Экспериментально-расчетная оценка остаточных сварочных деформаций обечаек турбинных водоводов ГЭС
Применение электрошлаковой сварки при изготовлении обечаек турбинных трубопроводов гидроэлектростанций сопровождается их формоизменением под действием остаточных сварочных деформаций. Приведены расчетные зависимости формоизменения обечаек, учитывающие их геометрические размеры и технологические факт...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2007 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2007
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99398 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Экспериментально-расчетная оценка остаточных сварочных деформаций обечаек турбинных водоводов ГЭС / В.Н. Панин // Автоматическая сварка. — 2007. — № 5 (649). — С. 15-19. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860172527828992000 |
|---|---|
| author | Панин, В.Н. |
| author_facet | Панин, В.Н. |
| citation_txt | Экспериментально-расчетная оценка остаточных сварочных деформаций обечаек турбинных водоводов ГЭС / В.Н. Панин // Автоматическая сварка. — 2007. — № 5 (649). — С. 15-19. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Применение электрошлаковой сварки при изготовлении обечаек турбинных трубопроводов гидроэлектростанций сопровождается их формоизменением под действием остаточных сварочных деформаций. Приведены расчетные зависимости формоизменения обечаек, учитывающие их геометрические размеры и технологические факторы при изготовлении.
Application of electroslag welding in fabrication of shells of turbine penstocks in hydroelectric stations leads to a change of their shape under the action of residual welding deformations. Calculated dependencies of shell shape change are given, allowing for their geometrical dimensions and technological factors in manufacturing.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:58:26Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791:621.643.1/.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА
ОСТАТОЧНЫХ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ОБЕЧАЕК
ТУРБИННЫХ ВОДОВОДОВ ГЭС
В. Н. ПАНИН, канд. техн. наук (ОАО ИТЦ «Прометей», г. Чехов, РФ)
Применение электрошлаковой сварки при изготовлении обечаек турбинных водоводов гидроэлектростанций соп-
ровождается их формоизменением под действием остаточных сварочных деформаций. Приведены расчетные
зависимости формоизменения обечаек, учитывающие их геометрические размеры и технологические факторы при
изготовлении.
К л ю ч е в ы е с л о в а : электрошлаковая сварка, турбинные
трубопроводы, обечайки, остаточные сварочные дефор-
мации, стрела прогиба, расчет формоизменения
Обечайки турбинных трубопроводов (водоводов)
являются составными элементами водопропуск-
ного тракта ГЭС и изготавливаются непосредс-
твенно на промышленных полигонах строящихся
объектов. Схема обечаек и их геометрические ха-
рактеристики приведены на рис. 1 и в таблице. При
этом один из наиболее распространенных техно-
логических вариантов их изготовления предусмат-
ривает сборку обечаек из отдельных элементов (сек-
торов) в вертикальном положении и последующую
электрошлаковую сварку пазовых стыков.
Известно [1, 2], что применение сварки для
изготовления подобных конструкций приводит к
их формоизменению вследствие наличия остаточ-
ных сварочных деформаций. Имеющиеся расчет-
ные схемы прогнозирования деформаций относят-
ся в основном к судовым конструкциям. Кроме
того, они получены для ручной дуговой и авто-
матической сварки под флюсом, мощность теп-
ловложения которых значительно меньше по срав-
нению с электрошлаковой. Применительно к обе-
чайкам турбинных трубопроводов, выполняемых
с применением электрошлаковой сварки, эти све-
дения носят экспериментальный характер.
Целью настоящей работы являлось получение
расчетных зависимостей формоизменения обечаек
от их геометрических размеров (длины, диаметра,
толщины), а также технологических факторов при
их изготовлении.
Замеры деформаций проводили на натурных
обечайках. При этом режимы электрошлаковой
сварки пазовых стыков соответствовали штатной
технологии. Кроме того, последняя предусматри-
вала сведение к минимуму влияния поперечных
деформаций, возникающих в стыке при сварке,
в результате установления жесткостей в виде скоб
по всей длине стыка, поэтому основное формо-
изменение происходило за счет наличия продоль-
ного поля напряжений и проявлялось в выходе
пазового стыка из плоскости.
Замеры стрелки прогиба проводили до и после
сварки с помощью металлической линейки и стру-
ны непосредственно в районе стыка, а также на
определенном расстоянии от него по заранее на-
несенной сетке. Разницу между этими замерами
принимали за фактическую величину прогиба.
