Разработка и исследование ресурсосберегающих технологий восстановления дорогостоящих деталей агрегатов теплоэнергетики

Актуальность темы

Развитие экономики страны при существующих энерготехнологиях, использующих имеющиеся основные фонды, не возможно без увеличения энергоресурсов. В последние годы в России наблюдается заметная тенденция роста потребления и производства тепловой и электрической энергии в различных отраслях промышленности, аграрном секторе, жилищно-коммунальном хозяйстве. Так по сравнению с 1998 годом в 1999 году производство электроэнергии увеличилось на 2,07%, а в 2000 году по сравнению с 1999 г. выросло на 3,96% [1, 2]. С другой стороны, большая степень износа основных фондов производителей электроэнергии и тепла без их возобновления и реновации не позволит наращивать производство продукции теплоэнергетики в необходимых объемах. Возобновление основных фондов за счет приобретения новых в настоящее время практически не возможно.

Цели и задачи работы. Объектом настоящей работы являются исследования и разработка новых методических, организационных и технологических основ восстановления и ремонта деталей, узлов и агрегатов теплоэнергетики.

Основной целью работы является разработка ресурсосберегающих технологий восстановления изношенных дорогостоящих деталей агрегатов теплоэнергетики, обеспечивающих возобновление и превышение ресурса их работы на основе интеграции методов нанесения износостойких покрытий при реставрации рабочих слоев, их упрочнения и финишной обработки.

Основной: практической задачей для достижения этой цели является изучение и последующее внедрение новой технологии восстановления слоев поверхности из полидисперсных высокопрочных композиционных материалов (на основе карбидов, боридов, нитридов титана) методом локального электроэрозионного синтеза материалов покрытий с исследованием прочностных свойств и металлографическим анализом поверхности. Теоретической основой внедрения этого подхода являлась разработка новых методов нанесения высокопрочных покрытий, проектирования технических устройств на основе математических моделей, описывающих кинетику и динамику процессов центробежного упрочнения, интегрированного со шлифованием, позволяющими установить связи между эксплуатационными свойствами восстановленной поверхности, технологическими параметрами конечной упрочняющей обработки. Научная новизна работы. В результате проведенных исследований и эксплуатационных испытаний в лабораториях и цехах Ижевской ТЭЦ-2 предложен и впервые при ремонтно-восстановительных работах энергооборудования на тепловых электрических станциях экспериментально реализован на разработанном станочном оборудовании принцип интеграции и постоянства установки восстанавливаемой детали при выполнении разнородных технологических процессов (обдирка изношенных металлических поверхностей, восстановление слоев наплавкой или послойным синтезом высокопрочных покрытий, упрочнение посредством поверхностной пластической деформации и т. п.).

Разработана и применена на практике критериальная модель системы комплексных показателей ремонтной технологичности, обеспечивающая научно обоснованный ремонтный регламент в технологической подготовке ремонтного производства, подтвержденный на примере восстановления ряда ответственных и дорогостоящих деталей теплоэнергетических агрегатов в ремонтном цехе Ижевской ТЭЦ-2 (изнашиваемые детали и узлы турбин, насосов, клапанов и т. п.).

На основе комплексных металлографических, прочностных исследований предложена новая интеграционная технология восстановления слоев поверхности из полидисперсных, высокопрочных материалов.

На основе исследований разработаны и впервые внедрены в практику восстановления многооперационное модульное оборудование с ЧПУ и технология автоматизированной' электродуговой наплавки изношенных поверхностей крупногабаритных деталей запорной арматуры, интегрированная с подготовительными и отделочными операциями.

Разработке предложенной технологии реновации предшествовал детальный анализ исследований других авторов и практики ремонтно-восстановительных работ. В частности, производственная система ремонтных предприятий и подразделений отличается от производственной системы предприятий — изготовителей, существенно различаются объемы производства, а технические требования к деталям и узлам в целом одни и те же. Это определяет принципиальное отличие между технологическими процессами изготовления и восстановления деталей. Анализ сходства и различия технологического процесса в целом и отдельных технологических операций позволила сформулировать требования к организации, технологии и технологическому оснащению процессов восстановления и их реализации.

