Лазерный мир

Д. Н. Павлов, Р. Ф. Тукаев // сборник Актуальные проблемы науки и техники. Материалы I Межвузовской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 75-летию Победы в Великой Отечественной войне и 100-летию начала производства авиационной техники в городе Сарапуле. 2020. С. 33-35. УДК 621.565.952.74: 621.791.72

В работе приводятся результаты численного моделирования нагруженного сварного соединения «труба – трубная решетка», выполненного дуговой и лазерной свар- кой. Проведенный расчет напряженно-деформированного состояния соединения, выполненного двумя способами сварки, дуговой и лазерной, показал преимущества ис- пользования лазерной технологии.

Прочность сварного узла «труба – трубная решетка» оказывает существенное влияние как на работоспособность, так и на тепловую эффективность кожухотрубных теплообменных аппаратов. Соединение трубки в трубной решетке находится при эксплуатации в условиях значительных знакопеременных напряжений, связанных с изменением давления и температуры. Поэтому при проектировании оборудования и выборе технологии сварки целесообразно заботиться не только о том, чтобы получить качественное сварное соединение при наименьших производственных затратах, но и обеспечить надежность и долговременную его эксплуатацию [1–3].

С целью оценки и сравнения сварных соединений узла «труба – трубная решетка», выполняемых различными технологиями сварки, посвящены работы Д. В. Каретникова, А. М. Файрушина и др. исследователей [5]. Однако сравнение полей напряжений и деформаций, возникающих в процессе эксплуатации в узле «труба – трубная решетка», не выполнялось. В данной работе для исследования узлов, выполненных лазерной и дуговой сваркой, были произведены численные расчеты методом конечных элементов.

Упрощенно модель представляет один исследуемый узел: трубка и часть трубной решетки, соединяемая с ней. При решении задачи использовали осесимметричную модель – двумерная модель с соответствующим граничным условием, которая позволяет определять объемно-напряженное состояние с меньшими, по сравнению с решением трехмерной задачи, затратами машинного времени.

Параметры модели принимались в соответствии с существующими нормативно-техническими документами, регламентированными ОСТ 26-02-1015-85 на исполнение сварного узла «труба – трубная решетка» [4].

При построении модели использовался элемент, который применим для двух- мерного моделирования конструкции с объемным напряженно-деформированным состоянием. Элементы используются в качестве плоских или в качестве осесимметричных. Они имеют свойства ползучести, пластичности, больших перемещений и деформаций, увеличения жесткости при наличии нагрузок.

На рис. 1 представлена схема модели (часть в сечении) с приложенными нагрузками. Единственным отличием двух вышеуказанных соединений является форма сварного шва, при дуговой сварке усилением и глубиной проплавления 1 мм, при лазерной сварке без усиления с глубиной проплавления 2 мм. Осевое растягивающее усилие приложено к концу трубки и составляет 250 Н, внутреннее давление среды 5 МПа действует на внутренней поверхности трубки. По внешнему радиусу трубная решетка жестко закреплена. Условия нагружения аналогичные для рассматриваемых различных технологий сварки.

Поле распределения эквивалентных напряжений, полученных в результате решения задачи, показано на рис. 2. Максимальные эквивалентные напряжения (по теории Мизеса), возникающие при эксплуатации теплообменного аппарата в узле, выполненном ручной дуговой сваркой, составляют 56,5 МПа (при условии: усиление 1 мм, глубина проплавления 1 мм). В узле, выполненном лазерной свар- кой, максимальные эквивалентные напряжения снижаются практически на поря- док – 5,25 МПа (без усиления, глубина проплавления 2 мм).

Результаты расчета показывают, что максимальные напряжения, возникаю- щие в сварном узле, концентрируются как в первом, так и во втором случае в корне шва. При выполнении сварного соединения лазерной сваркой, при увеличении глубины проплавления на 1 мм, в процессе эксплуатации величина максимальных напряжений снижается практически в 10 раз

Помимо этого, лазерная сварка позволяет в случае необходимости увели- чить глубину проплавления, что практически невозможно будет сделать при применении технологии дуговой сварки из-за малой толщины стенки трубки.

Библиографический список

1. Evaluation of the possibility of obtaining tube-to-tube sheet welded joints of 15cr5mo steel by alternative technological process / Rizvanov R. G., Mulikov D. S., Karetnikov D. V., Fairushin A. M., Tokarev A. S. / В сборнике: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 4. Сер. «4th International Conference on Advanced Engineering and Tech- nology, ICAET 2017» 2018. С. 012077.

2. Ибрагимов, И. Г. Совершенствование технологии выполнения сварного узла труба – трубная решетка кожухотрубчатых теплообменных аппаратов, изготовленных из мартенситных сталей / И. Г. Ибрагимов, М. З. Ямилев, А. М. Файрушин, А. Н. Сал- мин // Нефтегазовое дело. 2009. Т. 7. № 1. С. 194–197.

3. Модернизация конструкции узла крепления труб к трубным решеткам кожухотрубчатых теплообменных аппаратов из стали 15Х5М / Д. Ш. Муликов, Д. В. Каретников, Р. Г. Ризванов, А. М. Файрушин // Нефтегазовое дело. 2015. № 5. С. 398.

4. ОСТ 26-02-1015-85 «Крепление труб в трубных решетках». М. : Миннефтехиммаш, 1987. 39 с.

5. Сравнительный анализ сварных швов в узле «труба – трубная решетка» кожухотрубчатого теплообменного аппарата из жаропрочной стали 15Х5М полученных различными способами сварки / Р. Ф. Тукаев, И. Г. Ибрагимов, А. М. Файрушин, А. В. Сисанбаев // Нефтегазовое дело. 2013. № 5. С. 363–375.