Категория: Статьи

Базовым элементом многих современных рекуператоров стал новый металлический полуфабрикат с листовой оребренной панелью – тонкостенным плоским листом с вертикальными рёбрами, приваренными на его поверхность. Ширина панели достигает 1000 мм, длина доходит до 6000 мм. Толщина элементов не превышает 1-3 мм. Рёбра высотой 10-30 мм привариваются с шагом 10-80 мм и более. Свариваемые элементы в указанных пределах могут иметь любое соотношение толщин.

Для интенсификации конвективного теплообмена внешнюю кромку ребра можно делать гофрированной.

Благодаря этим усовершенствованиям, оребренная панель образует активную компактную теплообменную поверхность с изменяемыми в широких пределах параметрами, что необходимо для достижения оптимальных характеристик рекуператора. Развитая поверхность теплоотдачи в разы превышает аналогичные показатели других видов  рекуператоров.

Однако подобные конструкции оребренных панелей невозможно получить известными промышленными методами. Поэтому рекуператоры с равноценными характеристиками в высокотемпературном теплообмене не используются. Из существующих сегодня способов сварки была выбрана высокочастотная, широко распространённая в трубном производстве.

В России воздухоподогреватели получили широкое распространение в начале 20-х годов прошлого века — одновременно с внедрением пылеугольных топок, которые работали на низкосортном топливе высокой влажности. Подогретый воздух доставлял в топку добавочное тепло, повышая температуру и делая процесс горения более интенсивным.

Преимущества установки воздухоподогревателя:

• Увеличивается коэффициент теплоотдачи за счёт повышения температуры в топочной камере;
• процесс горения становится более интенсивным, уменьшается время прогрева и воспламенения пылинки, ускоряются окислительные процессы;
• уменьшаются потери от механического недожога и химической неполноты горения;
• снижается температура уходящих газов, уменьшается потеря тепла и расход энергии, потребляемой тягодутьевыми установками — вентилятором котла, дымососом.

На сегодняшний день воздухоподогреватель отопительного котла — неотъемлемая часть современного котельного оборудования. Поскольку на агрегат не воздействует высокое давление, для изготовления нагреваемой поверхности используют более дешёвые материалы, чем для производства котла. Поэтому на стоимости котельной установки они практически не отражаются.

Охлаждение уходящих газов на 10°С нагревает поступающий воздух на 1,2-1,3°С. При снижении температуры на 20°С, повышается КПД котла на 1%.

Впервые подобные агрегаты были изготовлены еще в начале XX столетия, так как требовалось оборудование для тепловых станций с большой площадью поверхности и возможностью работы при условно высоком давлении. Дополнительно кожухотрубчатые теплообменники использовались в качестве подогревателей, конденсаторов и испарителей.

Сейчас накопленный опыт позволил разработчикам значительно усовершенствовать конструкцию теплообменника, что стало основанием для его применения нефтекомпаниями. Ведь при работе с сырой нефтью необходимы охладители и нагреватели массы, конденсаторы или испарители как нефти, так и сопутствующих жидкостей.

Так как последние часто загрязнены, а давление и температуры достигают значительных показателей, конструкция оборудования должна позволять с легкостью чистить его и ремонтировать.

Сегодня современным теплообменникам практически нет альтернативы. Также удалось разработать огромный ассортимент подобного оборудования:

• стойкость к вакууму и высоким показателям давления;
• стойкость к значительным перепадам давления с двух сторон;
• множество размеров (максимум 5 тыс. квадратных метров);
• применение разных материалов, с учетом условий эксплуатации;
• извлечение пучка труб для чистки или ремонта.

Значительное усовершенствование технологии позволяет сегодня достигать лучших результатов при работе с этим оборудованием.

Производители теплообменников

Промышленные теплообменники разных видов и типов производятся в России и за рубежом. Однако использование теплообменного оборудования будет наиболее эффективным только в том случае, если оно изготовлено для конкретных условий эксплуатации. При его разработке должны быть учтены теплофизические параметры сред, их исходные данные и требуемая производительность агрегата, а также место установки и имеющаяся свободная площадь, на которой планируется установить теплообменник.

Зарубежные производители поставляют оборудование хорошего качества, но, как правило, в этом случае подбор осуществляется ориентировочно, с учетом основных требований покупателя (заказчика). При этом часть важных дополнительных условий не берется в расчет, в результате эффективность теплообменника может быть существенно снижена. Кроме этого, время и стоимость поставки оборудования из-за рубежа также являются отрицательными факторами.

Российские производители предлагают изготовление под заказ и установку теплообменников, которые во многом превосходят импортные аналоги. Для каждого агрегата производится расчет с учетом всех данных и всех факторов эксплуатации, влияющих на его производительность. Заказчик получает полностью соответствующий его требованиям и условиям теплообменник, изготовленный в короткие сроки.

Особое внимание следует уделить теплообменникам нового поколения, которые предлагает ООО «Термо Северный Поток». Это теплообменное оборудование, выгодно отличающееся от агрегатов другого типа рядом явных преимуществ. Использование таких теплообменников позволяет добиваться максимальной эффективности и экономии на энергоносителях.

