Исследования, разработка технологии и освоение производства прецизионных труб из коррозионностойкой стали

В настоящее время крупнейшим потребителем нержавеющих труб становится атомная энергетика. Правительством РФ постановлением от 6 октября 2006 года № 605 утверждена Федеральная целевая программа «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007;2010 годы и перспективу до 2015 года». В России к 2015 г. будет введено в эксплуатацию 10 новых энергоблоков АЭС общей установленной мощностью 9,8 ГВт. Одним из концептуальных требований программы является обеспечение гарантированной безопасности и экономической эффективности российских АЭС.

Реализация поставленных целей требует решения важных технических задач, связанных с повышением надежности и увеличением ресурса работы оборудования АЭС. Эти задачи определяют новые, более высокие, требования к качеству оборудования АЭС и его эксплуатационным характеристикам, что делает актуальной данную работу, направленную на достижение высоких эксплуатационных характеристик труб.

Применяемая на отечественных заводах технология производства холоднодеформированных труб из коррозионностойкой стали не гарантирует требуемого качества поверхности и точности их размеров. Задача повышения качества поверхности и точности размеров труб может быть решена путем приобретения существующих за рубежом технологии и оборудования. Такой путь требует больших материальных затрат и времени, тем самым сохраняет отставание отечественного уровня производства труб. Для преодоления этих проблем могут быть иные технические решения.

Одно из таких решений — применение волочения нержавеющих труб на оправке. Реализация такой технологии не требует больших материальных затрат и времени, позволяет повысить качество труб, используя существующее оборудование трубоволочильных цехов.

Однако, в отечественной трубной промышленности волочение нержавеющих труб на оправке не нашло применения, так как не была преодолена проблема налипания металла на инструмент.

Целью работы является создание технологии получения прецизионных труб из коррозионностойкой стали с субмикронной чистотой поверхности канала. Реализация этой цели требует решения проблемы налипания металла на инструмент.

Для решения указанной проблемы и достижения сформулированной цели в работе поставлены следующие задачи:

— выяснить механизм адгезионного разрушения поверхностного слоя металла при волочении труб;

— установить связь между процессом налипания металла на инструмент с известными физическими процессами, происходящими на межфазной поверхности и свойствами материала;

— сформулировать критерии выбора тугоплавких соединений и инструментального материала на их основе для волочения труб;

— с использованием указанных критериев выбора материала инструмента разработать способ волочения, который позволил бы исключить адгезионное разрушение поверхностного слоя металла в контакте трения инструмент-металл;

— на основе этого способа разработать технологии производства прецизионных труб из коррозионностойкой стали с субмикронной чистотой поверхности канала;

— провести апробацию технологий и выполнить сравнительный анализ качества поверхности и точности размеров труб, поставляемых по старой и новой технологиям.

Научная новизна работы заключается в получении новых научных и практических знаний о процессе налипания металла на инструмент и адгезионном разрушении поверхностного слоя металла при волочении труб.

Установлена связь между процессом налипания металла на инструмент и характеристиками процесса смачивания (краевой угол смачивания, работа адгезии и работа когезии) в системе карбид (нитрид, оксид) — металлы группы железа. Экспериментальным путем определено отношение работы адгезии к работе когезии, при котором в системе инструмент-металл достигается качественное изменение механизма фрикционного взаимодействия и качественное изменение структуры поверхности металла. На основе полученных данных сформулирован критерий выбора тугоплавких соединений на этапе разработки инструментальных материалов.

Выявлена связь между эмиссионными параметрами (работа выхода, энергия активации) материала инструмента и параметром шероховатости поверхности труб после волочения. На основе этой связи сформулирован критерий выбора инструментального материала по его эмиссионным параметрам.

Решение проблемы адгезионного разрушения поверхностного слоя металла в контакте трения инструмент-металл составило основу технологического процесса производства труб принципиально нового качества.