В настоящее время не все эксплуатационные документы выпускаемых ремонтно-пригодных изделий содержат чертежи изнашивающихся изделий и либо не содержат технологических рекомендаций по восстановлению совсем, либо в прилагаемые рекомендации заложены технологии, не отвечающие современным научно-техническим достижениям. Систематизация, развитие и адаптация современных технологических методов восстановления изношенных поверхностей, в том числе методов двойных ресурсосберегающих технологий позволит создать типовые технологические операции восстановления, обеспечивающие не только восстановление размеров, формы и свойств изношенных поверхностей, но и существенное повышение ресурса.

Для4 организации ремонтных производств у потребителя, на специализированных централизованных ремонтных, предприятиях и на предприятиях — изготовителях, для разработки типовых технологических процессов и операций восстановления необходимо разработать основы построения ремонтных регламентных групп. С этой целью важной задачей работы является разработка или адаптация методики многомерного группирования восстанавливаемых деталей, учитывающего требования к деталям, производственные возможности ремонтных предприятий и подразделений, эксплуатационные и экономические показатели.

Технологическая подготовка ремонтно-восстановительных работ должна базироваться на системе показателей ремонтной технологичности деталей и узлов. Для этого необходимо разработать основные показатели ремонтной технологичности конструкции деталей и сопряжений и рекомендации по их применению не только в технологии восстановления, но и при проектно-конструкторских разработках ремонтно-пригодных изделий.

Конструктивной особенностью большинства изнашивающихся деталей агрегатов теплоэнергетики являются жесткие технические требования, предъявляемые к размерам, форме, взаимному расположению, качеству поверхностей. Операции восстановления и последующей обработки должны обеспечивать их. Основным принципом построения технологических операций при восстановлении изношенных поверхностей, удовлетворяющим указанным требованиям в условиях единичного и мелкосерийного типа ремонтного производства высокоточных деталей может быть принцип интеграции разнородных по физической сущности операций. Постоянство технологических баз при таких разнородных операциях как подготовка изношенной поверхности к восстановлению, создание новых рабочих слоев и последующая чистовая обработка является основой обеспечения качества деталей. Комплексные интегрированные операции в свою очередь предъявляют специфические требования к технологическому оснащению. Разработка средств технологического оснащения для типовых операций, ответственных за обеспечение высокой точности и высокого качества поверхности, являются важной задачей настоящей работы.

Анализ отечественных и зарубежных научно-технических источников информации показывает, что в последние годы накоплен большой опыт, позволяющий решить многие из сформулированных задач, связанных с реновацией объектов машиностроения вообще и объектов энергетического машиностроения. В частности, разработаны новые технологические методы упрочнения поверхностей деталей машин, новые методы синтеза слоев износостойких материалов на новых и изношенных поверхностях. Разработаны и внедрены механизированные и автоматизированные способы наплавки с контролем свойств наплавленного материала и материала околошовной зоны. Создано новое оборудование и разработаны новые наплавочные материалы.

Указанные технологии, как правило, разрабатывались либо для восстановления быстро изнашивающихся деталей, к которым не предъявляются жесткие требования по точности восстанавливаемых размеров (сельскохозяйственные, строительные, транспортные машины), либо как технологические процессы и операции в производстве новых изделий.

Особенностью восстановления дорогостоящих деталей энергетического машиностроения наряду с обеспечением высокой износостойкости создаваемых слоев поверхности является высокая точность восстановленных деталей при сохранении прочностных характеристик материалов деталей, достигнутых при их изготовлении. В своей работе автор защищает научные основы технологии восстановления точных деталей, позволяющие разрабатывать технологические процессы восстановления и ремонта деталей, обеспечивающих продление ресурса узлов агрегатов теплоэнергетики (насосы, клапана, регуляторы), и их технологическое оснащение.

Практическая ценность работы. В результате обобщения информации научных трудов других авторов, теоретических и экспериментальных исследований, проведенных автором, разработаны инженерные методики проектирования групповых технологических операций, позволяющие установить режимы обработки при восстановлении деталей и обеспечивающие необходимые эксплутационные требования к технологическим методам обработки (наплавка, послойный синтез, упрочняющая отделочная механическая обработка). Научные результаты и разработанные автором рекомендации по технологии восстановления могут быть использованы проектноконструкторскими организациями при разработке новых изделий, при выпуске эксплуатационной документации по совершенствованию продукции специализированными ремонтными предприятиями топливно-энергетического комплекса и предприятиями, эксплуатирующими теплоэнергетическое оборудование, например ТЭС.