• интенсификация процессов теплообмена в рабочем пространстве печей благодаря применению скоростных газовых горелок, работающих по специально алгоритмизированному импульсному режиму, что создает основу для ускорения процессов нагрева металла;
• снижение потерь тепла через теплоограждение за счет обоснованного выбора материала и толщины футеровки, что обеспечивает заданную температуру на внешней поверхности печи (< 50oС);
• сокращение теплопотерь за счет повышения газоплотности печей и при оперативных изменениях температурных режимов за счет уменьшения тепловой инерционности футеровки;
• утилизация тепла отходящих дымовых газов в рекуператоре путем высокотемпературного подогрева воздуха (до 400oС), подаваемого на горение топлива;
• сокращение электропотребления за счет использования частотного регулирования мощности двигателей;
• оптимизация соотношения «топливо – воздух» за счет периодического контроля содержания кислорода в продуктах сгорания;
• гибкое регулирование гидравлического режима печей за счет применения специального дымового клапана мотылькового типа;
• комплексная автоматизация теплового режима, что позволяет оптимизировать тепловую работу печей в целом и стабилизировать работу средств регулирования и управления.

Имеющийся практический опыт показывает, что при комплексном системном подходе к проблеме энергосбережения в автоматизированных газовых печах удается сократить топливопотребление не менее чем на 60-65% по сравнению с существующими устаревшими печными конструкциями.

При этом достигается комплексная энерготехнологическая эффективность работы нового печного оборудования, поскольку качество тепловой обработки обеспечивается практически теми же техническими средствами, что и энергосбережение, но не требует дополнительных капитальных затрат, т.е. является наиболее эффективным.

Некоторой альтернативой изложенному выше комплексному подходу к проблеме топливосбережения в печах является применение рекуперативных или регенеративных систем отопления, получивших, отметим, до настоящего времени ограниченное распространение на отечественных и зарубежных предприятиях в силу высокой сложности и недостаточной надежности оборудования.

Успешная реализация комплексного подхода к проблеме топливосбережения в газовых печах обеспечивает, как показала практика, гораздо более высокую эффективность и надежность по сравнению с применением рекуперативной и регенеративной систем отопления в печах.

В заключение следует еще раз отметить следующее. Нагревательные и термические газовые печи – это в первую очередь производственно-технологическое оборудование, работу которого рекуперативная система отопления только усложняет, не решая при этом никаких основных технологических проблем. Энергетическая же эффективность этого способа явно уступает изложенной выше концепции комплексного подхода к энергосбережению.

Источник: Термосталь

I. Введение

Имеют место случаи, когда «Заказчик» в своем техническом задании (ТЗ) не указывает ряд реальных эксплуатационных ситуаций, которые в дальнейшем являются причиной выхода из строя рекуператоров ОПТ.

Особенно сильно влияют на срок службы рекуператоров ОПТ следующие неуказанные в ТЗ факторы:

• наличие резких скачков температуры отходящих газов перед ОПТ в сторону их увеличения, что приводит к перегреву теплообменных поверхностей и в дальнейшем (при цикличности процессов) имеет место разрушение конструкций, особенно в районе входного участка;
• неуказанная реальная запыленность газового потока влечет за собой интенсивное забивание каналов ОПТ по дымовой стороне, что в свою очередь приводит е резкому снижению эффекта теплосъёма, а также к увеличению аэродинамического сопротивления греющей среды;
• неуказанная минимальная температура газового потока, особенно содержащего сернистые соединения, влечет за собой конденсацию паров воды ( H2O), образовывая росу, в которой растворяются имеющиеся в газах окислы серы и вследствие этого получаются слабые растворы кислот, интенсивно разъедающие теплообменные поверхности ОПТ.

Учитывая многообразие и сложности технико-технологических ситуаций, компания ООО «Термо-Северный поток» ( ООО «ТСП») совместно со специализированными организациями проводит внедренческие и проектно-конструкторские работы по защите рекуператоров ОПТ от вышеуказанных негативных процессов. Ниже приведены ряд способов по защите рекуператоров ОПТ.

II. Защита от перегрева

Типовая схема по защите рекуператора от перегрева была разработана институтом «Стальпроект» и реализована почти на всех нагревательных печах прокатного производства. Принципиальная сущность данной схемы заключается в том, что осуществляется сброс «горячего» воздуха, нагретого в рекуператоре, в дымоход перед рекуператором.

Рациональность схемы (см. рис.1 в приложении к данной пояснительной записки) заключается в том, что задается определенная максимальная температура дымовых газов перед рекуператором, которая является контрольной в части защиты рекуператора от перегрева. Если указанная температура превысит контрольного значения, то срабатывает на открытие клапан «К», смонтированный на отводном трубопроводе «горячего» воздуха и в этом случае часть «горячего» воздуха будет подаваться в дымоход перед рекуператором. При этом будет происходить процесс смешения дымовых газов с «горячим» воздухом и в результате температура дымовых газов понизится до контрольной и тогда клапан «К» автоматически сработает на закрытие.

Данная система монтируется с установкой, только КИПиА и не требует дополнительного дорогостоящего оборудования.

Указанная схема является более рациональной по сравнению со схемами, описанными в технической литературе и в том числе в книге «Рекуператоры для промышленных печей» (автор Тебеньков Т.Б.).