Разработаны технологии и освоено производство: труб с субмикронной чистотой поверхности канала из коррозионностойкой стали для систем транспортирования сверхчистых средпрецизионных капиллярных труб из коррозионностойкого сплава и прецизионных особотонкостенных труб из коррозионностойкой стали для ТВЭЛов новой конструкции.

Достоверность результатов исследования обеспечена:

— использованием данных для анализа энергетических характеристик (работа адгезии и работа когезии) системы инструмент-металл, которые в соответствии с ГОСТ 8310–78 относятся к категории информационных и систематизированы в справочной литературе;

— применением метода экзоэлектронной эмиссии для решения задачи выбора материала инструмента. Этот метод используется в настоящее время для неразрушающего контроля тонкого поверхностного слоя материалов и реализуется на сканирующем экзоэмиссионном дефектоскопе. Результаты исследования экзоэлектронной эмиссии инструментальных материалов согласуются с выводами анализа энергетических характеристик системы инструмент-металл.

Научные положения и практические выводы работы подтверждены в процессе реализации новых технологий получения прецизионных труб с субмикронной чистотой поверхности.

Высокая точность и стабильность размеров новой трубной продукции подтверждена результатами статистического анализа.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту: результаты исследования механизма фрикционного взаимодействия в системе инструмент — металл и его связь с энергетическими характеристиками системы карбид (нитрид, оксид) — металлы группы железа, а также критерий выбора тугоплавких соединений на этапе разработки инструментальных материаловрезультаты исследования эмиссионных параметров материала инструмента и их связь с параметром шероховатости поверхности труб, а также критерий выбора инструментального материала по его эмиссионным параметрамспособ волочения труб, исключающий адгезионное разрушение поверхностного слоя металла в контакте трения инструмент-металлновые технологии производства труб с субмикронной чистотой поверхности канала из коррозионностойкой стали для систем транспортирования сверхчистых средпрецизионных капиллярных труб из коррозионностойкого сплава и прецизионных особотонкостенных труб из коррозионностойкой стали для ТВЭЛов новой конструкциирезультаты сравнительного анализа качества поверхности и точности размеров труб, поставляемых по старой и новой технологиям.

Результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:

1-я Российская конференция «Трубы России — 2004», Екатеринбург, 10 -12 марта, 2004;

ХП1 Международная научно-практическая конференция «Трубы-2005», Челябинск, 27 — 29 сентября, 2005;

2-я ежегодная конференция «Нержавеющие и специальные стали 2006», Запорожье, 8−9 июня, 2006;

XIV Международная научно-практическая конференция «Трубы-2006», Челябинск, 19−21 сентября, 2006;

Ярмарка инновационных проектов «АЭС-2006» и Новая технологическая платформа атомной энергетики, Москва, 24 апреля 2007 года;

II отраслевой инновационный Форум Федерального агентства по атомной энергии, Москва, 26 июня 2007 года;

XV Международная научно-практическая конференция «Трубы-2007», Челябинск, 18−20 сентября, 2007.

По материалам диссертации опубликовано 7 статей в журналах, 8 докладов в материалах конференций, получено 2 авторских свидетельства СССР, 5 патентов РФ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 67 наименований и содержит 160 страниц текста, 43 рисунка, 17 таблиц и приложения на 3 страницах.

Результаты исследования экзоэлектронной эмиссии инструментальных материалов хорошо согласуются с выводами анализа энергетических характеристик системы карбид (нитрид, оксид) — металлы группы железа.

С использованием сформулированных критериев разработан способ волочения, который позволил исключить адгезионное разрушение поверхностного слоя металла в контакте трения инструмент — металл.

На основе этого способа разработана технология и освоено производство труб размерами 6,0×1,0 — 55×2,5 мм из коррозионностойкой стали 02Х17Н14М2-ИИД по ТУ 14−159−213−92 для систем транспортирования сверхчистых сред. По сравнению с существующей новая технология позволяет получить трубы с субмикронной (Rmax < 0,56 мкмRa < 0,20 мкм) чистотой поверхности канала. Трубы с такой поверхностью характеризуются новыми эксплуатационными свойствами. Применение этих труб в других областях, например, в энергетическом и химическом машиностроении, обеспечит повышение ресурса и надежности работы трубопроводных систем.