Разработан научно-технический инструментарий для решения инженерных задач в ремонтно-восстановительных технологических операциях на ТЭС, включающий: методику создания групповых ремонтных регламентов с применением кластерного анализа и комплексных показателей ремонтной технологичностиэкспериментальные исследования состава композиционных смесей для высокопрочных покрытий и разработку технологических параметров восстановления поверхностей типовых деталей тепломеханического оборудования электростанцийприменение автоматизированной электродуговой наплавки изношенных поверхностей корпусных деталей.

Апробация работы и публикации. Основные научные результаты работы опубликованы автором в 9 статьях и материалах конференций различного уровня:

1. Многооперационный станок с числовым программным управлением для ремонта запорной арматуры. / Страхов В. А., Шилов А. А. // Энергетик 1998, № 1, С.28−30.

2. О восстановлении и упрочнении деталей арматуры и вспомогательного оборудования ТЭС. / Рыбаков В. К., Рыбаков Д. В., Страхов В. А. // Энергетик, 1998, № 10, С.28−29.

3. Контроль состояния металла гибов трубопроводов Ижевской ТЭЦ-2, работающим в условиях высоких температур. / Страхов В. А, Голиков В. М., Пермикин B.C. и др. // Теплоэнергетика, 1998, № 8, С. 78−79.

4. Новый технологический метод повышения ресурса деталей теплоэнергетических агрегатов в процессе их восстановления и ремонта. / Страхов В. А., Лебедев Ю. А., Щенин Д.В.// Материалы 5-й Российской университетско-академической научно-практической конференции. Часть 9, Ижевск, 2001, С. 115−116.,.

5. Восстановление деталей на основе комплекса признаков. / Страхов В. А., Лебедев Ю.А.// Труды III международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах». Часть 1, Ижевск, ИжГТУ, 2001, С.118−121.

6. Алмазное шлифование, интегрированное с опережающим пластическим деформированием поверхности. / Лебедев Ю. А., Страхов В. А., Щенин Д.В.// Материалы международной конференции «Шлифабразив», г. Волжский, ВИСИ, 2001, С. 153−155.

7. Технологичность конструкции деталей в аспекте восстановления и ремонта. /Лебедев Ю.А., Страхов В. А., Шилов А. А. // Наука. Экономика. Образование: Сборник трудов научно-методической конференции Боткинского филиала ИжГТУ. — Ижевск: ИжГТУ, 2003, С.146−157.

8. Эксплуатация и ремонт паровых турбин Ижевской ТЭЦ-2 АО «Удмуртэнерго». Учеб. пособие. / Семакин А. П., Страхов А. Р., Павкин В. В // Из-во УдГУ, Ижевск, 2001, С. 82.

9. Патент RU 2 112 633 С1 Шилов А. А., Страхов В. А. Установка для электродуговой наплавки не вращающихся изделий. — Опубл. 1998. Аннотация работы. Результаты работы по теме диссертации, выполнены автором в период 1997 — 2001 гг. (работа выполнялась в подразделениях Ижевской ТЭЦ — 2 и лабораториях Ижевского государственного технического университета).

Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 156 страницах машинописного текста. В работу включены 30 рис., 30 табл., список литературы из 70 наименований.

Выводы.

1. Разработана новая технология по схеме «ЭЭС — ОПД и ППДшлифование», обеспечивающая восстановление эксплуатационного качества изнашиваемой поверхности (геометрические размеры и микрорельеф, прочностные свойства) металлических деталей и узлов, а также повышающая производительность более чем на 60% за счет интеграции разнородных технологических процессов, их автоматизации на одном многооперационном устройстве — станке.

2. Композиционное покрытие, образуемое по созданной новой технологии из высокопрочных слоев (на основе Ti, Сг, Мо, В, С, Si, S) обеспечивает на восстановленной поверхности высокую прочность, твердость, износостойкость, требуемые размеры и микрорельеф, что позволяет повысить ресурс работы деталей и узлов тепломеханических устройств (клапанов, втулок, золотников и т. д.) более чем в два раза и, тем самым, внедрить предложенную технологию энергоресурсосбережения при ремонтно-восстановительных работах на действующих электростанциях и теплоэлектроцентралях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.