III. Ликвидация загрязнённости и запылённости ОПТ

В части ликвидации запыленности, загрязненности и отложений на теплообменных поверхностях ОПТ компания ООО «ТСП» провела ряд работ в этом направлении. В частности были проведены работы по ликвидации технологических отложений на теплообменных поверхностях рекуператора, установленного за печью предприятия «Казцинк» с использованием генератора ударных волн марки ГУВ38ПМД, который позволяет:

1. Производить эффективную очистку поверхности нагрева от отложений различной прочности;
2. Поддерживать стабильные значения сопротивления газового тракта;
3. Увеличить среднюю эксплуатационную теплопроизводительность и КПД
4. Осуществлять очистку поверхностей нагрева на работающих тепловых агрегатах;
5. Исключить сезонные работы, связанные с демонтажем, очисткой и монтажом загрязнённых поверхностей нагрева за время рабочей компании;
6. Получить значительную экономию топлива, снизить затраты на собственные нужды и повысить культуру производства;
7. Производить очистку поверхностей нагрева нескольких тепловых агрегатов применяя один переносной генератор;

За основу действия генератора ударных волн положен способ, названный «ударно-волновая очистка», который заключается в использовании энергии ударной волны для разрушения удаления наружных отложений с поверхности нагрева.

Генерация ударной волны осуществляется генератором ударных волн с использованием специально созданных энергетических зарядов.

Продукты генерации при движении в сопле генератора со скоростями, большими, чем скорость звука, на выходе из сопла формируют комплекс «ударная волна+скоростной поток продуктов сгорания», который направляется на очищаемые поверхности. Эффект ударной волны заключается в динамическом нагружении слоя отложений волнами сжатия и разрежения, т.е. к отложениям прикладывается знакопеременная нагрузка, которая разрушает отложения тем быстрее и меньшими затратами, чем выше динамика прикладываемых нагрузок.

Использование порохов, характеризующихся высокими скоростями химического превращения позволяет получить импульсы ударной волны практически любой интенсивности за счет изменения массы навески порохов и геометрии сопловых насадок генератора, и тем самым, снять все конструктивные сложности.

Возможность выбора частоты и амплитуды ударной волны позволяет рационально использовать генератор, удаляя отложения, в зависимости от их прочности, без нарушения целостности металлоконструкций тепловых агрегатов. В этом смысле сам способ воздействия ударной волны на отложения следует признать достаточно универсальным для решения задач чистки теплообменных поверхностей.

Генератор ударных волн является переносным устройством, с дистанционным спусковым механизмом, не требует подвода какого либо питания, что позволяет одним генератором производить очистку на нескольких агрегатах в нужное Вам время, с нужной Вам частотой. Малый вес (не более 10кг) автономность и транспортабельность генератора позволяют за короткий срок практически, без каких либо конструктивных изменений тепловых агрегатов оснастить их под генератор на уровне штатного очистного оборудования.

Опыт очистки теплообменных поверхностей с использованием ударных волн компания ООО «ТСП» считает положительным. Данное положение подтверждается фотографиями, где (см. приложение, рис.2) показана входная решетка ОПТ до очистки отложений, а ( см. рис.3) после очистки с применением генератора.

Однако необходимо отметить весьма существенный недостаток, который присущ данному методу очистки, а именно невозможностью полностью автоматизировать указанный процесс, т.е. операции по зарядке генератора пороховыми зарядами необходимо выполнять вручную. Учитывая данное обстоятельство , ООО «ТСП» обратилось к организации ООО «НПП «ИСТА» (г. Санкт-Петербург) которая осуществляет комплекс работ по очистке теплообменных поверхностей с помощью, изготавливаемых ими пневмопушек. Принцип действия пневмопушки основан на создании мощного импульса струн сжатого воздуха, накопленного в коллекторах системы, и на ударную волну, формирующуюся в выходном стволе пневмопушки. Система трубопроводов сжатого воздуха, сами пневмопушки, укомплектованные быстродействующими клапанами, могут работать в автоматическом режиме, могут работать в автоматическом режиме без участия обслуживающего персонала. Данное обстоятельство является положительным фактором и ООО «ТСП» приняло решение о проведении совместных работ с организацией ООО «НПП «ИСТА» по очистке ОПТ.

Схема передачи тепла от греющей среды к нагреваемой, предлагаемая нами весьма проста, то есть на пути отходящих продуктов сгорания, содержащих тепловую энергию с определённым потенциалом по температуре, устанавливается теплообменник марки ОПТ (оребрённый панелиластинчатый теплообменник).

В теплообменниках ОПТ утилизируется тепло отходящих продуктов сгорания, удаляемых от топливосжигающего агрегата в атмосферу , посредством дымовой трубы методом самотяги или путём создания тяги за счёт установки в системе дымоудаления дымососа.

При воздушном или водяном отоплении греющая среда(дымовые газы) нагревает холодный воздух или воду через теплообменные поверхности, которые в дальнейшем поступают в систему отопления или вентиляции, тем самым обеспечивая прогрев помещений (цеха).

Таблица сравнительной характеристики водяного и воздушного систем отопления.