Разработана технология и освоено производство прецизионных капиллярных труб размером 2,3×0,3 мм из коррозионностойкого сплава ЧС-116 по ТУ 14−159−264−97 для ТВЭЛов. Новая технология позволяет ужесточить поле допускаемых отклонений по диаметру и толщине стенки до ±0,015 мм и ввести нормирование шероховатости поверхности трубобеспечивает стабильность размеров и качества поверхности труб и, за счет этого, повышение выхода годного.

Разработана технология и освоено производство прецизионных особотонкостенных труб размерами 5,2×0,2 мм- 9,4×0,2 ммвн6,6×0,2 ммвн11,6×0,2 мм из коррозионностойкой стали ЭИ-847 по ТУ 14−159−293−2005 для ТВЭЛов новой конструкции. Данная технология обеспечивает гарантированную точность размеров труб, как по наружному так и по внутреннему диаметру ± 0,020 мм и по толщине стенки ± 0,030 мм. До настоящего времени особотонкостенные трубы с указанной точностью размеров не изготавливались.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На рынке нержавеющих труб в ближайшее время ожидается значительное увеличение потребности в трубах для атомной промышленности. Ужесточение требований к безопасности АЭС определяет новые, более высокие требования к качеству труб. Это делает актуальной задачу повышения качества поверхности и точности размеров холоднодеформируемых труб из коррозионностойких сталей. Одновременно с повышением качества должна быть обеспечена конкурентоспособность труб на внутреннем и внешнем рынках.

Это означает, что требуются новые технические решения. Одно из таких решений — применение волочения нержавеющих труб на оправке. Для реализации возможности волочения нержавеющих труб на оправке принципиальное значение имеет решение проблемы налипания металла.

Как показал анализ способов количественной оценки адгезионного взаимодействия рассчитать работу адгезии на границе твердых тел практически невозможно. Экспериментальные методы определения адгезионной прочности сцепления на границе твердых тел применимы лишь для сравнительных испытаний в пределах одной системы материалов.

Высказано предположение о существовании аналогии между двумя физическими явлениями: процессом фрикционного разрушения поверхности металла в контакте трения и известным процессом смачивания твердого тела расплавом металла. Такой подход позволил использовать имеющиеся и систематизированные в литературе экспериментальные данные по смачиванию широкого класса тугоплавких соединений.

Исследован механизм адгезионного разрушения поверхностного слоя металла при волочении труб и установлена связь между процессом налипания металла на инструмент и характеристиками процесса смачивания (краевой угол смачивания, работа адгезии и работа когезии) в системе карбид (нитрид, оксид) — металлы группы железа. Экспериментальным путем определено отношение работы адгезии к работе когезии, при котором в системе инструмент-металл достигается качественное изменение механизма фрикционного взаимодействия и качественное изменение структуры поверхности металла. На основе полученных данных сформулирован критерий выбора тугоплавких соединений на этапе разработки инструментальных материалов.

Выполнены исследования экзоэлектронной эмиссии инструментальных материалов на основе тугоплавких соединений. Из анализа работ по адгезии твердых тел высказана гипотеза о том, что адгезионная активность материала должна быть связана с его работой выхода электронов: чем больше работа выхода материала, тем меньше его адгезионная активность.

Методами фотостимулированной экзоэлектронной эмиссии и фототермостимулированной эмиссии проведены измерения электронной эмиссии ряда тугоплавких материалов и определены работа выхода и энергия активации этих материалов.

Проведены исследования интенсивности адгезионного взаимодействия этих же материалов в контакте трения инструмент-металл. Выявлена связь между эмиссионными параметрами (работа выхода, энергия активации) материала инструмента и параметром шероховатости поверхности труб после волочения. На основе этой связи сформулирован критерий выбора инструментального материала по его эмиссионным параметрам.