Главная > Публикации

Опыт применения нового высокоплотного соединения труб с трубными досками в теплообменных аппаратах турбоустановок

Бродов Ю.М., доктор техн. наук; Рябчиков А.Ю., Бухман Г.Д., Великович В.И., Предеин В.Л., инженеры; Плотников П.Н., канд. техн. наук.

Уральский государственный технический университет, АО «Турбомоторный завод», АО «Свердловэнерго».

В состав современных энергетических установок входит большое число теплообменных аппаратов - подогревателей, конденсаторов, маслоохладителей и т.п. В подавляющем большинстве случаев это кожухотрубные аппараты, имеющие прямые, U- и П-образные или змеевиковые трубные пучки; количество соединений труб с трубными досками в одном аппарате достигает нескольких тысяч.

Анализ данных эксплуатации показывает, что надежность аппаратов в существенной степени определяется качеством соединений труб с трубными досками [1-6]; часто причиной отказов становится потеря герметичности (плотности) этими соединениями. В этих случаях возникает необходимость отключения аппаратов, поиска мест протечек и глушения труб, соединения которых с трубными досками не обеспечивают необходимой плотности. Операции эти весьма трудоемки, сложны и связаны с тяжелыми условиями труда. Следует отметить, что для ряда наиболее ответственных аппаратов, например конденсаторов, выход из строя одного или нескольких из соединений труб с трубной доской обуславливает необходимость его отключения полностью или частично, что, в свою очередь, ведет к останову турбоагрегата или снижению его мощности. Все это делает проблему повышения качества соединений труб с трубными досками весьма актуальной.

Соединение труб с трубными досками осуществляется с применением различных конструктивно-технологических решений, что обусловлено назначением теплообменных аппаратов, их местом в схеме турбоустановки, условиями эксплуатации и особенностями производства многочисленных предприятий, выпускающих теплообменное оборудование.

Инструмент и оснастка, используемые для этих целей, весьма специфичны и не относятся к продукции общего технического назначения, как например, дрели, пневмогайковерты, шлифмашинки и т.п.

Сложилась нетрадиционная для технически развитых стран практика, когда специальный инструмент и устройства для проведения подобных работ каждое предприятие или электростанция разрабатывает и изготавливает самостоятельно. Это, естественно, приводит к тому, что технический уровень как конструкции, так и изготовления этого инструмента и оснастки оказывается не высоким, и, как следствие, качество и сроки проводимых работ зачастую не удовлетворяют современным требованиям.

В большинстве теплообменных аппаратов, выпускаемых отечественными заводами, применяется один тип крепления труб в трубных досках - развальцовка [7]. Контроль качества такого соединения осуществляют, в основном, по степени развальцовки и результатам гидроиспытаний. Развальцовка производится путем радиального деформирования трубы в отверстиях трубной доски. Наибольшее распространение в настоящее время для данного способа соединения получили роликовые самозатягивающиеся вальцовки.

Роликовые самозатягивающиеся вальцовки позволяют производить закрепление труб, изготовленных практически из любых металлов, применяемых в энергетическом, химическом и судовом машиностроении, обеспечивая при этом заданные значения герметичности и прочности [3, 8]. Однако высокое качество соединений получается только в тех случаях, когда соблюдаются все требования по геометрическим параметрам труб и отверстий в трубных досках, а степень развальцовки выдерживается в строго заданном диапазоне. Существенное влияние на качество соединений оказывает соотношение механических свойств материалов труб и трубных досок. Качество соединений во многом определяется квалификацией и психофизическим состоянием исполнителя. Соблюдение всех перечисленных требований в условиях реального производства не всегда представляется возможным.

К положительным особенностям роликовых вальцовок относятся простота конструкций и возможность выполнять процесс с достаточно высокой скоростью. Последнее обусловлено тем, что труба деформируется роликами одновременно на всем участке вальцовочного пояса при длине участка вальцевания до 40мм.