	ВОЗДУШНОЕ ОТОПЛЕНИЕ	ВОДЯНОЕ ОТОПЛЕНИЕ
Способ обогрева отапливаемого помещения	Прямой нагрев теплым воздухом, то есть, теплоноситель нагреваемой среды (воздух) подается в помещение	Нагрев через ограждающие стенки теплообменников (косвенный нагрев),радиаторов, регистров и других теплообменных устройств
Капитальные затраты на внедрение системы	Затраты на отопление помещения ориентировочно составляют 120 руб. /м2 помещения	Затраты на отопление помещения ориентировочно составляют 310 руб. /м2 помещения
Оперативность в части выполнения монтажа системы	Быстрый монтаж, так как необходимо смонтировать только теплообменник марки ОПТ и систему воздуховодов	Объём монтажных работ существенный, так как необходимо смонтировать наносную группу, трубопроводы, прямой и обратной воды, радиаторы регистры, арматуру, кип. Необходимо выполнить работу по антикоррозийной защите трубопровода
Затраты на обслуживание системы	Минимальные, так как осуществляется прямой нагрев через воздуховоды воздушного отопления	Объём обслуживания системы значительный, так как необходимо обеспечить работоспособность трубопроводов, насосной группы, фильтров, арматуры, кип и т.д.
КПД системы	Не менее 90%	Не более 65%
Тепловая инерционность системы	Разогрев помещения составляет не более одного часа	Разогрев помещения составляет от двух до шести часов
Квалификационный уровень обслуживающего персонала	Не требуется высококвалифицированного обслуживающего персонала	Необходим для обслуживания высококвалифицированный персонал по система холодной и горячей воды, включая насосную группу, арматуру ,фильтры, кип и т.д.
Работоспособность системы при низких температурах	Наличие низких температур не влияет на работоспособность воздушного отопления	Наличие низких температур чревато замораживанием трубопроводной системы и теплообменного оборудования
Возможность отопления отдельных локальных участков	Возможно осуществить обогрев локальных участков (цеха, помещения)	Осуществить обогрев локальных участков (цеха, помещения) не представляется возможным
Возможность отопления с резким перепадом по тепловой мощности по времени, то есть рабочие дни, включая день и ночь ,выходные и праздничные дни	Возможно резкое изменение тепловой мощности по времени	Резкое изменение тепловой мощности по времени недопустимо, возможно незначительное изменение указанного параметра с целью избежание промерзания системы
Наличие протечек и переток греющей среды в помещение	Незначительный переток греющей среды в помещение возможен, вследствии не герметичности воздуховодов. Аварийная ситуация исключена	Протечки греющей среды нежелателен так как в данном случае возможна аварийная ситуация вследствии подтопления помещения водой
Обеспечение вентиляции помещения	Система воздушного отопления обеспечивает вентиляцию помещения	Система водяного отопления не обеспечивает вентиляцию помещения, необходима самостоятельная установка по вентиляции
Фильтрация проходящего через поверхности теплообменников теплоносителя	Теплообменные поверхности теплообменников при воздушном отоплении фильтруют воздух	Теплообменные поверхности теплообменников при водяном отоплении не фильтруют теплоноситель, а имеет место засорение внутренних трубчатых полостей известковосодержащими материалами, окисями минералов и другими механическими примесями

Также указаны виды и причины образования отложений на теплообменных поверхностях, рассмотрены некоторые системы очистки внешних поверхностей теплообменников, которые были разработаны и внедрены различными отечественными предприятиями, а также инофирмами.

В соответствии с теорией по теплопередаче известно, что отложения на теплообменных поверхностях сильно снижают коэффициент теплопередачи, данный параметр в процессе эксплуатации может уменьшаться в несколько раз. Отложения являются дополнительным термическим сопротивлением теплообменников, и данный фактор существенно снижает эффективность теплопередачи от греющей среды к нагреваемой, через стенку теплопередающей поверхности. Появление отложений на теплопередающей поверхности представляет собой нестационарных процесс, зависящий от ряда факторов, влияние которых должно быть четко известно перед началом проектирования теплообменника. К таким параметрам относят: свойства теплоносителей и наличие в них взвешенных частиц различных свойств и концентраций, скорость течения теплоносителей, температура поверхности стенки, рабочее давление (разряжение), геометрия и шероховатость поверхностей и.т. ниже в табличной форме представлена характеристика процесса загрязнения теплообменных поверхностей.

Характеристика процесса загрязнения

Сравнимые измерители процесса		Стадии загрязнения
Скорость загрязнения (осаждения, налипания)		Первая	Вторая	третья
Характер загрязнения	Форма отложений на теплообменной поверхности	Малая На лобовой части теплообменных панелей гребешки из пористых размягченных отложений. На тыльной стороне панелей хлопья летучих отложений	Значительная (нарастающая) Увеличение гребешков на лобовой стороне панелей; ухудшения отвода тепла от слоя отложений. Смыкание золы образование пористых отложений типа «мостики».	Большая (катастрофическая) Образование перемычек между панелями. Образование плиты отложений из трех основных слоев рыхлого, спекшегося, твердого. Образование массивных глыб в углах.
	Твердость и агрегатное состояние основной массы отложений	Отложения рыхлые и пористые (бугорки, перышки, гребешки)	Отложения пористые с полужидкими, тестообразными кусками из-за несгоревших частиц топлива	Отложения твердые и спекшиеся
	Эффективность очистки	Отложения легко поддаются удалению обдувкой сжатым воздухом	Удаление отложений обдувкой затруднительно (не обеспечивает эвакуации отложений); требуются увеличение количества воздействий импульса сжатого воздуха.	Приведенные методы очистки неэффективны, очистка производится на остановленном тепловом агрегате, причем остановка происходит непроизвольно, ввиду закупорки газоходов
	Температура газов на выходе	Номинальная	Повышенная	Резко повышенная
	Аэродинамическое сопротивление поверхностей нагрева	Номинальное	Слегка повышенное	Резко повышенное

Рассматривая картину постепенного нарастания отложений на теплообменной поверхности теплообменника, не имеющего эксплуатационной защиты от загрязнений, можно заключить, что во избежание появления 2 и 3 стадий загрязнения необходима, чтобы очистка теплообменных поверхностей должна производится в рамках первой стадии.

Виды и причины образования отложений на теплообменной поверхности

Формирование отложения на поверхностях нагрева – результат ряда сложных физико-химических процессов, рассмотрим некоторые из них.

