Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования. Интенсивное развитие нефтегазодобывающей и нефтеперерабатывающей отраслей отечественной промышленности предопределило рост потребностей в композиционных материалах, сочетающих в себе высокую стойкость в коррозионно-активпых средах, гарантированно высокие механические свойства и сравнительно низкие цены.
Свариваемые взрывом биметаллические листы и плиты с основой из малоуглеродистой низколегированной (в том числе, теплоустойчивой) стали с коррозионно-сюйким слоем (стали ферритного или аустенитного класса, латуни и др.) как никакие другие материалы наилучшим образом удовлетворяют этим требованиям, а плакирование крупногабаритных заготовок корпусов и трубных досок нефтегазохимических аппаратов и теплообменного оборудования является одним из самых эффективных практических приложений сварки взрывом, поскольку этот уникальный процесс теоретически не накладывает каких-либо оіраничений на конечные размеры биметалла. Тем не менее, на практике при плакировании взрывом крупногабаритных пластин практически всегда наблюдается изменение свойств соединения по длине свариваемых заготовок, проявляющееся в увеличении размеров волн и количества оплавленного металла, что в ряде случаев приводит к существенному снижению прочностных свойств биметалла вплоть до появления сплошных расслоений.
На это негативного явление, известное еще с 1960-х годов, было обращено внимание таких исследователей, как Седых В С, Кривенцов А #., Лысак В И, Кудинов В М.,Коротеев А Я, Трыков ЮП, Первухин Л Б, ПайВ.В , Ишуткин С.Н., Цемахо-еич БД., Конон 10 А , Кузьмин С В , Захаренко И Д, Бердыченко А А , Ватник Л Е, Crossland В , Williams JD., Richter U и др , которыми выдвигался ряд гипотез с попытками объяснить нарушение стабильности формирования соединений при сварке взрывом крупногабаритных заготовок. Однако авторы большинства работ в подтверждение этих гипотез приводят лишь резулыаты единичных экспериментов или іеоре-тических расчетов. Вместе с тем, до сих пор открытым остается вопрос о влиянии схем и параметров режима сварки на особенности нарушения геометрии взаимно) о расположения свариваемых взрывом элементов перед фронтом детонации и эффекта предварительного подогрева соударяющихся поверхности. Предлагаемые в отечественных и зарубежных исследованиях технологические приемы по стабилизации структуры и свойств зоны соединения в пределах всей площади крупногабаритных биметаллических заготовок низкотехнологичны и значительно увеличивают производственные затраты.
Организация промышленного производства высококачественного и экономически выгодного крупногабаритного коррозионно-стойкого биметалла требует более глубокого и детального изучения причин и особенностей нестационарности процесса
Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору С. В Кузьмину за участие в формировании направления работы и неоценимую помощь в анализе результатов исследований
плакирования взрывом для разработки новых научно обоснованных технологических приемов по стабилизации структуры и свойств зоны соединения в пределах всей площади изготавливаемого биметалла.
Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается выполнением ее в рамках федеральных целевых научно-технических программ «Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники», «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007 - 2012 годы» и др.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является повышение стабильности структуры и свойств свариваемого взрывом крупногабаритного коррозионно-стойкого бимет&чла на основе исследования причин и особенностей нестационарности процесса плакирования длинномерных пластин и разработки соответствующих рекомендаций и технологических мероприятий.
Для достижения цели в диссертационной работе поставлены и решены задачи, к основным из которых отнесены:
Разработка методики экспериментальной регистрации и оценки вертикальных перемещений сечений свариваемых взрывом металлических пластин перед фронтом детонации под непродетонировавшим зарядом ВВ.
Исследование особенностей нарушения геометрии взаимного расположения длинномерных заготовок перед фронтом детонации в зависимости от условий взрывною нагружения метаемой пластины.
Исследование изменения температуры предварительного подогрева соударяющихся поверхностей перед линией контакта по мере удаления от начала сварки.
Разработка научно обоснованных рекомендаций по стабилизации структуры и свойств зоны соединения в пределах всей площади крупногабаришых биметаллических заготовок и создание технологических процессов изготовления сваркой взрывом биметалла для корпусов и трубных досок нефтегазохимических аппаратов и теп-лообменного оборудования.
