Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Детали и узлы энергетического оборудования тепловых электростанций (ТЭС) в процессе эксплуатации подвергаются различным видам изнашивания.
Рабочие поверхности узлов и деталей оборудования ТЭС в зависимости от воздействующих факторов должны обладать комплексом эксплуатационных (служебных) свойств, обеспечивающих им возможность надежной работы в заданных условиях. Однако очень часто требования, предъявляемые к рабочим поверхностям, находятся в противоречии с требованиями технического и экономического характера, предъявляемыми к конструкции детали или узлу в целом, в связи с чем срок службы ответственных деталей и узлов оборудования ТЭС, а особенно котлоагрегатов (КА), не соответствует срокам выхода самого агрегата в очередной (средний, капитальный) ремонт. Поэтому поддержание энергетического оборудования ТЭС в постоянном работоспособном состоянии ежегодно требует больших материальных, трудовых и стоимостных затрат. Традиционный подход к проблеме износа деталей заключается в хранении большого количества запасных деталей или их изготовлении.Однако такой подход расточителен. Замена изношенного оборудования новым в теплоэнергетике, особенно при переходе к рынку, резко сокращается из-за высоких цен на металл и изделий из него. Решение указанной проблемы заключается в продлении срока службы рабочих деталей путем восстановления, упрочнения и зашиты изнашивающихся поверхностей.
В современных условиях, особенно в энергетике, восстановление и упрочнение изделий является экономически целесообразным и предпочтительным. При этом увеличивается долговечность деталей, экономятся легирующие элементы, удешевляются изделия, появляется возможность многократно восстанавливать одну и ту же деталь после очередного износа, так как установлено, что величина износа у 85-90 процентов деталей не превышает 0,1-1,6 мм.
В значительной степени этим условиям и требованиям соответствуют электротермические процессы с применением плазменных и электродуговых методов.
Развитию этих технологий во многом способствовали работы коллективов таких научно-исследовательских,проектно-конструкто-рских и учебных организациий, как ЛГТУ и ЛА "Полиплазма", ИЭС им. Е.О. Патона, ВНИИЭСО, НПО "Энергия", НПО "Криогенмаш", ВНПО "Ремдеталь", ВНИИавтогенмаш, институт "Гипроникель",ВПО "Союз-энергоремонт" и др., а также работы ведущих зарубежных фирм
США (The Perkin - Elmer Corp, Wilier Thermal Inc. ТАФА, Eag-le Arc Metalizjng Sales, Ztd, Browning Engineering), ФРГ (OSU Maschinenbau GmbH), Японии (ISA Co, Ltd),Чехословакии ("Акваце-нтрум") и др.
Однако поверхностные слои, полученные этими способами, имеют ряд существенных недостатков (наличие пор,отсутствие диффузионного сцепления между основой и покрытием и др.) , недопустимых для ответственных уэлов и деталей в энергетике, работающих в условиях термоулругих напряжений, холодных деформаций и т.д.. Применяемое в настоящее время электро- и газотермическое оборудование не обладает необходимыми характеристиками, обеспечивающими все требования к свойствам деталей и узлов в энергетике после их обработки, в том числе и при его ремонте и восстановлении.
Для решения этой проблемы требуется создание электротехнического оборудования на нетрадиционных принципах, обеспечивающего новые характеристики его воздействия на поверхность материалов. Решение такой задачи можно осуществить в рамках разработки комплексов нового эффективного электротехнического оборудования, позволяющего осуществлять двухстадийные процессы раздельно- последователь ного воздействия на изделия плазменным или электродуговым методом с последующей ионно-плазменной обработкой. Рабочим инструментом в этих комплексах должна служить го-коведущая плазма объемного несамостоятельного разряда при атмосферном давлении. Надежное и стабильное существование его должны обеспечивать соответствующие схемы питания и управления, функционально связанные с характеристиками рабочего инструмента. Разработок, обеспечивающих решение рассматриваемой задачи в конечном виде,нет. Поэтому такая работа актуальна и необходима. Решение ее позволит повысить- срок службы деталей и узлов в энергетике, восстанавливать изношенные с более высокими эксплуатационными свойствами, чем новые.
Однако, для внедрения новой техники необходима правильно организованная на микроуровне экономика, обеспечивающая реализацию наукоемких технологий, выпуск продукции, получение прибыли и инвестиции на дальнейшее развитие производства.
