научная статья по теме ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ КОРАБЛЕЙ И ПОДВОДНЫХ ЛОДОК Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ КОРАБЛЕЙ И ПОДВОДНЫХ ЛОДОК»

СУДОСТРОЕНИЕ 3'2015

ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ КОРАБЛЕЙ И ПОДВОДНЫХ ЛОДОК

А. Г. Жмуренков, В. К. Букато, Н. А. Афанасьев,

Н. А. Носырев, С. К. Кривогубец (АО «ЦТСС»,

e-mail: inbox@sstc.spb.ru) удк 621.565.93/.94:629.5

В настоящее время в России в рамках общероссийской программы повышения энергоэффективности активно развиваются технологии энергосбережения. Во многих отраслях промышленности, в частности и в судостроении, присутствует энергетический сектор, который напрямую связан с теплообменом. Отечественные предприятия, основываясь на опыте зарубежных коллег, все чаще отказываются от кожухотрубчатых тепло-обменных аппаратов, оснащенных трубками круглого сечения, в пользу пластинчатых или плоскотрубчатых, вследствие их более высокого КПД. Но, несмотря на более низкую энергоэффективность, кожухотрубчатые теплообменные аппараты с трубками круглого сечения все еще занимают большую долю рынка благодаря своей надёжности и простоте изготовления. Основной задачей при изготовлении кожухотрубчатых теплообмен-ных аппаратов является соединение трубок с трубной доской (так называемая трубная решётка). Для решения данной задачи используются головки для дуговой орбитальной TIG сварки различной конструкции. Лидерами по производству такого рода оборудования являются европейские компании, среди которых Orbitalum Tools GmbH (Германия) (рис. 1), Polysoude (Франция), MAUS (Италия).

Отечественных аналогов данное оборудование не имеет, а его основной недостаток — отсутствие

универсальности. Оно позволяет вваривать трубки только круглого сечения, при этом их внутренний диаметр ограничен фиксирующим центратором и, как правило, не может быть менее 6 мм.

Помимо головок для орбитальной сварки применяется также роботизированная TIG сварка, при помощи которой возможна вварка трубок различного поперечного сечения в трубную доску, но основными недостатками, как и при орбитальной TIG сварке, остаются относительно большие тепловложения и малая глубина проплавления.

С целью устранения проблем, возникающих при традиционных методах изготовления трубных решеток, АО «ЦТСС» совместно с ФГАОУ ВО «СПбПУ» была предложена универсальная технология роботизированной лазерной сварки — для вварки трубок с различным поперечным сечением, а также сварки пластинчатых теплообменников.

В 2013 г. был создан опытный образец комплекса для лазерной

сварки элементов теплообменных аппаратов (рис. 2), оснащенный ит-тербиевым оптоволоконным лазером и высокотехнологичной оптической головкой, предназначенной не только для фокусировки лазерного излучения, но и для отклонения луча при помощи управляемых подвижных зеркал.

Принцип работы комплекса при сварке трубных решеток заключается в следующем — иттербиевый волоконный лазер генерирует высококонцентрированный поток лазерного излучения (лазерный луч), передающийся по транспортному волокну к оптической головке, где он коллимируется, проходит через систему управляемых отражающих зеркал, расположенных внутри, и фокусируется на изделии. Управляемые зеркала позволяют выполнить развертку луча по двум взаимно перпендикулярным осям в плоскости сварки и соответственно повторить контур любой сложности, ограничиваясь полем действия лазерной головки. При помощи робота и заложенной в комплекс программы управления можно разбить рабочую зону на несколько участков и сваривать каждый отдельный сегмент в заданной последовательности.

Благодаря тому, что траекторией движения по стыку управляют зеркала, нет необходимости в перемещении рабочего инструмента, что позволяет избавиться от инерционности комплекса и добиться высоких скоростей сварки, а благодаря применению робота и интегриро-

Рис. 1. Сварочная головка для орбитальной сварки компании Orbitalum Tools GmbH (Германия)

Рис. 2. Роботизированный комплекс для лазерной сварки элементов теплообменных аппаратов АО «ЦТСС»

ОРГАНИЗАЦИЯ VI ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ

СУДОСТРОЕНИЕ 3'2015

Рис. 3. Корпус теплообменного аппарата типа ВХД 5-1

Рис. 4. Точечная лазерная сварка углублений в стенках трубки

б)

1 ь^рж ^^ ■ Ж^—-¿Г" ■ Ч - ' Ч .

Рис. 6. Аналитический расчет скорости движения потоков несжимаемой жидкости в трубках с последовательным (а) и шахматным (б) расположением обтекателей

Рис. 5. Лазерная сварка трубок с трубной доской

ванной системы управления имеется возможность вести процесс в автоматическом режиме.

Несмотря на явные преимущества лазерной сварки сканирующим лучом, имеются некоторые сложности при её применении, связанные с защитой сварных швов инертными газами. Поскольку процесс проходит на высоких скоростях, осуществлять локальный ручной поддув в зону сварки весьма проблематично и опасно, а механизированных вариантов защиты сварочной ванны в настоящий момент не существует. Наиболее простым вариантом может быть погру-

жение детали целиком в среду защитных инертных газов.