При изготовлении наиболее ответственных теплообменных аппаратов применяют комбинированные способы изготовления соединений, предполагающие совместное использование вальцовки и сварки. Это приводит к существенному увеличению трудоемкости, стоимости и времени изготовления аппаратов. Необходимость использования комбинированных соединений в настоящее время обусловлена тем, что ни один из взятых в отдельности современных способов крепления труб не обеспечивает требуемого уровня надежности [3-6, 8]. Все это требует дальнейшего совершенствования существующих и разработки новых прогрессивных способов крепления труб в трубных досках.

Поскольку каждый из способов крепления труб в трубных досках, в том числе и с применением сварки, не лишен недостатков, то при внедрении новых способов соединений должны рассматриваться лишь такие, которые, являясь прежде всего достаточно простыми, значительно повышали бы надежность и, по возможности, не меняя существенно традиционную технологию изготовления и сборки аппаратов, приводили бы к повышению уровня остаточных напряжений в соединениях, выполненных из любых применяемых металлов, и меньше зависели от геометрических параметров соединяемых деталей.

К числу таких способов может быть отнесен метод, основанный на применении кольцевых уплотнительных элементов (кольцевых рельефов), сформированных из металла трубной доски [5, 9, 10] (рис.1). При радиальном деформировании трубы, установленной в отверстии трубной доски, кольцевой уплотнительный элемент (в дальнейшем кольцевой рельеф) упруго-пластически внедряется в материал трубы, что приводит к локальному повышению контактного давления и, как следствие, к повышению герметичности и прочности соединения. Этот способ достаточно прост и легко вписывается в существующую технологическую цепочку, как при изготовлении новых аппаратов на заводах, так и при их ремонтах с заменой труб на электростанциях.

Для формирования кольцевых рельефов методом ротационного выкатывания в Научно-исследовательской технологической лаборатории Санкт-Петербургского государственного морского технического университета (НИТЛ СПбГМТУ) разработано несколько модификаций шариковых раскатников (рис.2), основными конструктивными элементами которых являются: коническое веретено, сепаратор, упорная муфта и шарики. Инструмент можно выполнять как с однорядным, так и с многорядным расположением шариков. Выбор модификации шариковых раскатников зависит от диаметра обрабатываемого отверстия, типа привода (радиально-сверлильный станок или ручной пневмопривод), а также металла трубной доски. После обработки этим инструментом, на поверхности отверстия образуется несколько кольцевых выступов, которые и внедряются в наружную поверхность трубы в процессе последующей ее развальцовки (см.рис.1,б).

Измерения микротвердости поверхности кольцевых выступов в трубной доске с помощью прибора ПМТ-3 показали, что твердость поверхности выступов повышается от основания к вершине. При этом твердость поверхности выступа в среднем на 25-30% больше твердости металла трубной доски.

Испытания образцов соединений труба-трубная доска (рис.3) на герметичность проводились в НИТЛ на гидравлическом стенде. В процессе проведения испытаний величина давления жидкости контролировалась по манометру. Повышение давления производилось ступенчато через 5 МПа с выдержкой 10 минут на каждой ступени. Момент разгерметизации у образцов фиксировался визуально по появлению капель «росы» на границах соединения труба-трубная доска.

На рис.4 показано, что применение кольцевых рельефов приводит к существенному повышению герметичности соединений в определенной области «оптимальных» значений высоты выступов [5, 9, 10]. Увеличение радиального размера кольцевых рельефов выше оптимального значения снижает эффективность их применения. Это объясняется тем, что увеличение высоты выступов приводит к вынужденному увеличению исходного технологического зазора между трубой и трубной доской, что отрицательно влияет на герметизирующую способность соединений.

Следует отметить, что в ряде случаев применение кольцевых рельефов в соединениях труб с трубными досками позволило повысить герметичность соединений до значений давления 100 - 110 МПа. При таких давлениях потеря устойчивости труб в радиальном направлении происходила раньше, чем наступала разгерметизация соединений (см. рис.3). В подобных случаях герметизирующая способность соединений, полученных с применением кольцевых рельефов, соизмерима с герметизирующей способностью сварных соединений.