При этом фиксировали режим сварки, а также ве-
личину зазоров в стыке до и после сварки. Ре-
зультаты проведенных замеров после обработки
представлены в виде схемы развертки оболочки
© В. Н. Панин, 2007
Рис. 1. Схематическое изображение экспериментальных тур-
бинных водоводов ГЭС: а — обечайки с переменными L/R и
толщиной δ; б — звено с продольными секторами «скорлупа-
ми» L/R = 2, δ = 25 мм; в — звено с продольными секторами
L/R = 1, δ = 25 мм
5/2007 15
(рис. 2). По аналогичной схеме обработаны ре-
зультаты замеров прогибов 20 обечаек различных
геометрических размеров. Полученные данные
максимальных прогибов подвергали статистичес-
кой обработке [3].
Данные расчета доверительных интервалов по-
казывают, что стрелки максимального прогиба из-
меняются в довольно широких пределах со сред-
ним коэффициентом вариации 15…30 %. В таком
широком интервале изменений прогибов сравне-
ние по критериям равенства дисперсий и средних
значений показывает незначимость влияния гео-
метрических размеров обечаек на величину про-
гибов. Это объясняется тем, что при сварке рас-
сматриваемых оболочечных конструкций в мон-
тажных условиях существенное влияние на
величину прогибов оказывают основные парамет-
ры процесса сварки, влияющие на уровень де-
формации, в частности, величина погонной
энергии. Последняя зависит от тепловложения при
сварке, что, в свою очередь, определяется режи-
мом сварки (ток, напряжение, скорость сварки и
т. д.). Изменение скорости
сварки в рассматриваемых ди-
апазонах (2,5…4 м/ч) умень-
шает прогиб в 2...3 раза. В то
же время в ходе проведения
работы выяснено, что зазоры
в продольных стыках изменя-
ются в значительных пределах
(20…32 мм), что превышает
нормативные требования тех-
нологии электрошлаковой
сварки (24 ± 2 мм). При этом
значение погонной энергии в
зависимости от зазора в ука-
занных пределах для толщины
свариваемого металла 25 мм в
среднем изменяется в 1,5…2
раза, аналогичная ситуация наблюдается и на дру-
гих толщинах.
Для повышения чистоты опытов в ходе экс-
периментов были собраны несколько обечаек со
стыками с одинаковыми зазорами (26 мм) и за-
варены на одинаковом режиме. В этом случае про-
гиб изменялся в пределах 1 мм и коэффициент
вариации составлял 6…7 %, что в 2...4 раза ниже
общего уровня коэффициента вариации, отмечен-
ного выше.
Таким образом, незначимость геометрических
размеров обечаек на величину прогибов, отмечен-
ная выше, является следствием изменения погон-
ной энергии сварки, которая, в свою очередь, за-
висит от величины зазоров в стыке, толщины сва-
риваемого металла и мощности тепловложения.
В то же время выполнение нормативных требо-
ваний по подготовке стыков под сварку приводит
к стабильности погонной энергии сварки по всей
длине, что обусловливает существенное снижение
коэффициента вариации остаточных прогибов. В
ситуации постоянства погонных энергий величина
остаточных прогибов, а следовательно, формоиз-
менение всей оболочки будет определяться ее ге-
ометрическими размерами.
Необходимо также отметить, что указанное
формоизменение оболочки имеет сложный харак-
тер. В плоскости максимальных прогибов она
представляет собой криволинейный контур с
внутренней вогнутостью в области стыка, по мере
удаления от которого знак остаточных деформа-
ций меняется на обратный (выпуклость наружу)
с последующим уменьшением деформаций до ну-
ля (рис. 3). При этом величина В, которая опре-
деляет зону сопротивления оболочки ее формо-
изменению и где величина прогиба изменяется
от максимальной (в зоне стыка) до нуля, как по-
казали экспериментальные данные, при макси-
мальном прогибе минимальна, и наоборот (рис. 4).
Если длина обечайки L меньше ее диаметра
2R, то продольное укорочение пазового сварного
Геометрические характеристики обечаек и средние прогибы
№ п/п
Размеры обе-
чайки(D – L) δ, мм Средняя величина
прогиба f, мм
Среднее
квадратическое
отклонение S, мм
Диапазон прогиба в
95%-м доверитель-
ном интервале
f ± 2S, мм
1 (6000 – 1450) 25 7,6 1,9 4...12
2 (6000 – 3000) 25 10,2 3,2 4...12
3 (6000 – 3000) 25 9,4 3,3 3...16
4 (6000 – 6000) 25 19,3 — —
5 (6000 – 2000) 22 7,7 2,1 4...12
6 (6000 – 1680) 36 8,5 1,6 5...12
7 (6000 – 2300) 32 7,8 1,0 6...10
Пр и м е ч а н и я . 1. В № 3 применяли сварку с порошковым присадочным материалом.