В 2014 г. на опытном образце комплекса АО «ЦТСС» была проведена работа по сварке трубок и трубных решёток теплообменных аппаратов типа ВХД 5-1 (рис. 3), применяемых для охлаждения дизельных двигателей. Работа выполнялась совместно с ОАО «Завод «Буревестник», предоставившим материалы для отработки технологии.

Технология изготовления трубной решётки разделялась на два этапа:

1-й — точечная лазерная сварка углублений в стенках трубки между собой (рис. 4);

2-й — лазерная сварка трубок с трубной доской (рис. 5).

Как видно из рис. 4, плоская трубка для теплообменного аппарата типа ВХД имеет в стенках конические углубления, расположенные в шахматном порядке. Данное конструктивное решение применено с целью турбулизации потоков жидкости, циркулирующей внутри трубок, причем при помощи программного обеспечения FlowV¡s¡on была доказана эффективность именно шахматного расположения конических углублений. Для этого были построены модели, имитирующие внутреннее пространство трубок с различным расположением обтекателей (рис. 6).

В случае последовательного расположения обтекателей (см. рис. 6, а) ламинарный поток разгоняется в пространстве между ними и, при достижении определенной скорости (-10 м/с), придерживается её вплоть до выхода из

свободного конца трубки. В пространстве за обтекателями при этом образуется зона, где поток, хоть и имеет некоторую нестабильность, является скорее ламинарным, чем турбулентным. При расположении обтекателей в шахматном порядке (см. рис. 6, б) наблюдаются постоянные ускорения и замедления потоков жидкости, движущейся по извилистым каналам, при этом в пространстве за обтекателями, судя по векторам скорости, имеет место более развитая турбулентность, чем в случае последовательного расположения обтекателей. Оценивая рассматриваемые модели, можно сделать вывод, что за счёт конструкции с обтекателями, расположенными в шахматном порядке, на внешней поверхности трубки образуется «теплосъёмная сетка», имеющая увеличенный коэффициент теплосъёма по сравнению с моделью элемента, где обтекатели располагаются последовательно.

В процессе отработки технологии точечной лазерной сварки углублений в стенках трубки проводился подбор оптимального режима с изменением следующих основных параметров: время сварки; мощность лазерного излучения; скорость нарастания мощности; положение фокусной плоскости.

По результатам визуального контроля шлифов и внешнего вида (рис. 7) сварных соединений был выбран наиболее оптимальный режим сварки, где одним из основных параметров, влияющих на появление деффектов, была выделена скорость нарастания мощности лазерного излучения. При кратко-

СУДОСТРОЕНИЕ 3'2015

ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ

временном воздействии на материал излучением с высокой плотностью мощности фазовые превращения в нём происходят слишком быстро, что сопровождается резким вскипанием и выплесками металла. Если скорость нарастания мощности уменьшить, увеличив при этом общее время сварки, режим становится более «мягким», что позволяет избавиться от выплесков и порообразования.

При решении задачи по сварке трубок с трубной доской основной проблемой стали неодинаковые зазоры в стыках соединений, которые могли при этом изменяться в хаотичном порядке в процессе сварки из-за тепловых деформаций материала (рис. 8).

Рис. 7. Шлифы сварных соединений, выполненных точечной лазерной сваркой

за один проход (рис. 10) даже в том случае, если перед сваркой зазор составлял 0,5 мм.

После отработки технологии приварки плоских трубок по траектории с поперечными колебаниями, данное решение было перенесено и на процесс сварки трубок круглого сечения с трубной доской, где также был получен положительный эффект от ее применения (рис. 11).

Возвращаясь к основной задаче, поставленной при проектировании и изготовлении комплекса, и основываясь на полученных результатах, можно сделать вывод о том, что роботизированный комплекс для лазерной сварки трубных решёток и отра-

Рис. 8. Внешний вид зазоров между трубками и трубной доской

Рис. 9. Траектория перемещения луча по стыку

Рис. 10. Соединения, сваренные по траектории с поперечными колебаниями

Рис. 11. Внешний вид и микрошлиф сварного соединения трубки круглого сечения с трубной доской

Лазерный луч, имея пятно в перетяжке фокуса 0,6 мм, при прохождении зазора в 0,5 мм по прямолинейной траектории не сплавлял кромки, а при повторном проходе мог образовать прожог.

Для решения проблемы сварки увеличенных зазоров и снижения требований к позиционированию рабочего инструмента была

применена нестандартная траектория перемещения луча по стыку (рис. 9).

Как видно из рис. 9 траектория движения лазерного луча не повторяет форму стыка, а проходит вдоль него с поперечными колебаниями. Данное решение позволило получать сварное соединение гарантированного качества

ботанные на нем технологии могут быть успешно применены для производства теплообменных аппаратов различных типов и размеров, а его универсальность и высокая эффективность демонстрируют его неоспоримое преимущество перед выпускаемым для решения данных задач оборудованием, в том числе и зарубежным.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»