Для определения оптимальных размеров, формы и механических характеристик кольцевых рельефов проводилось численное исследование напряженно-деформированного состояния соединения трубы с трубной доской [5]. При этом варьировались высота, форма и механические свойства кольцевых рельефов. В результате исследований [5, 9, 10] установлено:

• в районе кольцевого рельефа имеет место значительное (в 2 - 3 раза) увеличение контактного давления;
• оптимальной формой рельефа с точки зрения наиболее полного внедрения в поверхность трубы является треугольная с плавным переходом от основания к стенкам отверстия;
• оптимальная высота выступа рельефа находится в диапазоне 0,07-0,15мм;
• наибольшее увеличение контактного давления достигается в случае, когда твердость поверхности выступа в среднем на 30 - 35% больше твердости металла трубной доски.

Для исследования влияния места расположения кольцевых рельефов на качественные показатели соединений было изготовлено пять серий по 16 однотрубных образцов в каждой с кольцевыми рельефами, сформированными на расстоянии l (см. рис.1), равном 1, 2, 5 и 7 мм от торца трубной доски. Образцы всех серий были изготовлены по одной технологии с последующей развальцовкой труб Æ 16х1 мм. Диаметральный исходный зазор между трубой и отверстием составлял 0,3(+0,05) мм; высота кольцевого выступа составляла в среднем 0,10 - 0,12 мм.

Первоначально все образцы были подвергнуты гидравлическим испытаниям без воздействия каких-либо нагрузок на соединения. Результаты гидравлических испытаний показали, что изменение места расположения кольцевых рельефов по длине пояса закрепления не оказывает существенного влияния на герметичность соединения. Среднее значение давления разгерметизации для каждой из серий образцов оказалось равным 75-90 МПа.

Для определения влияния места расположения кольцевых рельефов на качество соединений в условиях динамических нагрузок образцы подвергались испытаниям на специальном стенде, позволяющем прикладывать к образцам усилия, вызывающие напряжения изгиба и напряжения растяжения-сжатия [5, 9, 10]. Испытания проводились по методу Эномото, предполагающему ступенчатое увеличение изгибных напряжений. При этом частота приложения изгибающих нагрузок была равна 30 Гц; растягивающих - 0,1 Гц. Величина изгибающих нагрузок ступенчато увеличивалась вплоть до разрушения соединения; величина относительной деформации образца, вызванная осевым усилием, оставалась постоянной.

Результаты исследования влияния места расположения кольцевых рельефов на предел выносливости соединения показали (рис.5) [5, 9, 10], что в случае, когда кольцевой рельеф располагается в «опасном» сечении (на кромке пояса закрепления), то это приводит к снижению предела выносливости. По мере удаления элемента от «опасного» сечения происходит увеличение предела выносливости до (или несколько выше) значения, соответствующего соединениям без кольцевых рельефов. Анализ результатов позволяет сделать вывод о том, что кольцевой рельеф должен располагаться на расстоянии не менее 3 мм от края отверстия в трубной доске.

В процессе формирования кольцевых рельефов шариковым раскатником следует также учитывать, что чем ближе к кромке отверстия они располагаются, тем больше вероятность перекоса веретена инструмента во время накатки. Перекос веретена может привести к искажению геометрической формы и размеров выступов. Поэтому, для практической реализации, рекомендуется располагать кольцевые уплотнительные элементы, особенно при ручной накатке, не ближе 10 - 12 мм от наружной кромки отверстия.

