Усталостная прочность соединений труб с трубными досками теплообменных аппаратов АЭС

На трубную систему теплообменного аппарата воздействуют переменные нагрузки как в поперечном (вследствие обтекания трубок теплоносителем, внешней вибрации, самовозбуждающихся колебаний труб при установившемся движении теплоносителя), так и продольном относительно оси труб направлениях (в результате пульсаций температур и давлений сред). Как показывает опыт эксплуатации, переменные нагрузки могут вызывать преждевременное разрушение соединений труб с трубными досками.
В последнее время большое значение в комплексной оценке качества соединений придается исследованию характеристик циклической прочности. Как показывает анализ работ, экспериментальные исследования в этой области проводятся при нагружении образцов поперечными, относительно оси труб, циклическими усилиями, имитирующими вибрационное нагружение трубного пучка реального теплообменника. Такой характер испытаний важен для решения некоторых практических вопросов, таких как определение циклической прочности труб, циклической прочности соединений, выполненных методом приварки труб к трубным доскам встык или сварных соединений с зазором, у которых соизмеримы диаметры труб и толщины трубных досок. Но и для указанных типов соединений постановка экспериментов только при поперечном нагружении является неполной, так как не учитывается их осевое нагружение в эксплуатации. Следует подчеркнуть, что известные экспериментальные данные получены при исследовании образцов применительно к теплообменникам судовых энергетических установок.
Работы по исследованию циклической прочности соединений труб с трубными досками теплообменников АЭС пока не проводились. Для этого вида оборудования характерно применение трубных досок значительных толщин и закрепление в них труб методом приварки в комбинации с развальцовкой. В образце такого соединения, подвергнутом испытаниям поперечными нагрузками, усилие на сварной шов вообще не передается. Максимальные напряжения при изгибе возникают в трубе в месте ее контакта с трубной доской, где имеет место концентрация и происходит разрушение и, таким образом, определяется циклическая прочность труб, а не сварного соединения.
Многообразие конструктивного и технологического исполнения соединений труб с трубными досками требует такого метода сравнительной оценки их циклической прочности, который позволит выбрать рациональное сочетание конструкции и технологии закрепления применительно к конкретному теплообменному аппарату.
Была предложена и реализована методика сравнительных исследований циклической прочности собственно соединений труба — трубная доска, выполненных аргонодуговой сваркой (АДС) без присадочной проволоки по слою активирующего флюса ВС-2, обеспечивающего глубину проплавления в рассматриваемом соединении на уровне 4...6 мм и методом электроннолучевой сварки (ЭЛС), при котором глубина проплавления колеблется в пределах 5...8 мм.
Разработаны и испытаны однотрубные образцы соединений (рис. 1) изготовленные из стали Х18Н9, моделирующие узел заделки труб в трубные доски теплообменника. Образцы соответствовали натурному узлу в части материалов, конструкции сварного соединения и технологии обварки труб в трубных досках. Элемент трубной доски выполнен в виде втулки с резьбой для установки в захваты испытательной машины. Перед сваркой трубку диаметром 16 мм и толщиной стенки 2,5 мм раздавали во втулке на глубину до 15 мм механической вальцовкой с целью выбора зазора и предварительного ее закрепления. Затем осуществляли заварку образцов по двум вариантам: неплавящимся вольфрамовым электродом в среде аргона и электроннолучевым методом.
Испытания проводили на пульсаторе типа ЦДМ-20-ПУ-10, позволяющем воспроизводить эксплуатационное воздействие на соединение. Режим нагружения представляет собой асимметричное знакопостоянное растяжение с постоянным значением напряжения цикла. Частота нагружения составляла 2000 циклов/мин. Испытания начинали с определения величины разрушающего усилия при статическом нагружении, которая служила для ориентации при выборе максимальных напряжений цикла. Из рис. 2 видно, что циклическая прочность соединений, выполненных ЭЛС, составляет около 180 МПа. Следует отметить, что при испытаниях на статический вырыв сопротивление разрушению для обоих вариантов сварки оказалось одинаковым. Это подтверждает мнение о необходимости исследования прочности соединения при осевом циклическом нагружении, поскольку условия статических испытаний не отражают эксплуатационной нагруженности этого узла.
Металлография и замеры твердости металла шва и прилегающих к нему зон трубы и трубной доски показали, что при использовании аргонодуговой сварки (АДС) имеет место в большей мере, чем при ЭЛС, рост зерна и снижение твердости по сравнению с исходными величинами и, как следствие этого, более низкий предел циклической прочности.
Разрушение соединений при статическом нагружении происходит по телу трубки при напряжениях, равных временному сопротивлению металла (0в—550 МПа). При циклических напряжениях на уровне предела текучести (250 МПа) разрушение происходит как по телу трубки, так и по сварному шву. В этом интервале нагрузок наблюдается наибольший разброс экспериментальных данных, являющийся следствием течения материала. При более низких напряжениях зарождение усталостной трещины происходило на границе корня сварного шва и внешней стороны трубы.
Таким образом, предложенная методика позволяет оценивать циклическую прочность собственно соединений труба—трубная доска в зависимости от их конструкции и технологии исполнения и сопоставлять результаты циклических испытаний с традиционным способом проверки образцов-свидетелей на вырыв.
Исследования показали, что сопротивление циклическому разрушению соединения более чем в 3 раза ниже прочности, определяемой статическими испытаниями.
Предложенная методика позволила определить пределы выносливости соединений, выполненных сравниваемыми методами сварки. Установлено, что соединения, сваренные электроннолучевым методом, имеют предел выносливости примерно на 25 % выше, чем сваренные АДС по слою активирующего флюса ВС-2.