Напряженно-деформированное состояние сварных соединений узлов энергетического оборудования

 
С. И. Феклистов, В. В. Овчинников, А. А. Ершов  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СВАРНЫХ  
СОЕДИНЕНИЙ УЗЛОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва   Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 
 
 

УДК 621.791 
ББК 34.641 
Ф36 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии  
и оборудования сварочных процессов Московского  
политехнического университета Латыпов Рашит Абдулхакович; 
доктор технических наук, профессор (Московский государственный  
технический университет им. Н. Э. Баумана) Шиганов Игорь Николаевич 
 
 
 
 
 
 
Феклистов, С. И. 
Ф36  
 
Напряженно-деформированное состояние сварных соединений  
узлов энергетического оборудования : монография / С. И. Феклистов,  
В. В. Овчинников, А. А. Ершов. - Вологда, Инфра-Инженерия, 2021. - 
164 с. 
 
ISBN 978-5-9729-0576-8 
 
 
Представлены результаты оценки напряженно-деформированного состояния сварных соединений узлов энергетического оборудования, которые получены как экспериментальными, так и расчетными методами исследований. 
Для специалистов в области сварочного производства. Может быть полезно студентам и научным работникам. 
 
УДК 621.791 
 
ББК 34.641 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0576-8  
” Феклистов С. И., Овчинников В. В., Ершов А. А., 2021 
 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................................. 5 
Глава 1. ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ  
ТРУБ ИЗ НОВЫХ АУСТЕНИТНЫХ И МАРТЕНСИТНО-ФЕРРИТНЫХ 
СТАЛЕЙ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫХОДНЫХ СЕКЦИЙ  
ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЕЙ КОТЛОВ С РАБОЧЕЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ  
ДО 680 ƒС 
..................................................................................................................... 8 
1.1. Выполнение работ по обеспечению технологичности изготовления  
элементов пароперегревательного тракта котла 
................................................. 8 
1.2. Ручная аргонодуговая дуговая сварка труб из аустенитной стали  
12Х15Н16М2ТР 
.................................................................................................... 11 
1.3. Сварка мартенситно-ферритной стали 10Х9КЗВ2МФБР 
......................... 16 
Глава 2. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ПЕНАЛОВ  
ДЛЯ ОЯТ РБМК-1000 
............................................................................................. 30 
2.1. Рекомендации по сварке элементов пенала................................................ 31 
2.2. Рекомендации по креплению решетки к стойкам 
...................................... 38 
2.3. Рекомендации по усовершенствованию технологии  
изготовления корпуса пенала 
.............................................................................. 43 
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ И ОСОБЕННОСТИ  
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ  
ТРУБОПРОВОДОВ И ТРОЙНИКОВ II КОНТУРА  
РУ БН-800 
.................................................................................................................. 46 
3.1. Характеристика трубопроводов второго контура РУ БН-800 
.................. 46 
3.2. Технология сварки и ремонта сталей импортной поставки  
импортными и отечественными сварочными материалами ............................ 48 
3.3. Технологические особенности изготовления оборудования  
и оценка прочностных характеристик применяемых основных  
и сварочных материалов 
...................................................................................... 54 
3 
 

3.4. Компьютерное моделирование технологии сварки и свойств сварных  
соединений на основе анализа технологии сварки и характера  
образования остаточных сварочных напряжений ............................................ 59 
Глава 4. ХАРАКТЕР НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО  
СОСТОЯНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ  
ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ  
АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ ..................................................................................... 78 
Глава 5. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ НАПЛАВКИ,  
ТЕРМООБРАБОТКИ И СВАРКИ НА ХАРАКТЕР НАПРЯЖЕННО-  
ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ  
КРЫШКИ ТЕПЛООБМЕННИКА ...................................................................... 91 
5.1. Предварительное моделирование технологических операций  
изготовления крышки теплообменника 
............................................................. 91 
5.2. 3D-моделирование технологии наплавки, термообработки  
и рассверловки 
.................................................................................................... 107 
5.3. Моделирование технологии сварки труб в теплообменнике ................. 121 
Глава 6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННОГО  
СОСТОЯНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ  
РЕМОНТНОЙ СВАРКИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ  
ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ 
.................................................................... 136 
6.1. Ремонт дефектного участка на шпангоуте из сплава 1420 ..................... 137 
6.2. Ремонт дефектного участка панели 
........................................................... 149 
ЛИТЕРАТУРА ....................................................................................................... 160 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 