Работа выполнялась согласно тематике работ, отраженных в приказах Минэнерго СССР N 56а от 25.03.85 г., N 346 от '04.07.86 г., N 384 от 21.07.86 г., а также в соответствии с межвузовской целевой комплексной программой науч-
ко-технической проблемы: "Разработка методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах на 1986-1990 г.г.", согласно приказу N 101 МинВУЗа СССР от 09.02.87 г., приказу N 277 МинВУЗа Каз.ССР от 19.03.87 г., а также Постановлению Государственного Комитета СССР по науке и технике и Президиума Академии наук СССР от 13.07.84 г. N 385/96 и др.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка и практическое освоение в условиях производства комплексов нового эффективного электротехнического оборудования для восстановления и упрочнения ответственных деталей и узлов в энергетике, основанного на раздельно-последовательном осуществлении процессов плазменной или электродуговой обработки с ионно-плазменной модификацией.
Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи:
критический анализ характеристик и возможностей современного оборудования для восстановления и защиты деталей и узлов в энергетике; обоснование концепции осуществления раздельно-последовательных процессов плазменной или электродуговой и ионно-плаэменной обработки при атмосферном давлении;
исследование и создание основ теории процессов в зоне объемного несамостоятельного разряда, на границе этого разряда с обрабатываемой поверхностью и в глубь ее,выполняющей роль рабочего электрода при ионно-плазменном воздейстг;:::' на детали;
исследование покрытий и поверхностей, обработанных с использованием новых технологий;
создание методологических основ проектирования электротехнического оборудования для ионно-плазменной поверхностной модификации;
разработка, изготовление и практическое освоение на производстве опытно-промышленных комплексов электротехнического оборудования ионно-плазменной модификации, схем их питания, управления и функционирования; исследование характеристик электротехнических комплексов, позволяющих осуществить на восстанавливаемую деталь раздельно-последовательное воздействие процессов: плазменного или електродугового, а затем ионно-плазменного;
анализ результатов работы комплексов при получении модифицированного покрытия и ионно-плазменной цементации на деталях в энергетике;
- разработка основных направлений для реализации рыночного
. механизма в предприятии с наукоемким производством с учетом
проведения реформ на микроуровне.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующем:
созданы научные основы процессов в зоне объемного несамостоятельного разряда, на границе этого разряда с обрабатываемой поверхностью и в глубине ее. Показано, что применение в качестве рабочего инструмента токоведущей плазмы позволяет использовать ранее не применяемые при поверхностной обработке факторы интенсификации, а именно: кинетическую и потенциальную энергию заряженных и возбужденных элементарных частиц в электрическом поле, что на порядки ускоряет процесс поверхностной модификации, обеспечивает новые свойства покрытий. Установлены основные закономерности процесса ионно-плазменной модификации и представлены в виде математической модели. На основании теоретических положений показана возможность осуществления раздельно-последовательного плазменного и ионно-плазменного или электродугового и ионно-плазменного процессов, что позволило реализовать теоретические и экспериментальные разработки на практике;
показано, что под воздействием объемного несамостоятельного разряда в плазменных и электродуговых покрытиях происходят принципиальные изменения в структуре и качестве покрытий, играющих роль одного из электродов этого разряда. Модифицированные покрытия имеют Солее плотную структуру, отсутствуют поры, тре-' щины, тлеет место диффузионный переход в основу, распределение элементов покрытия в ней является более равномерным. Летали с такими покрытиями имеют более высокую стойкость к износу и коррозии, улучшенные технологические свойства, срок их службы повышается в несколько раз;
разработаны комплексы электротехнического оборудования, состоящие из двух самостоятельных устройств с системами их электропитания, управления и регулирования. В качестве центрального элемента первого устройства устанавливают плазменный или электродуговой аппарат, обеспечивающий напыление на поверхность чернового слоя покрытия. Вторым устройством ставят ионно-плаз^ менный блок, модифицирующий покрытие. Рабочие характеристики плазменного и электродугового устройств определяются технологическими и экономическими параметрами процесса напыления и обеспечиваются за счет элементов новизны (в новых соотношениях конструктивных размеров и параметров) в этих устройствах. Разработка ионно-плазменного блока осуществлена на основе теоретических . положений к математической модели процесса модификации.
Блок имеет принципиально новые конструктивные решения и харак-
теристкки, обеспечивающие конечное качество покрытия.Найдена связь между параметрами первого и второго блока, показаны принципы построения функциональных схем их электроснабжения, управления и регулирования, обеспечивающие раздельно-последовательную работу блоков.
- показаны особенности механизма экономического обеспечения
ускоренной и эффективной организации наукоемкого производства.
