Совершенствование технологии изготовления резьбовых соединений, работающих в условиях высоких температур, применительно к реакторным установкам на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем «Nа – Nа»

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………….6
Глава 1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУПНЫХ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ (состояние вопроса) 10
1.1 Анализ конструктивных особенностей крупных резьбовых соединений реакторных установок на быстрых нейтронах. 10
1.2 Анализ особенностей технологии изготовления деталей резьбовых соединений атомных энергетических установок 16
1.3 Особенности сборки крупных резьбовых соединений теплообменных аппаратов 21
1.4 Состояние поверхностного слоя и эксплуатационные свойства резьбовых деталей 24
1.5 Выводы по главе 1 27
1.6 Цель и задачи исследований 28
Глава 2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ 30
2.1 Технологическое оборудование 30
2.2 Инструмент 35
2.3 Методы и средства контроля 37
2.4 Методика исследования циклической прочности 42
2.5 Методика исследований эффективности смазок и покрытий при сборке и разборке резьбовых соединений 44
2.6 Планирование эксперимента и математическая обработка экспериментальных данных 55
2.7 Выводы по главе 2 61
Глава 3 ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ НСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД 62
3.1 Исследование работоспособности режущих материалов и оценка эффективности смазочно-охлаждающих технологических средств. 62
3.2 Математическая обработка экспериментальных данных на примере полного факторного эксперимента типа N=2n зависимости шероховатости поверхности от режимов резания. 68
3.3 Выводы по главе 3 75
Глава 4 ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ 77
4.1 Разработка методики определения остаточных напряжений в поверхностном слое впадин резьбы 77
4.2 Результаты исследования остаточных напряжений 95
4.3 Исследование микротвердости и шероховатости резьбовых поверхностей 103
4.4 Выводы по главе 4 123
Глава 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СБОРКИ 124
5.1 Влияние величины зазора в резьбовых соединениях 124
5.2 Влияние смазок и покрытий на качество сборки – разборки резьбовых соединений 140
5.2.1 Испытания смазок при температуре 350?С 141
5.2.2 Испытания смазок при температуре 450?С 168
5.2.3 Испытания покрытий при температуре 350?С 171
5.2.4 Испытания покрытий при температуре 450?С 192
5.3 Разработка и испытания специальных средств механизации для обеспечения бездефектной сборки-разборки резьбовых соединений 197
5.4 Выводы по главе 5 198
Глава 6 ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 200
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 205
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 205

Весь текст будет доступен после покупки

В современных энергетических установках широко используются теплообменные аппараты с крупнорезьбовыми разъёмными соединениями, типовыми представителями которых является корпусное оборудование машинных залов как водо-водяных реакторных установок, так и реакторных установок на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем.
Большие проблемы возникают при термовакуумных испытаниях модулей испарителей и пароперегревателей реакторных установок на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем «Na – Na» БН-600, БН-800, БН-1200 (перспектива).
Высокие удельные нагрузки при ввинчивании шпильки в резьбовые отверстия и последующие термовакуумные испытания при температуре 400 °С нередко приводят к неразъёмным соединениям (браку). А уже на стадии эксплуатации высоконагруженные резьбовые соединения подвергаются высоким статическим и циклическим нагрузкам, вибрациям, коррозионному, радиационному и другим воздействиям.
События на Саяно-Шушенской ГЭС, связанные с разрушением резьбовых соединений показали необходимость четко регламентированных правил контроля резьбовых соединений, как в процессе изготовления, так и при эксплуатации.
Как показал опыт эксплуатации энергоустановок на атомных станциях проблема обеспечения работоспособности и повышения ресурса работы крупных высоконагруженных резьбовых соединений является весьма актуальной.