По характеру связи частиц и механической прочности отложения подразделяются на сыпучие, связанные рыхлые, связанные прочные и сплавленные (шлаковые), спеченные.

По минеральному химическому составу: в ряде случаев на формирование отложений большое влияние оказывают химические процессы, происходящие в слое отложений, образование отложений может быть связано не только с загрязнением потока, но и с конденсацией на относительно холодных панелях паров воды.

В зависимости о места нахождения по периметру омываемой газовым потокам панелей отложения делятся: на лобовые, тыльные и в зонах минимальной толщины пограничного слоя. Спекшиеся отложения на лобовых поверхностях панелей обычно образуют гребни, высота которых может достигать 200 мм. на тыльной стороне высота отложений бывает меньше, но при определенных условиях отложения могут перекрывать межпанельное пространство.

В зависимости от скорости потока газов, чем ниже скорость движения в газовоздушном тракте, тем выше степень отложений на теплообменных поверхностях.

Существенно влияют на загрязнения панелей их геометрическая ширина, шаг между панелями и коридорное расположение панелей по ширине газохода, т.е. должно быть пошаговое равномерное расстояние между соседними панелями. Необходимо отметить, что расположение панелей компании ООО «ТСП» имеют коридорную ориентацию, что является весьма положительным фактором в части их очистки от загрязнений, т.е в данном случае щелевые каналы по дымовой стороне имеют сквозной проход без каких-либо перегородок и перемычек, а это позволяет осуществить прочистку панелей щёточными элементами.

Рассмотрим ряд систем очистки внешних поверхностей теплообменников, и реализуемых различными предприятиями.

1. Пневмоимпульсные системы, реализуемые предприятием ЗАО «ИСТА», г. СПб.
2. Генераторы ударных волн с пороховыми зарядами.
3. Газоимпульсная система, разработанная и внедренная институтом ЦКТИ им. Ползунова СПб..
4. Магнитно-импульсная система с образованием импульса механической силы, разработана и внедрена ООО «ИНТЕРТЕХ» г. Москва.
5. Очищение от загрязнений сухим льдом, данная система является комбинированной, разработана и внедрена ООО «АВГУСТ» г.СПб.
6. Выдвижные аппараты с использование пара и сжатого воздуха, данные системы являются зарубежной разработкой.
7. Система механической очистки с помощью специального устройства с набором щеточных элементов, смонтированных на конструкциях указанного механизма. Данное устройство разрабатывается на стадии опытно-промышленного образца специализированной организации по техническому заданию ООО «ТСП».

Традиционно длинномерные металлургические полуфабрикаты типа тавровых и двутавровых профилей в массовом промышленном производстве получают такими методами как непрерывная прокатка, прессование, литье, дуговая сварка. Наиболее распространенный метод непрерывной прокатки стальных профилей требует создания достаточно сложного и дорогостоящего оборудования, больших производственных площадей и высокого энергопотребления при разогреве заготовок до прокатных температур. Прокатка не позволяет получать профиль с разной толщиной элементов и ассиметричный профиль.

Прессование и литье профилей имеют низкую производительность, а получение профилей с помощью дуговой сварки связано с необходимостью предварительной механической обработки, которая весьма трудоемка и требует последующей правки изделия.

Все указанные методы не обеспечивают производства тонкостенных профилей с толщиной элементов менее 2,5-3 мм, поэтому в промышленных конструкциях часто используют тавры либо двутавры более толстостенные, чем требуются по результатам расчетов нагрузок.

Для получения развитой поверхности теплопередающих устройств используют трубы или плоские элементы с накатанными, напрессованными или приваренными ребрами.

Еще в 60-70-х годах прошлого века, после широкого и успешного освоения процесса высокочастотной сварки труб, в патентной и научно-технической литературе появилось множество публикаций о возможности и целесообразности использования принципов, лежащих в основе высокочастотной сварки при производстве изделий имеющих соединение в тавр.

Это объясняется достоинствами процесса высокочастотной сварки, которые весьма эффективно могут быть использованы при производстве изделий таврового профиля.

Среди них можно отметить:

• самоочистку свариваемых поверхностей;
• электродинамические явления в зазоре между свариваемыми элементами («пинч-эффект»: вытеснение и сброс жидкой фазы со свариваемых поверхностей за счет взаимодействия сварочного тока и электромагнитного поля в зазоре) обеспечивают очищение поверхностей от исходных окисных пленок и высокое качество сварки без какой-либо подготовки кромок;
• отсутствие необходимости использовать защитную или восстановительную атмосферу. Скорость протекания процесса столь велика, что процессы окисления не успевают происходить даже в случае сварки таких материалов как титан.;
• отсутствие присадочного материала. В сварке участвует только нагретый до плавления металл кромок свариваемых заготовок, что обеспечивает высокое качество сварного шва;
• высокую производительность процесса. Скорость сварки может достигать десятков метров в минуту;
• возможность точного дозирования передаваемой к кромкам энергии. Это позволяет образовывать сварные швы большой протяженности из тонкостенных заготовок (в отличии от многих традиционных методов сварки);
• образование сварного соединения происходит в условиях скоростного нагрева и охлаждения, а также значительных давлений. Это обеспечивает получение мелкозернистой микроструктуры шва и околошовной зоны и, следовательно, высокую пластичность сварного швов.

Подобные достоинства метода высокочастотной сварки не могли не привлечь разработчиков новых технологических процессов производства металлических изделий, имеющих тавровое соединение.