Разработан блок экономических, хозяйственных, научно-техничес
ких, социальных и других элементов микроэкономики при проведе
нии реформ на микроуровне, затрагивающих основную деятельность
предприятия и влияющих на эффективную его работу в условиях ры
ночной экономики. Показаны в динамике практические результаты
проведенных реформ на энергоремонтном предприятии с наукоемким
производством, обеспечивающим ускоренное и эффективное его раз
витие.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. При проведении теоретических исследований процессов и явлений, определяющих характеристики комплексов электротехнического оборудования для отыскания функциональных зависимостей и граничных значений, связывающих параметры процессов и явления в несамостоятельном объемном разряде на границе разряда с электродными системами ионно-плазменных устройств,' использованы методы интегрального и дифференциального исчислений, элементы теорий квантовой механики. При проведении экспериментальных исследований использовались методы статистической обработки для определения результата воздействия электротехнических комплексов на покрытия и кинетика этого воздействия, применялись методы рентгеноспектрального и микроструктурного анализа. В работе использовались классические методы математического моделирования, моделирование электрического разряда в виде электрической схемы.
- научный анализ применения разработанного оборудования для
комплексного технологического процесса получения высокоэффек
тивных покрытий с диффузионным сцеплением, полученных с помощью
плазменного нанесения порошков на детали с температурой ниже
температуры деформации или методом электродуговой металлизации
с последующей ионно-плазменной обработкой этих покрытий с ис
пользованием объемного несамостоятельного разряда при атмосфер-
'ном давлении и бомбардировки медленными ионами модифицируемых поверхностей;
теоретические положения о явлениях в процессе взаимодействия объемного несамостоятельного разряда с обрабатываемой поверхностью-катодом, их экспериментальная проверка. Расчетно-аналитическая модель, обеспечивающая определение граничных параметров процесса ионно-плазменной модификации;
схемно-конструктивные решения для разработки электромеханического оборудования ионно-плазменной поверхностной модификации, методологические принципы по их выбору;
конструкции и характеристики опытно-промышленного электротехнического оборудования для комплексной обработки деталей на основе раздельно-последовательного осуществления плазменного или электродугового методов с ионно-плазменной обработкой.Схемы электроснабжения,управления и регулирования этого оборудования, их функциональные взаимодействия;
экспериментальные данные по получению покрытий с ион-но-плазменной модификацией. Характеристики модифицированных покрытий и ионно-плазменной цементации на деталях в энергетике, их особые свойства и технологические показатели. Оценка преимуществ при их использовании;
результаты применения в условиях производства комплексов электротехнического оборудования, осуществляющих раздельно-поо--ледовательные процессы плазменного или электродугового и ионно- плазменного воздействия на детали и ионно-плазменную цементацию поверхностей в энергетике;
схема построения производственно-хозяйственной модели функционирования современного энергоремонтного предприятия о наукоемким производством в условиях рынка. Исследование и анализ полученных практических результатов при различных формах собственности.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ состоит В том, ЧТО:
- созданы научно-теоретические положения, являющиеся основой
для расчета и разработки электротехнического оборудования,
комплексно использующего плазменный или электродуговой и ион
но- плазменный методы обработки поверхности. Разработаны принци
пиально новые схемы конструирования такого оборудования, систем
его электроснабжения, регулирования и управления, что обеспечи
вает новые технологические свойства и характеристики процесса
восстановления и обработки деталей;
- разработаны и созданы электротехнические опытно-промышлен
ные комплексы для раздельно-последовательных процессов: плаз-
менное и ионно-плазменное оборудование {УПУ-2НМ); электродуговое и ионно-плазменное оборудование, их составные части, схемы электроснабжения, управления и регулирования, позволяющие обрабатывать широкий перечень деталей и узлов в энергетике. Создано электротехническое оборудование для ионно-плазменной цементации поверхностей нагрева котлоагрегатов ТЭС, работающих в условиях голового износа. Комплексы оборудования внедрены на предприятиях Казахстана и Украины, обеспечивают восстановление и упрочнение деталей и узлов оборудования ТЭС (валов всех насосов и тягодутьевых механизмов, штоков и клапанов запорной арматуры, поверхностей нагрева и т.д.);
детали и узлы, восстановленные методом плазменного напыления или электродуговой металлизации с последующей ионно-плаз-менной модификацией или прошедшие ионно-плазменную цементацию, обладают новыми, более эффективными свойствами в отличие от традиционных покрытий. Модифицированные поверхности, имеют более плотную структуру, отсутствуют поры и трещины, создан диффузионный переход элементов покрытия в основу, распределение элементов внедрения является более равномерным, все это обеспечивает повышение срока службы восстановленных и обработанных деталей и узлов в несколько раз, повышает их износо- и коррозиен-ностойкость и др. служебные характеристики;
разработанные и созданные новые экономические отношения и механизмы на энергоремонтном предприятии с частной формой собственности на средства производства позволили создать современное наукоемкое высокорентабельное производство. Полученные результаты за последние четыре года работы позволяют сделать вывод о динамически развивающемся предприятии в условиях рынка и возможности применения данных разработок на других промышленных предприятиях, преобразующихся -из государственных в частные, особенно в энергетике - как в России, так и в Казахстане.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные научные положения, результаты и практические рекомендации диссертационной работы внедрены в промышленность, использованы в научно-исследовательских и учебных заведениях.