Весь текст будет доступен после покупки

1.1 Анализ конструктивных особенностей крупных резьбовых соединений реакторных установок на быстрых нейтронах.
Резьбовые соединения атомных энергоустановок должны обеспечить прочность, герметичность и надежность разъемов корпусных деталей в течение заданного ресурса работы. К этим соединениям предъявляются высокие требования по точности, статической и циклической прочности, сопротивлению коррозии и радиационному воздействию, состоянию поверхностного слоя резьбовых поверхностей, ремонтопригодности на протяжении срока эксплуатации.
Крышки теплообменных аппаратов БН-600, БН-800, БН-1200
(рисунок 1.1) прикрепляются к корпусу с резьбовыми отверстиями (рисунок 1.3) комплектом крепежа, основными элементами которого являются удлиненная шпилька (рисунок 1.5) и гайка специальной формы (рисунок 1.2). В резьбовом соединении используются также измерительный стержень, сферические шайбы, промежуточная втулка.
Шпилька резьбового соединения имеет центральное отверстие. Измерительный стержень устанавливается в отверстии и крепится у торца шпильки механическим способом или сваркой. В процессе сборки изделия при закручивании гайки шпилька удлиняется, а стержень не изменяет свою длину и используется как база для измерения удлинения шпильки.
Вид резьбовых соединений приведен на рисунке 1.4.
Особенностью конструкций резьбовых соединений М64х6, М68х6, М80х6, применяемых в атомных энергоустановках, является большая длина свинчивания (1,5 – 2d). Соединения, в основном, изготавливаются по степени точности 8g/7H (шпилька выполняется по степени точности 8g, а резьба в корпусе и гайке – по 7H). Высокие требования предъявляются к материалам, точности и качеству поверхности резьбы с целью повышения надежности резьбовых соединений.

Рисунок 1.1 – Теплообменный аппарат атомной энергоустановки БН-600, вид резьбовых соединений.


Рисунок 1.2 – Гайка специальной формы М68х6.



Рисунок 1.3 – Резьбовые отверстия М64 в корпусе теплообменного аппарата БН-600.


Рисунок 1.4 – Конструкция узла крепления крышки к корпусу теплообменного аппарата.






Рисунок 1.5 – Удлиненная шпилька с резьбой М64х6 и М80х6.







В процессах сборки-разборки резьбовых соединений должны быть исключены такие явления, как «схватывание» и «наволакивание» металла в резьбовом отверстии корпуса, срывы ниток резьбы на шпильках и гайках и «схватывание» металла по торцам гаек.
С целью снижения концентрации напряжений профиль резьбы выполняется с обязательным закруглением впадин.
Для изготовления деталей высоконагруженных резьбовых соединений в соответствии с ГОСТ 23304-78 используются стали марок:
? 30Х, 35Х, 40Х, 45Х, 35ХМ, 30ХМА, 38ХН3МФА по ГОСТ 4543-90;
? 25Х1МФ, 20Х1М1Ф1БР по ГОСТ 20072-74;
? 20Х13, 20Х12ВНМФ по ГОСТ 18968-73;
? ХН35ВТ, 07Х16Н4Б по технической документации, утвержденной в установленном порядке, с химическим составом по ГОСТ 5632-82;
? 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 10Х11Н20ТЗР, 31Х19Н9МВБТ
по ГОСТ 5949-75.
В таблице 1.1 приведены механические свойства сталей:
?02 – предел текучести;
? – относительное удлинение после разрыва;
? – относительное сужение после разрыва;
KCU – ударная вязкость, определенная на образцах с концентратором вида U.
Таблица 1.1 – Механические свойства сталей
Марка стали ?02, Н/мм2 ?в,
Н/мм2 ?,% ?, % KCU, Дж/см2
не менее
1 2 3 4 5 6
30Х 685 880 12 45 69
35Х 735 910 11 45 69
40Х 785 980 10 45 59
45Х 835 1030 9 45 49
35ХМ 835 930 12 45 78