В процессе эксплуатации трубные пучки теплообменников могут подвергаться интенсивному воздействию циклических нагрузок, поэтому потребовалось проведение сравнительных испытаний соединений с кольцевыми рельефами на усталостную прочность. Для этого были использованы однотрубные образцы. Определение усталостной прочности соединений проводилось на специальной испытательной машине, конструкция которой обеспечивала одновременное приложение к экспериментальному образцу циклических нагрузок чистого изгиба и осевого растяжения-сжатия [5, 9, 10]. Изгибающие циклические нагрузки прикладывались с частотой 30 Гц. Величина прогиба образца контролировалась непосредственно в процессе испытаний. Циклические нагрузки растяжения-сжатия прикладывались с частотой - 0,1 Гц. Величина напряжений от нагрузок растяжения-сжатия была такой, чтобы труба не теряла продольной устойчивости. Для принятой конструкции экспериментальных образцов максимальная величина удлинения труб не превышала 0,06 мм. За разрушение образца принимался момент появления сквозной трещины в трубе, который фиксировался специальным датчиком.

Методика испытания соединения на усталостную прочность заключается в следующем. В процессе испытаний величина нагрузок растяжения-сжатия оставалась постоянной. Величина изгибных нагрузок ступенчато увеличивалась до разрушения образца. При этом скорость возрастания величины напряжений была постоянной.

Анализ результатов испытаний позволил сделать следующие основные выводы:

1. усталостная прочность труб, закрепленных в эквивалентных трубной доске втулках, определяется фреттинг-процессом;
2. наличие кольцевых рельефов в соединениях труб с трубными досками не влияет на предел выносливости соединений, если крайний элемент расположен не менее, чем в 5 мм от кромки фаски отверстия;
3. усталостная трещина в трубе у всех без исключения образцов зарождается и развивается в месте наибольшей концентрации напряжений - у кромки фаски отверстия на выходе трубы;

Испытание однотрубных образцов соединений на прочность проводилось на разрывной машине Р-10; прочность определялась по величине осевой нагрузки, при которой происходило смещение трубы относительно трубной доски;

Анализ результатов испытаний показал, что усилия, требующиеся для вырывания труб из трубных досок при гладком соединении, составляют от 16,5 до 18,7 кН для труб Æ 16х1 мм и от 12,0 до 13,9 кН для труб Æ 19х0,8 мм; соединения с кольцевыми рельефами теряют прочность при аналогичных осевых нагрузках.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что кольцевые рельефы в соединении труба-трубная доска при исследованном типоразмере труб не приводят к увеличению прочности соединения. Это, по-нашему мнению, связано с малой толщиной стенки труб (до 1,0 мм). При осевых нагрузках на соединение возникает радиальная деформация трубы, которая выводит ее из зацепления с кольцевыми рельефами.

Следующим этапом работы были ресурсные испытания шарикового раскатника в процессе изготовления трубных досок из стали Cт3 для маслоохладителей типа МП-37, МБ-63. В качестве привода для раскатника использовались сверлильный станок и ручной пневмопривод. Первая серия опытов по формированию рельефов в отверстиях показала, что использование для этой цели сверлильного станка не рационально, т.к. на шариковый раскатник воздействуют большие усилия, которые сложно контролировать и это приводит к преждевременному выходу его из строя. Использование ручного пневмопривода позволило обеспечить наиболее щадящие условия работы раскатника.

Ресурсные испытания шариковых раскатников показали, что инструмент позволяет обеспечить обработку не менее 400 отверстий, после чего необходимо произвести замену изношенного веретена.

Следует отметить, что в процессе формирования кольцевых рельефов происходит «закатывание» продольных рисок (неровности на поверхности отверстия), которые являются одной из основных причин возникновения протечек в соединении после развальцовки.

Кроме того, шариковые раскатники позволяют производить дефектацию отверстий по параметру овальности. Так, если после завершения процесса обработки шариковыми раскатниками при визуальном осмотре обнаруживается, что в отдельных отверстиях сформированные кольцевые рельефы имеют прерывистость по окружности, это свидетельствует о том, что овальность этих отверстий выше допустимой. В этом случае необходимо произвести дополнительные операции по исправлению отверстий (например, обработать отверстия разверткой).

