружения с деформирующим роликом 3; электронного блока управления.

Рис. 5. Механическая часть установки

Устройство кругового движения узла нагружения с деформирующим роликом вокруг трубопровода (рис. 6) представляет собой разъемную конструкцию и состоит из основания 1 с направляющими роликами 2, планшайбы с зуб-

2

чатым венцом 3, опор крепления 4 и электропривода 5.

Рис. 6. Устройство кругового движения узла нагружения с деформирующим роликом вокруг трубопровода

Устройство продольной подачи узла нагружения с деформирующим роликом вдоль оси трубопровода (рис. 7) состоит из кронштейнов с направляющими 1, закрепленных на каретке 2 механизма радиального перемещения 3. На направляющих 1 установлены кронштейны 4, на которых крепится узел нагружения с деформирующим роликом 3. Осевое перемещение осуществляется посредством винтовой пары 5, на винте которой установлено зубчатое колесо 6, взаимодействующее с упором 7, закрепленным на основании 1.

Рис. 7. Устройство продольной подачи узла нагружения с деформирующим роликом вдоль оси трубопровода

Узел нагружения с деформирующим роликом (рис. 8) состоит из блока силовых пружин 1, установленного на направляющих 2, закрепленных на площадке 3. Площадка 3 крепится к кронштейнам 4. Усилие от блока силовых пружин 1 посредством коромысла 4 и тяг 5 передается через двуплечий рычаг 6 и сферический упор 7 рычагу 8 с деформирующим роликом 9.

Рис. 8. Узел нагружения с деформирующим роликом Заключение

В результате проведенных лабораторных исследований процесса восстановления поврежденных поверхностей трубопроводов различных диаметров методом поверхностного наклепа, реализующего явление поверхностного пластического деформирования, приводящее к изменению распределения напряжений по толщине, на Нововоронежской АЭС был разработан специализированный технический комплекс для восстановительного ремонта поверхностных повреждений трубопроводов различного диаметра без остановки технологических процессов.

Апробация метода роликовой накатки композитных сварных соединений на примере дыхательного трубопровода АЭС с энергоблоком ВВЭР-1000 была проведена на полномасштабном тест-образце. Для этого было изготовлено 2 сварных соединения из 4-х темплетов, вырезанных из сектора трубы 0990х70 мм с точным воспроизведением технологии плакирования и сварки, применяемых в монтажных условиях для компенсатора давления с трубопроводом Ду 350 (0 426х40 мм).

Далее были проведены исследования на 3D цифровом микроскопе Кеуепсе УНХ-600 остаточного смещения поверхностного слоя при различных режимах обкатки (см. табл. 1).

Таблица 1

Результаты измерения остаточного смещения

поверхностного слоя

Режим обработки Остаточное смещение поверхностного слоя измеренное, мкм Расчетное значение смещения поверхностного слоя, мкм

Одиночное вдавливание роликом с нагрузкой 250 кг. 39,2 34

Двухпроходный с нагрузкой 250 кг. 31 28

Измерения микротвердости и твердости по Виккерсу проводилось с применением твердо-

мера Zwick ZHU2,5 с записью диаграммы вдавливания. Результаты приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты измерений твердости по Виккерсу

Поверхность стали HV30 Среднее значение HV30

Исходная 193; 187; 188; 189; 189. 189,2

Однопроходная обработка 227; 224; 228; 222; 226. 225,4

Двухпроходная обработка 228; 226; 228; 233; 228. 228,6

Анализ микроструктуры приповерхностных слоев стали 10ГН2МФА после ППД и до обработки позволил сделать вывод о практическом отсутствии отличий в представленных образцах (рис. 9).

Рис. 9. Микроструктура стали до и после обработки соответственно

Данные исследования позволили сделать вывод о соответствии восстановленных поверхностей эксплуатационным требованиям.

Внедрение разработанного технического комплекса для восстановительного ремонта поверхностных повреждений трубопроводов методом поверхностного наклепа без остановки ядерного блока на Нововоронежской АЭС сокращает простой энергоблока ежегодно на 14 суток. Учитывая, что работа энергоблока позволяет в среднем произвести электроэнергии на 30 млн. руб. в сутки, предприятие за счет дополнительно произведенной электроэнергии увеличивает выручку предприятия более чем на 400 млн. рублей в год [7].

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. Ser. 13th International Scientific-Technical Conference on Electromechanics and Robotics "Zavalishin's Readings" - 2018, 2018. Рр. 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. Ser. 13th International Scientific-Technical Conference on Electromechanics and Robotics "Zavalishin's Readings" - 2018, 2018. Рр. 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. Vol. 64. № 10. Рр. 762-769.

7. Уразов О.В., Данилов А.Д. Исследование процесса восстановления поврежденных поверхностей трубопроводов методом поверхностного наклепа // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2021. Т. 17. № 5. С. 126-132.

8. Адаскин А.М., Седов Ю.Е., Онегина А.К. Материаловедение в машиностроении. М.: Издательство Юрайт, 2020. Ч. 1. 258 с.

Поступила 06.12.2021; принята к публикации 18.02.2022 Информация об авторах

Уразов Олег Владимирович - заместитель директора, филиал АО «Концерн Росэнергоатом» «Нововоронежская атомная станция» (396072, Россия, г. Нововоронеж, Промышленная зона Южная, 1), e-mail: [email protected]

Данилов Александр Дмитриевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (324026, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: [email protected]

TECHNICAL COMPLEX FOR THE RESTORATION REPAIR OF SURFACE DAMAGE OF PIPELINES 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

Abstract: we present the results of work on the technical support of the process of restoring damaged surfaces of pipelines of various diameters by the method of surface riveting, which implements the phenomenon of surface plastic deformation, leading to a change in the distribution of stresses over the thickness. As a result of laboratory studies of this process at the Novovoronezh NPP, a specialized technical complex was developed for the restoration repair of surface damage to pipelines of various diameters without stopping technological processes. With the help of a laboratory stand, we investigated the following physical and mechanical characteristics: hardening depth, the value of residual stresses, the depth of distribution of residual stresses, the break-in time, the roller load. We proved the obvious advantage of rollers with a larger profile radius - they allow you to provide the necessary change in the roughness of the machined surface when running in with a larger feed, which leads to a decrease in the time of the technological process. At the same time, in the accepted range of parameters of the running-in modes (load 2500^3000N, indentation depth 0.04^0.06mm), the values of the residual stress components turned out to be almost identical for the considered modes for all considered rollers. Further studies of the residual displacement of the surface layer under different running conditions, measurements of microhardness and Vickers hardness with recording of the indentation diagram, analysis of the microstructure of the near-surface layers of 10GN2MFA steel after PPD made it possible to conclude that the restored surfaces correspond to operational requirements. Thus, the technical complex presented in the article was approved for commercial operation

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 energeticheskikh 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 gosudarstvennogo 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. 13. Ser. "13th International Scientific-Technical Conference on Electromechanics and Robotics" Zavalishin's Readings - 2018, 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. 13. Ser. "13th International Scientific-Technical Conference on Electromechanics and Robotics" Zavalishin's Readings - 2018, 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. 516.

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. 762-769.

7. Urazov O.V., Danilov A.D. "Investigation of the process of restoration of damaged pipeline surfaces by the method of surface riveting", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universi-teta), 2021, vol. 17, no. 5, pp. 126-132.

8. Adaskin A.M., Sedov Yu.E., Onegina A.K. "Materials science in mechanical engineering" ("Materialovedenie v mashi-nostroenii"), Moscow: Yurait, 2020, 258 p.

Submitted 06.12.2021; revised 18.02.2022 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]