1 2 3 4 5 6
30ХМА 735 930 12 50 88
38ХНЗМФА 1080 1180 12 50 78
25Х1МФ 735 880 14 50 59
20Х1М1Ф1БР 655 780 15 50 59
20X13 490-655 670 18 50 69
20Х12ВНМФ 590-750 740 15 50 59
ХН35ВТ 392-588 735 15 25 59
08Х18Н10Т 196 490 40 55 —
12Х18Н10Т 196 510 40 55 —
31Х19Н9МВБТ 295 590 30 40 —
В зависимости от степени ответственности и условий работы для заготовок крепежных изделий или готовых болтов, шпилек и гаек установлено 7 групп качества: 0; 0а; 1; 2; 2а; 3 и 3а; для шайб – 4 группы: 2; 2а; 3 и 3а
(ГОСТ 23304-78). Группа качества назначается конструктором и должна быть указана в рабочем чертеже изделия. Крепежные изделия групп качества 3 и 3а не допускается применять для соединений первого контура.
Твердость материала шпилек и гаек после термической обработки НВ от 1900 до 2900 МПа. При этом контролю на твердость подвергается 100% изделий.
Процесс сборки высоконагруженных резьбовых соединений должен осуществляться с применением специальных средств для контроля усилия затяжки и крутящего момента. Для компенсации погрешностей изготовления при сборке используются шайбы сферической формы. Это обусловлено тем, что при сборке необходимо исключить дополнительные изгибающие моменты из-за погрешностей форм опорных поверхностей на корпусах и гайках.
В процессе изготовления теплообменных аппаратов резьбовые соединения подвергаются сборке и разборке на операциях контрольной сборки, после гидравлических и тепловых испытаний при температурах
350 - 450°С.
В эксплуатации резьбовые соединения подвержены высоким статическим и переменным нагрузкам, связанным с изменением режимов работы энергетической установки, профилактическими работами, температурным, радиационным и коррозионным воздействиями.
1.2 Анализ особенностей технологии изготовления деталей резьбовых соединений атомных энергетических установок
В технологических процессах изготовления деталей атомных энергоустановок операции обработки и сборки высоконагруженых резьбовых соединений являются одними из наиболее сложных и трудоемких.
При изготовлении ответственных резьбовых соединений атомных энергетических установок основной задачей является технологическое обеспечение высокого уровня надежности и стабильности достижения заданных характеристик, материалов, точности обработки и качества обработанной поверхности.
Технологические процессы механической обработки деталей резьбовых соединений атомных энергетических установок включают различные операции обработки резанием: черновое, получистовое и чистовое точение, глубокое сверление, растачивание, фрезерование, резьбонарезание наружных и внутренних резьб и другие операции.
Трудоемкость операций механической обработки деталей и сборки теплообменного оборудования атомных энергетических установок превышает 50% общей трудоемкости изготовления. Поэтому изыскание методов повышения производительности при обеспечении высоких требований к точности изготовления и качеству поверхностного слоя деталей является актуальной задачей.
Марки сталей, из которых изготавливаются детали резьбовых соединений атомных энергетических установок и их механические свойства приведены в таблице 1.1.
Обрабатываемость этих сталей резанием может быть оценена по коэффициенту обрабатываемости [1].
Поправочные коэффициенты на скорость резания приведены в таблице 1.2.

Весь текст будет доступен после покупки

1 Стали и сплавы энергетического оборудования. Справочник НПО ЦНИИТМАШ, - М.: Машиностроение, 2008.
2 Верешака А.С., Третьяков И.П. Режушие инструменты с износостоикими покрытиями. - М.: Машиностроение, 1986. - 190 с.
3 Адам Я.И., Клауч Д.Н. Рекомендации по применению твердых сплавов в энергомашиностроении. - М.: НИИ Эинформэнергомаш, 1985. - 28 с.
4 Клауч Д.Н., Кириллова О.М., Редин А.П. Рекомендации по применению инструмента из быстрорежушеи стали в энергомашиностроении. - М.: НИИ Эинформэнергомаш, 1985. - 46 с.
5 Верешака А.С., Верешака А.А., Попов А.Ю. Разработка и исследование наноструктурированных многослоино-композиционных покрытии твердосплавных инструментов, предназначенных для тяжелых условии обработки // Известия МГТУ «МАМИ». - 2014. №1(19). - С.
6 Верешака А.С., Верешака А.А., Булычева А.И. многослоиные нано-дисперсные покрытия для режушего инструмента // Известия МГТУ «МАМИ». - 2014. №1(19). - С.
7 Кушева М.Е. Рекомендации по применению смазочно-охлаждаюших сред при резании металлов в энергомашиностроении. – М.: НИИ Эинформэнергомаш, 1985. - 32 с.
8 Кушева М.Е., Клауч Д.Н., Кобелев О.А. Принципы выбора смазочно-охлаждаюших технологических сред для обработки металлов резанием // Известия МГТУ «МАМИ». - 2014. №1(19). - С. 76-79.
9 Авксентьев И.Г. Скоростное нарезание резьбы // Станки и инструмент.
1949.-№12.

Весь текст будет доступен после покупки