2. D — диаметр; L — длина; δ — толщина обечайки.
Рис. 2. Схема распределения прогибов на обечайке при элек-
трошлаковой сварке продольного стыка (D = 6000 мм, δ =
= 25 мм)
16 5/2007
соединения не будет восприниматься всем сече-
нием обечайки, а только его участками, лежащими
справа и слева от сварного соединения общей ши-
риной B (рис. 5). В этом случае местные дефор-
мации укорочения и изгиба определяются по фор-
муле
f = ϕL
8 = VL2z
8J , (1)
где J — момент инерции части кольцевого сечения
обечайки шириной B, сопротивляющейся изгибу
от продольного укорочения сварного соединения,
см4; z — расстояние центра тяжести объема до
пересечения центральной оси с внутренней стен-
кой части обечайки шириной b, см; f — стрелка
прогиба паза в плоскости, проходящей через ли-
нию паза и ось цилиндра, см; V — погонный объем
продольного укорочения, см3. Для конструкций
из низкоуглеродистых и низколегированных ста-
лей
V ≅ 3,6⋅106qп, (2)
где qп — погонная энергия одного прохода,
кал/см.
Используя соотношение
z
J = 30
δR2α3 (3)
и данные экспериментальных исследований, автор
работы [1] для коротких обечаек (L < 2R) уста-
новил следующую зависимость прогиба пазовых
стыков:
f = 15
4 VR
K3δL
≅ 14VR
δL
,
(4)
которая существует при условии α = K LR, где
K ≅ 0,65.
Проверка применимости формулы (4) для рас-
чета прогибов пазовых швов оболочек, рассмат-
риваемых в настоящей работе, показала, что рас-
четные данные не соответствуют эксперименталь-
ным, более того, изменения расчетного прогиба
и экспериментального по характеру противопо-
ложны. Анализ формулы (4) показывает, что с
уменьшением отношения L/R прогиб возрастает
и стремится к бесконечности. Очевидно, указан-
ная зависимость получена на основании замеров
оболочек в узкой области изменения их геомет-
рических параметров и режимов сварки, что под-
робнее будет рассмотрено ниже.
Для дальнейшего рассмотрения объединим
формулы (1)–(3) и сделаем некоторые переста-
новки их членов:
f = 13,5⋅10–6
qп
δ
L
2
R2 1
α3. (5)
Рис. 3. Характер формоизменения обечайки в плоскости мак-
симальных прогибов продольных швов обечаек звеньев тру-
бопровода
Рис. 4. Зависимость стрелки прогиба f от параметра B на
стыках обечаек, сваренных электрошлаковым способом
( — толщина металла 36, — 25 мм)
Рис. 5. Схема ширины оболочки B обечайки, сопротивляю-
щейся изгибу от продольного укорочения пазового соеди-
нения (остальные обозначения см. в тексте)
5/2007 17
Однако при расчете прогиба f по формуле (5)
необходимо знать изменение угла α от геомет-
рических параметров обечайки, в частности, дли-
ны L и радиуса R. Зависимость угла α от ука-
занных параметров следует из априорного утвер-
ждения, что чем длиннее обечайка, тем большая
часть ее поперечного сечения вовлекается в соп-
ротивление продольному укорочению сварного
соединения [1]. Решая обратную задачу путем
подстановки средних экспериментальных значе-
ний прогиба f и известных величин соотношения
L/R, а также средних значений используемых по-
гонных энергий сварки, можно определить зави-
симость реального угла α от L/R, которая при-
ведена на рис. 6, из которого видно, что с воз-
растанием L/R тенденция к увеличению угла α
сохраняется. Однако в нашем случае характер из-
менения величины α отличается от прямолиней-
ного. Кривая зависимости α от L/R аппроксими-
рована выражением
α = 0,65 ⎛⎜
⎝
L
R
⎞
⎟
⎠
0,63
. (6)
Подставляя полученное выражение в формулу
(5), после преобразования получаем эмпиричес-
кую зависимость
f = 49,2⋅10–6
qп
δ
⎛⎜
⎝
L
R
⎞
⎟
⎠
0,11
. (7)
Анализ формулы (7) показывает, что влияние
на прогиб геометрических параметров R и L нез-
начительно, но в большей степени прогиб опре-
деляется удельным тепловложением qп
⁄ δ. На ос-
новании выражения (7) построена расчетная но-
мограмма для определения стрелки максимально-
го прогиба f в зависимости от погонной энергии
qп, толщины металла δ и соотношения L/R (рис. 7).