Научная новизна состоит в раскрытии основных причин, приводящих к увеличению в зоне соединения размеров волн и количества оплавленного металла по длине плакированных взрывом крупногабаритных заготовок и выявлении закономерностей изменения перед фронтом детонации профиля метаемой длинномерной пластины в зависимости от условий взрывного нагружения последней.
С использованием разработанной методики установлено, что в процессе метания длинномерной металлической пластины ее сечения, расположенные перед фронтом детонации заряда ВВ, совершают вертикальные перемещения. Показано, что расстояние между этими сечениями и фронтом детонации достигает максимальных значений при метании тонких пластин зарядами ВВ с относительно низкой скоростью детонации; с увеличением толщины метаемого элемента, равно как и скорости детонации, это расстояние сокращается и при D> 3500 ... 3600 м/с вертикальные перемещения сечений перед фронтом детонации не наблюдаются
Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что при воздействии на метаемую пластину импульса силы, перемещающегося со скоростью детонации, в ней (пластине) возникают возмущения (колебания), являющиеся результатом действия инерционных сил ударно-волнового происхождения, которые в совокупности с воздействием ударно-сжатого воздуха, находящегося в сварочном зазоре, способны трансформировать изначально плоско-параллельную схему сварки взрывом в угловую, что приводит к нестабильности структуры и свойств крупногабаритных биметаллических заготовок.
Экспериментально установлено, что температура поверхностей свариваемых элементов, находящихся перед точкой контакта, по мере удаления от места инициирования заряда ВВ увеличивается в несколько раз, способствуя росту количества оплавленного металла в зоне соединения на конечных участках сваренных взрывом крупногабаритных заготовок.
Методы исследования. Исследование причин изменения структуры и свойств зоны соединения по длине сваренных взрывом биметаллических заготовок осуществлялось на базе специально разработанной методики, усовершенствованного реостатного, а также термопарного методов с использованием измерительно-регистрационного комплекса, оснащенного современной высокоточной электронной аппаратурой: осциллографами С9-8, Fluke 124, GDS-820C, электронно-счетными частотомерами 43-63 и стабилизированными источниками питания. Изучение микроструктуры проводили с помощью инвертированного микроскопа «Axiovert» 40 МАТ. Расчет параметров соударения свариваемых элементов и математическая обработка полученных результатов осуществлялись с помощью общепринятых математических моделей и специализированных пакетов прикладных программ.
Практическая значимость. Проведенные исследования позволили сформулировать научно обоснованные рекомендации и разработать ряд эффективных технологических мероприятий по стабилизации структуры и свойств зоны соединения в пределах всей площади сваренного взрывом крупногабаритного биметалла, что послужило основой созданных технологических процессов изготовления с помощью сварки взрывом высококачественных крупногабаритных биметаллических заготовок для предприятий нефтегазохимического аппаратостроения, соответствующих по всем показателям нулевому классу качества по ГОСТ 10885.
Для ОАО «Волгограднефтемаш» и ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им Н. С. Артёмова» разработаны технологические процессы изготовления сваркой взрывом крупногабаритных биметаллических заготовок, являющихся основными материалами для изготовления корпусов и трубных решеток теплообменной аппаратуры. Внедрение опытных партий биметалла на указанных предприятиях позволило получить в 2006 г. экономический эффект в размере более 10 млн. руб. Доля автора в экономическом эффекте составляет 30%.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 4-х международных конференциях и симпозиумах (2006 - г. Черноголовка; 2004, 2007
- г. Волгоград; 2008 - г. Лиссе, Нидерланды), всероссийской с международным участием конференции (2004 - г. Пермь), региональной конференции молодых исследователей (2007 - г. Волгоград), а также на ежегодных научно-технических конференциях и научных семинарах ВолгГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 статьи в российских периодических рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 статьи в рецензируемых международных журналах, 6 статей в сборниках трудов международных научно-технических конференций, 2 тезиса докладов на всероссийских и региональной конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 155 страниц машинописного текста, 92 рисунка, 10 таблиц. Список использованной литературы включает 139 наименований. В приложении содержатся копии актов внедрения крупногабаритных биметаллических заготовок корпусов и трубных досок тепло-обменной аппаратуры.
