На первых этапах внедрения техники ИК-электро-нагрева выявилась возможность экономии энергоресурсов путем оптимизации техники и технологии нагрева. Рациональная конструкция нагревательных элементов, поставленных фирмой «Коки$а1 Е1ес1пс (Япония), позволила разработать и внедрить разнообразную оснастку и уменьшить зону нагрева до размеров, минимально допустимых по требованиям нормативно-технической документации. Уже на первом корпусе парогенератора внедрена схема индивидуального подогрева зон приварки, локализованных до минимально допустимых размеров (в отличие от принятой на ПО «Ижорский завод» технологии подогрева газом всего корпуса парогенератора в процессе приварки патрубков и других элементов). На патрубках применены индивидуальные навесные конструкции, а для штуцеров, пластиков, наплавок — гибкие нагревательные элементы с системой магнитного крепления. Экономический эффект сокращения тепловых потерь в результате исключения разогрева всего корпуса парогенератора достигает в сумме по всем операциям 1 млн. кВт*ч.
Минимально допустимая температура выполнения сварных швов для стали 10ГН2МФА равна 120 °С, для стали 15Х2НМФА — 150 °С. На практике для повышения надежности технологических процессов и сохранения термического состояния изделий при аварийных ситуациях в системе электро-нагрева температура изделий поддерживается близкой к максимальной 230...240 °С. Такой режим обеспечивает резерв времени (2...3 ч), необходимый для устранения неисправностей в системе электроснабжения и нагрева, однако оправдан лишь для операций подготовки изделий к перемещению на термообработку. Высокие температуры свариваемых изделий ухудшают условия труда, что сказывается на производительности и повышает энергоемкость производства.
Снижение температуры подогрева всего на 50 °С (на 10...20 %) сокращает тепло-потери и обеспечивает экономию электроэнергии с одновременным улучшением условий труда. Однако реализация минимально возможных режимов подогрева может вызвать отклонения от допустимых температурных режимов. С целью использования подобного резерва на Атоммаше принимаются меры, повышающие надежность работы подстанций электроснабжения, а для исключения охлаждения изделий, в случае возникших неполадок в системе электро-нагрева или в сварочных установках, решено разработать подсистему аварийного подогрева на основе мобильных установок с автономным питанием от баллонов со сжиженным газом (рис. 3).
Данный проект выполняют специалисты «Мосгаз-НИИ проекта» с участием НПО ЦНИИТмаш. Ресурс работы установок, равный 6...10 ч, достаточен для устранения неисправности в системе электро-нагрева. Предполагается размещение таких дежурных установок между сварочными позициями, где изготовляются наиболее ответственные узлы.
Целесообразность и возможность теплоизоляции при подогреве под сварку до последнего времени ставилась под сомнение из-за сложности осуществления теплоизоляции вращающихся изделий, специальных требований к теплоизоляционным материалам, применяемым при сварке изделий АЭУ, и относительно невысокой стоимости электроэнергии.
Однако конструкции сварочных установок Атом-маша и устройств подогрева позволили разработать практически реализуемую схему теплоизоляции при сварке кольцевых швов на гладких обечайках. Расчет эффективности такой схемы, выполненный в НПО ЦНИИТмаш, показал, что эффективность теплоизоляции при сварке одного шва корпуса реактора составит примерно 1500 р. Схема теплоизоляции представлена на рис. 4. Теплоизоляция наружной поверхности, свернутая в рулон, крепится на металлоконструкциях нагрева. При нагреве теплоизоляция разворачивается и укладывается на изделии*со скольжением по поверхности. Для предохранения от истирания внутренняя поверхность теплоизоляции защищается металлической сеткой или укладывается на специальные опорные пояски. Теплоизолирующие секторы внутренней поверхности крепятся на сварочной консоли. В качестве теплоизоляционных материалов применена каолиновая вата с покрытием из кремнеземной ткани КТ-11.
Перечисленные технические решения и перспективные исследования явились основой программы энергетического совершенствования сварочного производства Атоммаша. Программа включает следующие основные направления: совершенствование сварочных процессов, заключающееся в сокращении цикла сварки и подогрева; оптимизация техники и технологии нагрева; обеспечение пониженных режимов нагрева; сокращение теплопотерь с помощью теплоизоляции и уплотнения зазоров; оптимизация процессов лучистого теплообмена.
Реализация этой программы позволит сократить энергопотребление в сварочном производстве на 5...10 млн. кВт/ч при изготовлении одного комплекта ВВЭР-1000.
Сейчас необходимо развернуть работу по обеспечению технически обоснованного нормирования технологических процессов сварки с ИК-электро-нагревом. Действенную помощь в этом должен оказать НПО ЦНИИТмаш. Необходима помощь специалистов научно-исследовательских организаций и в перспективных исследованиях. Среди них представляют практический интерес разработки, реализованные в других областях техники. Например, опыт применения техники ИК-нагрева, имеющийся в гелиотехнике, космической технике, сушке лакокрасочных покрытий, в термообработке синтетических материалов, показывает высокую эффективность оптимизации процессов лучистого теплообмена путем корреляции спектральных характеристик источников излучения и облучаемых материалов.
В технической документации на нагревательные элементы, поставленные на Атоммаш японской фирмой «Кокиза1 Е1ес1Нс», указывается, что экономия электроэнергии в результате применения спектрально-селективного покрытия достигает 26 %. Пороговая длина волны этого покрытия составляет 2,5 мкм, однако в реальных процессах сварки и нагрева спектральные характеристики обрабатываемых на Атоммаше сталей меняются в широких пределах.
Из опыта эксплуатации радиационных пирометров выяснено, что интегральная степень черноты свариваемых сталей меняется в ходе сварки от 0,2 до 0,8, так как толщина окисной пленки постоянно растет и может быть зафиксирована на любом из «цветов побежалости» в оптическом диапазоне и вне оптических толщин в зависимости от режимов подогрева. Экспериментальных данных о спектральном характере этих изменений пока не имеется, поэтому для изучения этого вопроса и получения практических выводов необходима помощь специалистов и институтов, имеющих практический опыт й ИК-аппаратуру.
Неизученным остается процесс, обратный подогреву, — регулируемый отвод избытка тепла от перегревающихся в процессе сварки, наплавки небольших
узлов и контрольных сварных соединений. В результате длительность цикла изготовления контрольных сварных соединений приближается к длительности изготовления сварных соединений основных изделий. Не оправданы потери времени на естественное охлаждение немассивных узлов из аустенитных сталей. Интересен в этом направлении опыт применения «тепловых труб», однако рациональные решения требуют поиска наиболее приемлемых в производстве схем.
Большой практический интерес представляет поиск путей активного формирования более надежных структур металла в зоне термического влияния сварных соединений, что позволит сократить число промежуточных термообработок, повысит надежность изделий АЭУ в целом.