Опытно-промышленная проверка эффективности применения нового способа закрепления нержавеющих труб в трубных досках проводилась на серии модернизированных трубных пучков маслоохладителей МП-37 для турбины К-100-90, МБ-63-90 и МБ-40-60 для турбины К-200-130 Верхнетагильской ГРЭС АО «Свердловэнерго». В настоящее время изготовлено и поставлено на ТЭС АО «Свердловэнерго» более 70 различных аппаратов с новым способом крепления труб в трубных досках [11, 12].

Новый способ крепления труб с использованием кольцевых уплотнительных элементов был опробован также в АО «Турбомоторный завод» на одном из сетевых подогревателей ПСГ-5000, поставляемых заводом комплектно с турбиной Т-250/300-240. Турбина предназначена для работы в блоке с прямоточным котлом, поэтому трубный пучок ПСГ выполнен из нержавеющих труб, а соединения труб с трубными досками - комбинированные, т.е. посредством развальцовки и сварки. В пучке 7208 труб Æ 25х1,2 мм из стали 12Х18Н10Т, материал трубных досок сталь 22К, глубина развальцовки 60 мм, сварка ручная аргонодуговая с присадочным материалом марки 06Х15Н60М15. Герметичность соединений контролируется двойным гидроиспытанием парового пространства - после развальцовки и после сварки.

Для выявления технологических аспектов реализации нового способа крепления труб, применительно к особенностям конструкции и условиям производства ПСГ были изготовлены и испытаны на экспериментальных стендах НИТЛ 15 однотрубных образцов для определения герметичности соединения и усилий вырыва трубы. Испытания проводились на трубах того же типоразмера (Æ 25х1,2 мм) и материала (сталь 12Х18Н10Т), что и в ПСГ. Образцы разбивались на группы, в каждой из которых был реализован различный набор технологических особенностей формирования кольцевого рельефа - без смазки инструмента, со смазкой и последующим ее удалением. Результаты испытаний подтвердили практически четырехкратное увеличение давления, при котором происходила потеря герметичности исследуемого соединения по сравнению с вальцованным соединением труб в гладких отверстиях. При этом усилия вырыва для сопоставляемых соединений труб с трубными досками были практически одинаковыми.

Надежность нового способа соединения была также проверена на опытном теплообменнике, имеющем 37 труб, где были реализованы различные технологические варианты соединения труб, аналогично однотрубным образцам. Во время испытаний контролировалась герметичность соединений при давлении до 5 МПа.

Испытания на опытном теплообменнике подтвердили более высокую герметичность соединений с кольцевыми рельефами по отношению к соединениям в гладких отверстиях.

Отработка технологии выполнения отверстий с кольцевыми рельефами в трубных досках из стали 22К показала недостаточную долговечность шариковых раскатников и необходимость их усовершенствования.

Специально для таких досок сотрудниками НИТЛ была выполнена работа по модернизации раскатников, в которых наиболее слабое звено - веретено было заменено шаром, а регулирование усилия, передающегося на формирующие рельеф шарики, стало осуществляться специальной пружиной. Внесенные в раскатник усовершенствования привели к полному изменению его конструкции и переходу на однорядную систему формирующих рельеф шариков, а также к использованию в качестве привода раскатника сверлильного станка (из-за больших усилий необходимых для работы). Однорядная система шариков позволила получить на поверхности отверстия кольцевой рельеф с одной канавкой и двумя выступами, вместо двух канавок и трех выступов при двухрядной системе. Уменьшение количества выступов потребовало проведения дополнительных испытаний на герметичность получаемых соединений, аналогично испытаниям проведенным ранее на образцах с тремя рядами выступов. Проведенные испытания показали, что герметичность соединений с двумя выступами практически не уступает герметичности соединений с тремя выступами.

При проведении ресурсных испытаний шарикового раскатника новой конструкции на трубной доске из стали 22К, было раскатано около тысячи отверстий. Все конструктивные элементы нового раскатника выдержали испытание, что позволило рекомендовать его к применению и отказаться от использования сварки в соединениях труб с трубными досками.