Однако, несмотря на положительный опыт по созданию процессов высокочастотной сварки труб различного сортамента, специалисты столкнулись с целым рядом новых специфических проблем, связанных с реализацией сварки таврового соединения и ее стабильности

Сборка свариваемых элементов осуществляется таким образом, что между ними создается зазор в виде У-образ- ной щели. От источника питания 5 с помощью контактов 4 к свариваемым элементам 1 и 2 подводят ток высокой частоты. В каждый момент времени ток высокой частоты течет по «ребру» и «поверхности» в противоположных направлениях. За счет эффекта близости и поверхностного эффекта [1], также, как и при высокочастотной сварке труб, обеспечивается высокая концентрация тока на свариваемых поверхностях [2].

Однако, в отличие от сварки труб, где свариваемые кромки симметричны и имеют одинаковое сечение, «свариваемые поверхности» в случае производства тавровых профилей находятся в более «сложных», абсолютно несимметричных условиях, при которых на элементе «ребро» мощность выделяется в малом объеме, определяемом толщиной элемента и глубиной проникновения тока в металл, температура растет быстро и сохраняет свою величину, а на элементе «поверхность» мощность выделяется в широкой полосе, температура нарастает медленнее и быстро падает из-за большего теплоотвода в холодные слои металла.

Сказанное выше является основной проблемой сварки в тавр, заключающейся в резко выраженной неравномерности нагрева элементов в точке их схождения.

В ВНИИТВЧ им. В. П. Вологдина (г. Санкт-Петербург), проводились многолетние исследования процессов высокочастотной сварки изделий в тавр. В результате были разработаны оригинальные конструктивные и технологические решения и приемы, которые позволили реализовать на лабораторных стендах сварку тонкостенных ,широкополочных двутавров для строительства, особо тонкостенных тавровых профилей (0,5 — 1 мм) для нужд теплоэнергетики, особо толстостенных тавровых профилей (20-24 мм) из титана для авиации, среднего сортамента тавров (6-10 мм) для судостроения и трехреберных листовых панелей для корпусных конструкций (6-10 мм) для судостроения.

Каждая из этих работ включала этапы математического и физического моделирования, в том числе, натурное макетирование с созданием действующих макетов, моделирование в аэродинамической трубе; проводились исследования полученных образцов (механические испытания широкого профиля; металлографические исследования; натурные испытания изделий-)* В работах принимали участие научно-исследовательские, проектно-конструкторские институты и заводы России и стран СНГ (ВИЛС,’ ЦНИИТМАШ, ЦНИИПСК, ЦНИИПРОМ- ЗДАНИЙ, ЦНИИТС, ВИСП, НИАТ, АТОМКОТЛОМАШ, ЦНИИ им. ак. Крылова, ЗиО г. Подольск, Котельный завод г.Таганрог, ЗАЗ г. Запорожье и др.).

В результате исследовательских и проектных работ были созданы и введены в промышленную эксплуатацию линии с использованием высокочастотной сварки по производству тонкостенных тавровых профилей с толщиной стенок 1 -3,5 мм для нужд автомобильного производства, труб с продольным оребрением для котлостроения, труб со спиральным оребрением и оребренных панелей теплообменных агрегатов.

Ниже рассмотрены основные задачи, встававшие перед российскими и зарубежными специалистами при разработке технологии получения изделий типа тавр методом высокочастотной сварки и пути их решения.

1. Выравнивание температуры свариваемых заготовок

1.1. Обеспечение концентрации источников тепла за счет деформации «поверхности»

Все технологические приемы чрезвычайно трудоемки, в большинстве случаев не решают задачу в полной мере и могут применяться лишь в ответственных случаях (например; в случае особотолстостенных профилей для нужд авиации) в комплексе с другими приемами.

1.2. Воздействие на электромагнитное поле в зазоре между свариваемыми элементами

В зазоре между «ребром» и «поверхностью» устанавливаются экраны различной конструкции из материала с высокой электропроводностью, которые снижают интенсивность нагрева «ребра» и повышают нагрев «поверхности». Экраны получили условное название «пассивные» концентраторы либо деконцентраторы тока. Эти решения недостаточно эффективны, и могут быть использованы только для относительно толстостенных профилей (или в сочетании с другими приемами).

1.3. Обеспечение предварительного нагрева «поверхности»

Создать условия для практически полного выравнивания температуры нагрева элементов при сварке в тавр удалось с помощью специальных устройств. Наибольшую интенсивность нагрева обеспечивает, так называемый «активный» концентратор тока. Концентратор представляет собой шину (индуктирующий провод) по которой пропускается сварочный ток. Шина проходит вдоль «поверхности», обеспечивая ее локальный (по ширине) нагрев. В случаях спирального оребрения труб концентратор выполняется в виде охватывающего трубу индуктора (одно, двух или трех виткового). Серьезным недостатком такого устройства является его низкая надежность, обусловленная частыми электрическими пробоями между шиной и «поверхностью». Пробои приводят к возникновению электрической дуги и выходу из строя системы токоподводов. Применение этих устройств, требует повышения электрической прочности зазора между шиной и «поверхностью» (изоляции шины или увеличении зазора). При этом следует учесть, что увеличение зазора резко снижает эффективность нагрева под концентратором.