По известным толщине металла обечайки и соот-
ношению L/R, конкретной погонной энергии опре-
деляется удельная погонная энергия qп
⁄ δ, затем
по соотношению L/R — максимальный прогиб f.
На графике зависимости qп
⁄ δ = f(qп, δ) выделена
заштрихованная область, определяющая погонные
энергии наиболее часто используемых режимов
электрошлаковой сварки (при скорости подачи элек-
трода vэ = 360…430 м/ч, диаметре электрода 3 мм,
сварочном токе Iсв = 650…750 А, зазоре между
свариваемыми кромками ∆ = 24 мм). Если вели-
чина зазора отличается от указанного, значение
qп или qп
⁄ δ должно быть умножено на попра-
вочный коэффициент K∆ (зависимость K∆ от за-
зора показана на номограмме).
Как видно из номограммы, практически для
всех рассматриваемых толщин металла оболочек
с различными соотношениями L/R в используемом
диапазоне режимов сварки прогибы изменяются
в небольшом диапазоне. Однако изменение зазора
в стыке и, как следствие, погонной энергии сварки
(за пределы регламентируемых) вызовет значи-
тельное возрастание прогиба.
Из расчетной формулы и анализа номограммы
следует, что уменьшать прогиб продольных сты-
ков обечаек, свариваемых электрошлаковой свар-
кой, наиболее рационально путем снижения по-
гонной энергии. Поскольку в ходе настоящих эк-
спериментов использовались минимально воз-
можные погонные энергии для сварки проволокой
диаметром 3 мм, то снижение уровня деформации
на данных оболочках при традиционной техно-
логии сварки практически невозможно. Однако
его можно значительно снизить при применении
сварки проволокой большого диаметра 4…5 мм,
уменьшении зазора, применении порошкового
присадочного металла, дополнительного стока
тепла (спреера) и т. д.
Необходимо отметить, что зависимость (7) мо-
жет быть использована с определенной коррек-
тировкой и при расчете деформаций тонких обо-
лочек, свариваемых другими способами сварки,
что подтверждается сравнением данных расчета
для оболочек, представленных в работе [1].
Из рис. 8 видно, что расчетные значения про-
гибов, определенные по формулам (4) и (7), весьма
близки к пределу поля разбросов эксперименталь-
ных значений для исследованных автором работы
[1] геометрических размеров обечаек.
В заключение следует отметить, что изготов-
ление обечаек турбинных водоводов ГЭС по штат-
ной технологии (с использованием электрошла-
ковой сварки) приводит к существенным формо-
изменениям этих конструкций, вызванных свароч-
ными деформациями. Максимальная стрелка про-
гиба пазового стыка за счет выхода его из плос-
кости для исследованного диапазона обечаек сос-
тавляет 3...19 мм, а контур обечайки в плоскости
максимальных прогибов представляет собой кри-
Рис. 6. Расчетная зависимость угла α от соотношения геомет-
рических размеров обечайки L/R: 1 — расчетные данные
настоящей работы (α = 0,65(L/R)0,63); 2 — расчетные данные
работы [1] (α = 0,65(L/R)); точки — эксперимент
18 5/2007
волинейную замкнутую линию с вогнутостью в
районе шва и выпуклостью на некотором рассто-
янии от него с последующим выходом на пра-
вильную окружность.
Статистический анализ полученных данных
показал незначимость влияния геометрических
размеров свариваемых обечаек на максимальные
прогибы, что объясняется большим разбросом по-
лученных экспериментальных данных (коэффици-
ент вариации 15…30 %). Последний вызван зна-
чительными отклонениями зазоров в стыках от
нормативных и, как следствие, большими коле-
баниями погонных энергий сварки.
При выполнении нормативных требований по
подготовке стыков под сварку изменение геомет-
рических размеров и погонных энергий сварки
оказывает значимое влияние на прогиб пазовых
стыков, при этом разброс экспериментальных дан-
ных характеризуется коэффициентом вариации
6…7 %.