В результате новое соединение с кольцевыми рельефами вводится на АО ТМЗ, как в новых аппаратах взамен комбинированного соединения, так и в серийных, где использовалась только развальцовка (конденсаторы, сетевые и сальниковые подогреватели).

Следует отметить также, что практически во всех отверстиях трубных досок имелись винтовые риски из-под сверла или зенкера глубиной до 0,5 мм. Оказалось, что при наличии кольцевых рельефов эти дефекты не повлияли на герметичность соединений. При проведении сдаточных гидроиспытаний была зафиксирована полная герметичность аппарата, дополнительная развальцовка труб не потребовалась.

Выводы

На основании обобщения результатов комплексного исследования и опыта внедрения разработанной технологии в промышленные теплообменные аппараты можно сделать следующие выводы:

1. применение кольцевых рельефов, сформированных из металла трубной доски, является эффективным средством повышения герметичности вальцованных соединений и обеспечивает стабилизацию их качественных показателей;
2. внедрение новой технологии при изготовлении и ремонте теплообменного оборудования позволяет:
   • исключить необходимость использования в соединении сварного шва;
   • применять в ряде случаев вместо канавочника (инструмента для нарезания в отверстиях уплотнительных канавок) более простой, дешевый и надежный инструмент - шариковый раскатник, трудоемкость изготовления которого существенно ниже, а стойкость - выше;
   • существенно повысить надежность развальцовки при проведении ремонтных работ по замене труб теплообменных аппаратов в условиях ТЭС.

Список литературы

1. Бродов Ю.М., Савельев Р.З. Конденсационные установки паровых турбин: Учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1994. 288с.
2. Пермяков В.А., Левин Е.С., Дивова Г.В. Теплообменники вязких жидкостей, применяемые на электростанциях. Л.: Энергоатомиздат, 1983. 175 с.
3. Юзик С.И. Развальцовка труб в судовых теплообменных аппаратах. Л.: Судостроение, 1978. 144 с.
4. Анализ показателей надежности теплообменных аппаратов турбоустановок ТЭС. /Бродов Ю.М., Резникова Р.С., Краснова Г.И., Чайка А.И. //Энергомашиностроение, 1982. № 3. С. 35-39.
5. Кузнецов И.Л. Разработка технологии изготовления и применения проставочных элементов и покрытий для повышения герметичности и прочности соединений труб с трубными решетками судового теплообменного оборудования: Автореферат дис.канд.техн.наук. /Л.: ЛКИ, 1987. 25 с.
6. Повышение эффективности и надежности теплообменных аппаратов паротурбинных установок: Учебное пособие /Ю.М.Бродов, К.Э.Аронсон, Г.Д.Бухман и др. Екатеринбург: УГТУ, 1996. 298 с.
7. Теплообменное оборудование паротурбинных установок: Отраслевой каталог. М.: НИИЭинформэнергомаш, 1984. 287 с.
8. Саньков Н.И., Парахин В.К., Сафонов А.С. Прочность соединений труб с трубными решетками. М.: НИИЭинформэнергомаш. 1983. Вып. 11. 38 с.
9. Черненко В.И., Кузнецов И.Л. Проставочные среды в соединении труба - трубная решетка /Энергомашиностроение, 1984, № 11. С.41-43.
10. Кузнецов И.Л., Черненко В.И. Повышение герметичности и прочности соединений труб с трубными решетками теплообменных аппаратов за счет применения проставочных сред / Л:, Сб.НТО им. А.М.Крылова, 1985, вып.403. С.22-27.
11. Разработка и опытно-промышленная проверка комплекса мероприятий по повышению эффективности и надежности работы маслоохладителей / Бродов Ю.М., Аронсон К.Э., Рябчиков А.Ю. и др.// Электрические станции. 1994. № 12. С.33...36.
12. Бродов Ю.М., Аронсон К.Э., Рябчиков А.Ю. Маслоохладители в системах маслоснабжения паровых турбин. Екатеринбург: УГТУ, 1996. 103 с.