Хорошие результаты позволили получить устройство токонесущая шина («концентратор» тока ) включена здесь не в сварочную цепь, а является частью короткозамкнутого витка, периферийные стороны которого индуктивно связаны с токоподвода- ми. Такое устройство получило название «концентратор трансформаторного типа». Устройство не имеет кондук- тивной связи с токоподводами и электрические пробой на этом участке сварочной цепи отсутствуют. В результате, при правильном конструировании надежность работы устройства существенно повышается, а эффективность не уступает «активному» концентратору (прежде всего за счет минимальных зазоров между концентратором и «поверхностью»).

Применение такого устройства позволяет обеспечить требуемое равенство температур в случаях, когда неравномерность нагрева элементов очень высока. Устройство дополняется элементом под названием «деконцентратор» тока. Деконцентратор представляет собой индуктирующий провод, расположенный вдоль поверхности «ребра» по которому пропускается сварочный ток. Подключается провод таким образом, что ток в нем направлен встречно току кромки «ребра». При подборе параметров (длины провода, расстояния до кромки «ребра», зазора), можно не только изменять плотность тока на кромке «ребра», но и при определенных условиях, создавать требуемое температурное распределение по глубине кромки.

В этом случае индуктирующий провод (концентратор) питается от другого источника или подключен параллельно токоподводящим элементам. Такое решение имеет как серьезные достоинства, так и недостатки.

Последние связаны с трудностями конструктивного встраивания устройств в ограниченном объеме зоны сварки (при питании от другого источника) и проблемами настройки системы двух различных нагрузок (при питании от одного источника).

4. Способ в значительной мере исключающий неравномерность нагрева

Особое место среди процессов высокочастотной сварки в тавр занимает технология спирального оребрения труб, разработанная американской фирмой ТЬегтаЮо1 Согр. В настоящее время технология успешно реализуется на линиях спирального оребрения труб, которые производят ведущие зарубежные фирмы, а также на целом ряде отечественных установок оребрения труб производства ЦНИИТМАШ.

Технология реализует несколько иной процесс нагрева под сварку, чем принят на российских установках. Ток высокой частоты подводится к свариваемым элементам в непосредственной близости от точки их схождения. В этом месте зазор между элементами меньше толщины «ребра» и плотности тока на кромке «ребра» и на «поверхности» (трубе) близки по величине.

Основной нагрев элементов происходит в точке их соприкосновения (т. е. процесс имеет общие признаки со сваркой сопротивлением). Такой подход в значительной степени выравнивает условия нагрева под сварку.

Для снижения влияния неравномерных условий отвода тепла от элементов процесс ведется на очень больших скоростях, вследствие чего теплопроводность металла не успевает обеспечить диффузию тепла. В результате неравномерность нагрева свариваемых элементов при сварке по этой технологии сводится к минимуму.

Процесс весьма экономичен, т. к. объем нагреваемого под сварку металла существенно меньше, чем в других процессах сварки в тавр.

К недостаткам зарубежных линий, где используется подобная технология, следует отнести сложность оборудования и технологических устройств, реализующих такую технологию, их существенно большую стоимость (в разы превышающую стоимость оборудования отечественного производства). Кроме того, эту технологию характеризует некоторая нестабильность нагрева под сварку, а также сложность реализации процесса для оребрения труб малого диаметра. Нестабильность нагрева связана с тем, что длина нагреваемых кромок соизмерима с длиной контактных наконечников, и в процессе работы место токосъема может существенно менять положение (отдаляясь или приближаясь к точке сварки). Кроме того, в случае когда материалы имеют низкий температурный интервал свариваемости (менее 50-100 °), например, в случаях сварки нержавеющих или жаропрочных сталей и сплавов, качество сварки не всегда удовлетворяет потребителя, т. к достигнуть полного равенства температур все-таки не удается

2. Нагрев свариваемых элементов под сварку

В разделе 1 рассмотрено множество эффективных приемов по выравниванию температурных условий на свариваемых элементах тавра. Тем не менее, процесс сварки в тавр часто ведется в условиях, когда равенство температур на элементах, необходимое для получения сварного соединения, достигается лишь в результате избыточного оплавления кромки «ребра». Дело в том, чтс| применение предварительного нагрева «поверхности» с помощью концентратора тока, приводит к увеличению глубины прогрева «поверхности» и определяет этим новые проблемы. Прежде всего, это дефекты сварки, проявляющиеся в виде продавленного или прорезанного «ребром» элемента «поверхность». На практике, в качестве компромисса, процесс часто проводят в условиях некоторого недогрева «поверхности» и перегрева «ребра». Особенно это характерно для случаев сварки тонкостенных элементов. Качество соединений при этом обычно невысокое, а товарный вид изделия неудовлетворителен (крупный неравномерный грат, прожоги на кромке «ребра» и т.д.). Металл «поверхности» может при этом не доводиться до состояния жидкой фазы и остается в пограничном состоянии (жидко-твердой фазы.)

В случае сварки материалов, имеющих высокую температуру плавления окисных пленок (например, в случае использования нержавеющих сталей), это может приводить к низкому качеству сварных соединений, т.к. даже при избыточном сдавливании элементов в шве остаются раздробленные окисные пленки. Такие проблемы встречаются, например, при спиральном оребрении труб.

В этом процессе часто применяют концентраторы тока большой длины (например, в виде двух- и даже трех виткового индуктора), расположенные на большом расстоянии (по спирали навивки) от точки схождения, Это обуславливает низкий градиент температуры по сечению стенки трубы и вынужденное снижение температуры нагрева поверхности, и,следовательно, низкое качество сварного соединения.