Введение 
 
В 
данной 
работе 
приведены 
данные 
по 
оценке 
напряженнодеформированного состояния сварных соединений при изготовлении некоторых элементов и узлов энергетического и вспомогательного оборудования, выполненные за последние 3,5 года. 
Они касались технологии сварки опытно-промышленных труб из новых 
аустенитных и мартенситно-ферритных сталей для изготовления выходных 
секций пароперегревателей котлов с рабочей температурой до 680 ƒС, особенностей технологии сварки ампул и пеналов для ОЯТ РБМК-1000, технологии 
сварки и особенности напряженно-деформированного состояния трубопроводов II контура РУ БН-800, характера напряженно-деформированного состояния 
кольцевых сварных соединений трубопроводов из низкоуглеродистой аустенитной стали, оценки влияния технологии наплавки, термообработки и сварки 
на характер напряженно-деформированного состояния перспективного теплообменника и моделирования термодеформационного состояния сварных соединений при выполнении ремонтной сварки элементов конструкций из алюминиевых сплавов. 
В настоящее время для исследования напряженно-деформированного состояния энергетического оборудования широкое распространение получили 
расчетно-экспериментальные методы с использованием компьютерных моделей физических процессов и современных численных методов расчета, дающих 
наиболее полную информацию о термомеханическом состоянии конструкций. 
На стадии изготовления оборудования применяются различные технологические процессы сварки, наплавки и термообработки. Указанные технологии 
приводят к образованию в изделии временных и остаточных напряжений и деформаций. Таким образом, возникает необходимость оценки временных и остаточных перемещений, деформаций и напряжений, возникающих в процессе 
сварки и их характера после охлаждения. 
5 
 

Компьютерное моделирование предполагает учет конструктивных особенностей изготовления оборудования, знание характеристик теплофизических 
и механических свойств материалов в зависимости от температуры и характера 
структур основных материалов и сварных швов, оценки упругопластического 
характера нагрузок при воздействии концентрированного источника теплоты, 
характеристик нестационарной нагрузки и т. д. 
Использование процессов сварки и наплавки приводит к возникновению 
ряда проблем, связанных с механической неоднородностью сварных соединений. Неоднородность сварных соединений определяет несущую способность 
сварного соединения и всей сварной конструкции. Одной из основных технологических задач является снижение неоднородности сварного соединения и получение максимально равнопрочной конструкции за счет оптимизации конструктивно-технологических параметров сварочных процессов. Характеристики 
сварных соединений, включающие зоны основного деформированного металла 
и литого металла сварного шва различны. 
Они выражается в различии механических свойств и химического состава 
металла шва и основного металла, возникновении упругих и пластических деформаций и высоких временных и остаточных напряжений, а также, появлении 
концентраторов напряжений и деформаций, связанных с геометрией сварного 
соединения и характером структурного состояния материалов. Отдельным методическим аспектом моделирования является изучение влияния дефектов в 
сварных соединениях в виде пор, трещин, непроваров и несплавлений на работоспособность сварных конструкций. 
Возможности экспериментального определения временных и остаточных 
напряжений и деформаций в объектах сложной геометрии, при наличии в объекте сложного трехмерного напряженно-деформированного состояния (НДС), 
достаточно широки и позволяют измерять остаточные деформации и напряжения на поверхности деталей на удалении от зон высокого нагрева.  
В тоже время, во многих случаях наиболее опасные зоны сварных соединений находятся в глубине металла. Экспериментальные методы, давая досто6 
 

верную, но неполную информацию (из-за малого числа точек), не позволяют во 
многих случаях выявить влияние отдельных факторов процесса сварки на кинетику НДС.  
Этих недостатков лишены методы компьютерного моделирования, которые позволяют дать полную информацию о распределении деформаций и 
напряжений в объеме не только сварных соединений, но и в любой точке конструкции. Достоверность результатов моделирования может быть подтверждена экспериментальными данными, выполненными засверловкой и тензометрированием только с поверхности конструкции, или установкой специализированного оборудования на различных поверхностях специализированного оборудования по оценке остаточного напряженного состояния.  
 
 
7 
 

Глава 1. ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ ТРУБ 
ИЗ НОВЫХ АУСТЕНИТНЫХ И МАРТЕНСИТНО-ФЕРРИТНЫХ  
СТАЛЕЙ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫХОДНЫХ СЕКЦИЙ  
ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЕЙ КОТЛОВ С РАБОЧЕЙ  
ТЕМПЕРАТУРОЙ ДО 680 ƒС 
 
1.1. Выполнение работ по обеспечению технологичности изготовления 
элементов пароперегревательного тракта котла 
 
Данную работу выполняли по Госконтракту № 02,523.12.3019 в части исследования 
свариваемости 
и 
отработки 
технологии 
сварки 
опытнопромышленных труб из новых аустенитных и мартенситно-ферритных сталей 
12Х15Н16МТ, 10Х9В2МФБР-Ш и 10Х9К3В2МФБР-Ш, предназначенных для 
изготовления выходных секций пароперегревателей котлов с рабочей температурой до 680 ƒС, исследованию структуры и механических свойств сварных соединений и моделированию различных вариантов технологии сварки. Эту работу проводили на ОАО ТКЗ «Красный Котельщик» г. Таганрог по отработке 
технологичности изготовления элементов пароперегревателей, а также совместно с заводом Белэнергомаш на его оборудовании. Для комбинированной 
ручной аргонодуговой и ручной дуговой сварки применяли сварочную проволоку ЭП953ВИ и электроды ЦТ-45 [1]. 
Выполнение работ по обеспечению технологичности изготовления элементов пароперегревателей на ОАО ТКЗ «Красный Котельщик» г. Таганрог 
включало ручную аргонодуговую, дуговую сварку покрытыми электродами и 
комбинированную сварку коллекторов в виде катушек длиной по 300 мм из 
мартенситно-ферритной стали 10Х9КЗВ2МФБР ‡325î34 мм. Выполняли стыковые соединения труб из этой же стали ‡32î6, 45î5 мм, а также приварку к 
гибам этих труб ответных колец труб. Подобный же подход был принят для 
стыков труб из стали аустенитного класса 12Х15Н16М2ТР для трубных систем 
энергоблоков ‡57î7,8 мм. Кроме того, трубы ‡32î6 и ‡57î7,8 мм вваривали 
8 
 

