Структурные аспекты длительного малоциклового разрушения сварных соединений дисперсионно-твердеющей стали

УДК 621.791

СТРУКТУРНЫЕ АСПЕКТЫ ДЛИТЕЛЬНОГО МАЛОЦИКЛОВОГО РАЗРУШЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕЮЩЕЙ СТАЛИ

© 2010 г. Ю.В. Полетаев, В.Ю. Полетаев

Волгодонский институт

Volgodonsk Institute

Приведены результаты испытаний сварных соединений стали 12Х18Н12Т в условиях высокотемпературного длительного малоциклового напряжения. Изучена структурная стабильность металла методами оптической и электронной микроскопии. Оценка результатов исследования не позволяет рекомендовать дисперсионно-твердеющую сталь 12Х18Н12Т для изготовления сварного оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок с реактором на быстрых нейтронах.

Ключевые слова: дисперсионное твердение; сварные соединения; стабильность структуры; длительная малоцикловая прочность; локальное разрушение; структурные факторы разрушения.

The results of tests of welded connection were steel 12H18N12T in terms of high-temperature long-term low-cycle tension. Studied the structural stability of metals by optical and electron microscopy. Assessing the results of the study does not recommend that the dispersion-hardening steel 12H18N12T for the manufacture of welded equipment and pipelines of nuclear power plants with fast neutron reactors.

Keywords: age hardening; welded connection; structure stability; long-term low-cycle tension; local breaking; structural factors destruction.

В работе использованы отрезки паропроводных труб диаметром 230 и толщиной 30 мм, вырезанные при капитальном ремонте нитки паропровода котла № 2 (сталь 12Х18Н12Т) и пароперепускной трубы (сталь ЭИ-257) в турбинном отделении Черепетской ГРЭС. На момент демонтажа оба паропровода проработали ~70 тыс. часов.

Учитывая, что данные материалы имеют известную из опыта эксплуатации склонность к локальному разрушению, было целесообразно использовать их в качестве тестовых. По химическому составу и механическим свойствам обследуемый металл отвечал требованиям нормативных документов.

Сварные соединения выполнили по технологии, принятой при производстве монтажных работ. В трубах протачивали кольцевую ассиметричную разделку со скосом одной кромки. Половину разделки заварили электродами диаметром 4 мм марки ЦТ-15, а другую -электродами марки ЦТ-26. Сварные стыки из стали ЭИ-257 подвергали термообработке (аустенизации) при 7=1373 К с выдержкой 1 час и охлаждением на воздухе. Сварные соединения стали 12Х18Н12Т испытывали в исходном после сварки состоянии и после аустенизации.

Стабильность структуры металла определяется характером и временем выделения избыточных фаз, которые могут играть положительную или отрицательную роль в зависимости от влияния на служебные свойства материала. Скорость образования карбидов, интерметаллидов и других фаз зависит от химическо-

го состава материала, величины участка химической микронеоднородности и температурно-временных условий. Выполненный флуктуационный анализ образования избыточны фаз в стали 12Х18Н12Т в состоянии после горячего передела и аустенизации (рис. 1) подтвердил результаты анализа фазового состава.

5 0

-5 -10 -15 -20 | -25 -30

0 50 100 150 атм

Рис. 1. Вероятность флуктуации избыточных фаз в стали 12Х18Н12Т: 1 - С23С6; 2 - Сг7С6; 3 - Сг3С2; 4 - ТЮ

Можно увидеть, что наибольшая вероятность появления участка химической микронеоднородности и его максимальная величина соответствует карбиду типа Ме23С6 (правая крайняя кривая 1). Однако процесс образования мелких частиц карбидной фазы ТЮ характеризуется наибольшей скоростью, что может привести к дисперсионному твердению стали

12Х18Н12Т, снижению способности материала к релаксации напряжений и повышению склонности к межзеренному разрушению при эксплуатации.

У стали 12Х18Н12Т благодаря наличию элемента-стабилизатора титана в зерне создается высокая плотность мелкодисперсных карбидов типа МеС и, преимущественно, по границам зерен наблюдаются выделения карбидов типа Ме23С6 (рис. 2). Расчеты электронограмм, полученных с этих выделений, показали, что карбиды типа МеС имеют состав ^С, возможно Т^С, К), а карбиды Ме23С6- Сг23С6.

Vi-

Деформационное старение является результатом процесса дисперсионного упрочнения, при котором атомы углерода и азота сегрегируют на дислокациях.

Выделение карбидов приводит к повышению прочности и снижению пластичности, а коагуляция их меняет свойства в обратном направлении. Прочность стали существенно зависит от формы, характера и размера карбидных частиц. Мелкодисперсные карбиды титана, упрочняя матрицу, способствуют локализации деформации и разрушению в приграничных участках зерен. Крупнодисперсные карбиды типа Ме23С6, выделяясь преимущественно по границам зерен, тормозят развитие трещин в процессе пластической деформации. Интенсивность карбидообразо-вания зависит от уровня напряжений с эф , длительности нагружения ть температуры и других факторов и влияет на кинетику локального разрушения (рис. 3).

Стэф, МПа V, мм/цикл

.1 X

х 700 X 5000

Рис. 2. Микроструктура зона сплавления стали 12Х18Н12Т

Выделений второй фазы по границам и в теле зерен тем больше, чем они ближе к сварному шву. Поэтому наиболее существенные изменения происходят в участке, непосредственно прилегающем к линии сплавления: частичное растворение мелкодисперсных карбидов и рост зерен, выделение пластинчатых карбидов дендритной формы на новых границах, которое увеличивается по мере приближения к линии сплавления.