Наиболее очевидным решением данной проблемы является уменьшение времени предварительного нагрева «поверхности» или увеличение скорости сварки (для снижения диффузии тепла в глубину металла), а также увеличение частоты сварочного тока, приводящее к уменьшению глубины проникновения.

Эти приемы, однако, не универсальны. Увеличение скорости сварки, как и увеличение частоты тока, требует соответствующих, как правило, более дорогих источников питания, что не всегда можно обеспечить. Кроме того скорость сварки в ряде случаев ограничивается технологическими соображениями, связанными с процессом в целом. Имеются конструктивные ограничения и по уменьшению длины участка предварительного нагрева «поверхности».

При сварке тонкостенных профилей ответственного назначения с толщиной «ребра» менее 2,5-3 мм к распределению температурного поля «ребра» могут предъявляться дополнительные требования. Чтобы повысить механические характеристики сварного соединения, у основания «ребра» формируется галтель усиления. Для этого температурное поле зоны нагрева должно обеспечить плавный спад температуры от нагреваемой кромки «ребра» в глубину, что при дальнейшем приложении усилия осадки приводит к образовании галтели на торце «ребра».

Очевидно, что формирование галтели подобным способом требует более низких частот и меньших скоростей сварки, что противоречит условиям получения качественной сварки тонкостенных элементов тавра. Хорошие результаты по формированию требуемого температурного распределения на «ребре» позволяют получать «деконцентраторы» тока ( см. раздел 1.3).

Существуют и другие техническое решения, позволяющие воздействовать на температурное поле листового элемента «поверхность», например, это могут быть различного вида охлаждаемые проводки, обеспечивающие отвод тепла с задней стороны листа «поверхность».

Та или иная совокупность перечисленных устройств позволяет формировать требуемое распределение температуры на элементах. Например, устройство, содержащее «концентратор», «деконцентратор» и водоохлаждаемую проводку позволило обеспечить заданное температурное поле свариваемых в тавр листовых заготовок и получить высокое качество тавровых профилей ответственного назначения с толщиной элементов 1-2 мм, в том числе из коррозионностойких и жаропрочных материалов, что считалось ранее недостижимым как для высокочастотной, так и для других традиционных методов сварки.

3. Осадка свариваемых элементов

Как известно, высокочастотная сварка относится к так называемым РТ — процессам сварки (по классификации [4]) т.е. сварное соединение образуется в результате воздействия температуры (Т) и давления (Р). Оба эти параметра являются определяющими, и недостаточное или избыточное давление, как и недостаточная температура нагрева, приводят к дефектам сварки.

Вопрос передачи требуемого давления осадки к очагу сварки часто представляет серьезную задачу (особенно в случаях тонкостенных элементов). В зависимости от угла (траектории) схождения свариваемых элементов, величина усилия, которое нужно приложить к кромке привариваемого «ребра», может достигать значений от единиц (например, при спиральном оребрении труб малых диаметров) до сотен килограмм, например, при производстве оребренных панелей. Такой разброс значений объясняется разной кривизной «поверхности» и, соответственно, разной длиной зоны, на которой нужно обеспечить требуемую величину удельного давления (длина зоны деформации).

В соответствии с этим, при проектировании сварочных устройств следует иметь в виду, что при малой толщине кромки «ребра» и большой длине зоны деформации кромка в процессе сварки может терять устойчивость и деформироваться.

Для уменьшения величины контактных напряжений применяют ролики осадки большого радиуса, разрезные ролики, промежуточные бандажи и скользящие проводки. В случаях, когда это возможно, следует стремиться к уменьшению радиуса кривизны «поверхности».

4. Подвод тока высокой частоты к свариваемым элементам

Еще одной общей задачей, которая встает при реализации процессов сварки в тавр, является разработка конструкции устройств для подвода сварочного тока. При высокочастотной сварке труб сварочный ток индуцируется в теле трубы и далее подводится к кромкам с помощью простой конструкции — охватывающего индуктора. При сварке в тавр нет замкнутого контура, в котором можно было бы индуцировать ток бесконтактным способом. Сварочный ток подводится в этих случаях с помощью скользящих контактов.

Устройства для подвода сварочного тока контактным способом, принято называть «кондукторами». Кондуктор, обычно, включает следующие элементы:

• неподвижные токоподводы, подключенные к источнику питания; подвижные токоподводы, связанные с неподвижными токопроводящими шарнирами;
• контакты, скользящие по поверхностям свариваемых элементов, расположенные на подвижных токопод- водах;
• концентраторы тока (одной из перечисленных выше конструкций);
• систему подпружинивания, исключающую отрыв контактов от поверхностей заготовки.

Учитывая, что в конструкцию кондуктора входят не только токопередающие шины и контакты, но и элементы, регулирующие распределение тока на «ребре» и «поверхности», их взаимное расположение не должно противоречить их функциям. Только при оптимальном расположении этих элементов в общей конструкции кондуктора можно добиться не только надежной токопере- дачи, полного согласования нагрузки с источником питания, но требуемого распределения тока на свариваемых поверхностях.

Таким образом, конструкция сварочного кондуктора определяет не только качество сварных соединений, энергетические характеристики и производительность процесса, но и саму возможность реализации процесса сварки.

В данной части публикации рассмотрены наиболее общие вопросы возникающие при сварке в тавр. Между тем, каждый процесс имеет свои особенности. В следующих публикациях журнала будут рассмотрены вопросы, связанные с конкретными разработками.

(Данная статья опубликована в журнале «Индукционный нагрев» № 6, декабрь, 2008 г.)

В.Е. Злотин, к.т.н.