Полученная эмпирическая зависимость оста-
точных максимальных прогибов пазовых стыков
с учетом влияния погонной энергии сварки и жес-
ткости свариваемой обечайки позволяет прогно-
зировать ее формоизменение.
Проведен расчетный анализ влияния погонной
энергии сварки, а также геометрических размеров
обечаек на максимальный прогиб пазовых стыков.
Построена номограмма, позволяющая определить
максимальный прогиб в зависимости от измене-
ния указанных выше факторов.
Расчетным путем установлено, что для обеча-
ек, применяемых в гидротехнике, основным фак-
тором, определяющим их формоизменение, явля-
ется погонная энергия сварки.
1. Кузьминов С. А. Сварочные деформации судовых кор-
пусных конструкций. — Л.: Судостроение, 1974.
2. Панин В. Н. и др. Оценка остаточных сварочных дефор-
маций обечаек турбинных водоводов ГЭС // Сварочные
работы в энергетическом строительстве. — 1982. —
Вып. 7.
3. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими ме-
тодами. — М.: Мир, 1973.
Application of electroslag welding in fabrication of shells of turbine penstocks in hydroelectric stations leads to a change
of their shape under the action of residual welding deformations. Calculated dependencies of shell shape change are
given, allowing for their geometrical dimensions and technological factors in manufacturing.
Поступила в редакцию 18.08.2006
Рис. 7. Номограмма для определения максимальной стрелки
прогиба f при электрошлаковой сварке продольного стыка
обечайки звена трубопровода
Рис. 8. Расчетные значения максимальных прогибов f про-
дольных швов обечаек толщиной 12 мм, выполненных с
использованием сварки: 1 — по формуле (4); 2 — по (7);
точки — эксперимент
5/2007 19
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99398 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:58:26Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Панин, В.Н. 2016-04-27T19:33:10Z 2016-04-27T19:33:10Z 2007 Экспериментально-расчетная оценка остаточных сварочных деформаций обечаек турбинных водоводов ГЭС / В.Н. Панин // Автоматическая сварка. — 2007. — № 5 (649). — С. 15-19. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99398 621.791:621.643.1/.2 Применение электрошлаковой сварки при изготовлении обечаек турбинных трубопроводов гидроэлектростанций сопровождается их формоизменением под действием остаточных сварочных деформаций. Приведены расчетные зависимости формоизменения обечаек, учитывающие их геометрические размеры и технологические факторы при изготовлении. Application of electroslag welding in fabrication of shells of turbine penstocks in hydroelectric stations leads to a change of their shape under the action of residual welding deformations. Calculated dependencies of shell shape change are given, allowing for their geometrical dimensions and technological factors in manufacturing. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Экспериментально-расчетная оценка остаточных сварочных деформаций обечаек турбинных водоводов ГЭС Experimental-calculation estimation of residual welding strains of shells of turbine water penstocks of hydroelectric station Article published earlier |
| spellingShingle | Экспериментально-расчетная оценка остаточных сварочных деформаций обечаек турбинных водоводов ГЭС Панин, В.Н. Научно-технический раздел |
| title | Экспериментально-расчетная оценка остаточных сварочных деформаций обечаек турбинных водоводов ГЭС |
| title_alt | Experimental-calculation estimation of residual welding strains of shells of turbine water penstocks of hydroelectric station |
| title_full | Экспериментально-расчетная оценка остаточных сварочных деформаций обечаек турбинных водоводов ГЭС |
| title_fullStr | Экспериментально-расчетная оценка остаточных сварочных деформаций обечаек турбинных водоводов ГЭС |
| title_full_unstemmed | Экспериментально-расчетная оценка остаточных сварочных деформаций обечаек турбинных водоводов ГЭС |
| title_short | Экспериментально-расчетная оценка остаточных сварочных деформаций обечаек турбинных водоводов ГЭС |
| title_sort | экспериментально-расчетная оценка остаточных сварочных деформаций обечаек турбинных водоводов гэс |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99398 |
| work_keys_str_mv | AT paninvn éksperimentalʹnorasčetnaâocenkaostatočnyhsvaročnyhdeformaciiobečaekturbinnyhvodovodovgés AT paninvn experimentalcalculationestimationofresidualweldingstrainsofshellsofturbinewaterpenstocksofhydroelectricstation |