угловыми швами в коллектора ‡325î34 мм. Предварительно, перед приваркой 
колец к гибам была выполнена термообработка, очистка и контроль гибов труб 
аустенитной и мартенситной сталей. При изготовлении использовали сварочные присадочные материалы, химический состав и свойства которых приведены ниже в таблице 1.1. 
Таблица 1.1 
Данные химического анализа и механических свойств наплавленного  
металла, выполненного ручной аргонодуговой сваркой  
и ручной дуговой сваркой 
Содержание элементов в мас.  
С 
Мn 
Si 
S 
Р 
Сr 
Ni 
Mo 
Nb 
N 
Fe 
№ ТУ плавки 
паспорта 
партии 
” 0,03 6,00- 
7,50 
” 0,3 
” 
0,015
н.б 
0,015
19,0022,00
44,0048,00
5,5- 
7,00 
1,50- 
1,80 
- 
основа
Сварочная 
проволока 
ЭП-953-ВИ 
ТУ  
14-1-2206-77 
0,01 
7,20 
0,09 0,009 0,005 21,17
45,48
6,14 
1,74 0,003 основа
Проволока  
ЭП-953-ВИ 
диаметр 1,6 мм 
плавка 49521 
 
Механические свойства наплавленного металла на образцах диаметром  
5 мм ручной аргонодуговой сваркой приведены в таблице 1.2 
Таблица 1.2 
Механические свойства наплавленного металла  
при повышенных температурах испытаний 
Температура 
испытания, ƒС 
Относительное 
удлинение,  
Относительное 
сужение,  
Предел 
прочности, 
МПа 
Предел  
текучести, 
МПа 
Ударная  
вязкость, Дж/ 
м2 î 105 
20 
612, 628, 636 385, 396, 401 28,6, 28,6, 36,0
49,8-53,0 
9,8, 12,3, 14,5
700 
394, 405,422 242, 249, 252 28,3, 31,3, 34,3
38,2, 38,6, 38,6 9,6, 14,6, 14,6
 
Характеристика электродов для ручной дуговой сварки ЦТ-45 представлена в таблице 1.3. 
 
9 
 

Таблица 1.3 
Электроды ЦТ-45 для ручной дуговой сварки 
Химический состав наплавленного металла, вес.  
С 
Si 
Мn 
S 
Р
Cr
Ni 
Nb 
Mo
0,028 
10,62 
6,1 
0,008
0,009
20,0
47,0 
1,8 
6.4
Предельные значения по ОСТ 24.948.01-90
< 0,04 
< 0,65 
5,0-7,0 
< 0,020 
< 0,020 
18,520,0
43,048,0 
1,6-2,2 
5,5-7,5 
Электроды ЦТ 45, ГОСТ 9466-75. (ОСТ 24.948.01-90), партия 45, диаметр, мм 3,0, номер 
плавки проволоки - 36925.  
Марка проволоки стержней Св.03Х20Н45М7Г6Б (ЭП-953 ВИ), ТУ 14-1-2206-77
 
Результаты механических испытаний металла шва на статическое растяжение и ударный изгиб в исходном состоянии после сварки (РДС) приведены  
в таблице 1.4. 
Таблица 1.4 
Механические свойства металла шва  
Относительное 
удлинение,  
Относительное 
сужение,  
Температура 
испытаний, 
ƒС 
Временное 
сопротивление, 
МПа 
Предел 
текучести, 
МПа
Ударная 
вязкость, 
Дж/см2
20 
692 
385
43,6
42 
Предельные значения по ОСТ 24.948.01-90 (не менее) 
20 
588 
343
40
 
88
Результаты испытаний специальных свойств металла шва (наплавленного металла)
Стоек к МКК по методу АМУ но ГОСТ 6032-2003 
 
Применяемые электроды соответствовали требованиям ГОСТ 9466-75, 
ОСТ 24.948.01-90. 
В процессе выполнения работы определяли характеристики свариваемости аустенитной стали на возможность образования горячих трещин в шве и 
ЗТВ и мартенситной стали на образование холодных трещин путем сварки технологических проб и, непосредственно, при сварке стыков труб.  
Ручная дуговая сварка труб из аустенитной стали 12Х15Н16М2ТР 
‡57î7,8 мм предусматривала выполнение стыков труб во всех пространственных положениях аргонодуговым способом всего сечения и комбинированным 
способом АРДС и РДС с выполнением корневого шва АРДС. После выполне10