Разработанные и созданные комплексы электротехнического оборудования для восстановления и упрочнения деталей оборудования ТЭС внедрены на производственно-ремонтном предприятии "Целинэ-" -.нергоремонт" республики Казахстан, ремонтно-механическом заводе "Днепроэнерго", ЗАО "Институт инновационных исследований" рее-
публики Украина. К ним относятся: опытно-промышленная установка УПУ-2НМ, способная осуществить при восстановлении деталей методы плазменного напыления и ионно-плаэменной модификации; опытно-промышленная установка для ионно-плазменной цементации длиномерных стальных труб; опытно-промышленная установка для ионно-плазменной цементации гибов стальных труб; промышленные установки для восстановления штоков, валов, в том числе и крупногабаритных,методом электродуговой металлизации с последующей ионно-плазменной модификацией.Эффективность работы созданных электротехнических комплексов для ионно-плазменной поверхностной модификации подтверждена практическим опытом при восстановлении и упрочнении деталей и узлов в условиях ремонта энергетического оборудования ТЭС Целинной энергосистемы Казахстана, энергосистемы Днепроэнерго Украины. В результате такой обработки изделия стали обладать комплексом служебных свойств, обеспечивающих им возможность надежной,долговечной работы в заданных условиях.
Опыт создания промышленного и опытно-промышленного электротехнического оборудования дает реальную возможность внедрения его на других энергетических ремонтных предприятиях, что поэво-. лиг получить значительный экономический эффект при условии проведения в комплексе и экономических реформ на микроуровне, т.е. на самом предприятии.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-техническом совещании Кишиневского филиала ЦКБ "Союззнергоремонт" (Кишинев, 1987); научно-техническом совещании "Практическое применение плазменного напыления при ремонте энергетического оборудования" производственного объединения "Молдавэнерго" (Кишинев, 1989); Всесоюзном семинаре "Передовые методы ремонта и модернизации котельного оборудования" (Москва,1989); научно-техническом совещании Львовского филиала ЦКБ "Энергоремонт" по вопросам газотермического упрочнения (Львов, 1990); семинаре "Опыт работы энергоремонтных предприятий в условиях полного хозрасчета и самофинансирования" НИИ экономики энергетики (Москва, 1990); научно-техническом совещании "Опыт практического применения гаэотермического покрытия и других способов восстановления и упрочнения деталей в энергоре-Чмонте" объединения "Целинэнерго"(Целиноград, 1991); ХХУІ научно-технической конференции Акмолинского инженерно-строительного института (Акмола, 1995); Ш Международном семинаре "Газотерми-
ческое напыление в промышленности ГТНП-1993 г." (Санкт-Петербург, 1993); международной научной конференции "Учение В.И. Вернадского и современная экологическая ситуация" (к 130-летию со дня рождения),САкмола-Боровое, 1993); Российском совещании "Локальные методы исследования вещества" (Суздаль,1993 ); Украинской научно-технической конференции "Плаэмотехнология-93" (Запорожье, 1993); Международной научно-технической конференции "Плазмотехнология-95" (Запорожье, 1995); второй международной научно-технической конференции "Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики" (Москва, ' 1995); съезде Союза промышленников и предпринимателей Казахстана (Алматы, 1994); совещании промышленников и предпринимателей Казахстана (Алматы, 1995); научно-техническом совете энергетической компании штата Алабама (США, 1995); техническом совете компании "АЯС ДШ ТИКАРЕТ ЛТД" (Турция, 1995); научно-техническом совещании энергетической компании "ЭНЕРКОН" (ФРГ, 1995); научной конференции Санкт-Петербургского государственного аграрного Университета (Санкт-Петербург, 1996); II международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Фрунзенское, Крым, 1996).
ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание работы отражено в 26 печатных работах, в том числе в одной индивидуальной монографии, в монографии в соавторстве, в двух коллективных монографиях, учебном пособии, 20 статьях, в одном патенте.
ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, 96 рисунков, 18 таблиц,список литературы из 175 наименований. Общий объем работы - 234 страниц.