Таким образом, прямое разупрочнение границ зерен за счет выделения на них пластинчатых карбидов типа Ме23С6 дендритной формы и относительное разупрочнение за счет развития процесса дисперсионного твердения у стали 12Х18Н12Т после сварочного нагрева может явиться основной причиной повышенной межзеренной хрупкости.

Воздействие термодеформационного цикла сварки приводит, с одной стороны, к изменению структуры и свойств металла околошовной зоны, с другой - к развитию процесса межзеренного проскальзывания.

Исходная поврежденность металла после сварки, а также дальнейшее изменение его структурного состояния в процессе длительного малоциклового на-гружения определяют кинетику несущей способности и разрушения сварных соединений аустенитной стали.

Изменение структурного состояния стали в процессе испытаний может быть связано с деформационным старением, фазовыми превращениями, рекристаллизацией и образованием субструктуры. Циклическое нагружение в условиях интенсивного развития деформационного старения приводит к снижению пластичности и повышению склонности стали к хрупкому разрушению. При этом сопротивление деформации и разрушению зависит также и от длительности цикла нагружения.

1 2 3 4

/ К °эф = G

V = 9

---1

N„

N, цикл

Рис. 3. Сводная диаграмма разрушения сварных соединений аустенитных сталей при длительном малоцикловом нагру-жении

На первой стадии малоциклового нагружения наблюдается упрочнение - повышение с эф в циклах.

Повышение сопротивления деформированию связано преимущественно с выделением мелкодисперсных карбидов титана, эффективно блокирующих дислокации, на которых они зарождаются. Такой характер выделения карбидной фазы способствовал значительному упрочнению матрицы. Именно поэтому у стали 12Х18Н12Т не наблюдается следов грубого внутризеренного скольжения, а деформация осуществляется по механизму тонкого скольжения, следы которого выявляются методом электронной микроскопии (рис. 4).

На второй стадии стабилизации процесса деформирования за счет возврата может происходить частичная релаксация с Л. Этому также способствует разупрочнение приграничных объемов зерен за счет обеднения хромом и углеродом вследствие выделения и роста карбидов типа Ме23С6.

с большой скоростью на значительную протяженность охрупченных границ.

а)

б)

в)

х 1000 а)

х 300

б)

Рис. 4. Микроструктура металла околошовной зоны стали 12Х18Н12Т после испытаний на длительную малоцикловую прочность

Тройной стык зерен является линейным дефектом структуры межзеренных границ, блокирующий проскальзывание по границам также, как сама граница зерна блокирует линии скольжения в зерне. При высокой пластичности зерен ст Л успевают релаксировать раньше благодаря микропластическим сдвигам. Однако у тройного стыка полная релаксация ст Л посредством межзеренных сдвигов невозможна из-за ограниченного числа плоскостей скольжения - границ зерен.

Поэтому основным фактором, определяющим условия развития клиновидных межзеренных трещин, является релаксационная микропластичность в объеме зерен около тройных стыков. Дальнейшее развитие процессов карбидообразования в теле и на границах зерен приводит к образованию межзеренных клиновидных трещин (рис. 5).

Слияние отдельных клиновидных трещин приводит к образованию сетки трещин, имеющих относительно невысокую скорость роста. Дальнейшее малоцикловое нагружение, способствующее поддержанию высокого уровня стэф в образцах, ускоряет интенсивность развития отдельных трещин и способствует их объединению в магистральную. При достижении магистральной трещины критической глубины начинается четвертая стадия разрушения - потеря несущей способности, сопровождающейся развитием трещины

Рис. 5. Микроструктура металла околошовной зоны стали 12Х18Н12Т после испытаний с еа = 0,5 %, тр 24 ч и 823 К:

а - образование несплошности на стыке трех зерен;

б - сетка клиновидных трещин

Суммарное содержание карбидного осадка с ростом температуры, еа и X! увеличивается в несколько раз. Так, металл околошовной зоны в состоянии после аустенизации имел количество карбидной фазы, примерно 0,1 ... 1,15 (% по массе); после испытаний с еа = 0,2, х1 = 24 часа при 823К N = 120 циклов) вес карбидного осадка составил 1,1 .1,25 (% от веса растворенной стали); после испытаний с еа = 0,5 %,

XI = 24 часа при 823К ^ = 30 циклов) вес осадка составил 2,9 ... 3,3 (% от веса растворенной стали).

При еа = 0,5 % в структуре стали 12Х18Н12Т наблюдается высокая плотность выделений мелкодисперсных монокарбидов титана в теле аустенитного зерна и обособленных крупных кубических карбидов типа Ме23С6 размером, примерно 0,2 .0,3 мкм - по границам. Также в границах имеются выделения замкнутых цепочек мелкодисперсных карбидов хрома (рис. 6). Уменьшение амплитуды деформации до еа = = 0,2 % увеличивает время испытаний. В этих условиях диффузионные процессы, сопровождающие карби-дообразование, получают наиболее полное развитие. Размер карбидов Ме23С6 увеличивается и достигает максимального значения ~ 0,4 - 0,5 мкм.

а)

б)

Рис. 6. Характер выделения карбидной фазы (а) и коагуляция карбидов (б), х100

Увеличение размера карбидных частиц происходит путем коагуляции, что приводит к уменьшению их плотности. Уменьшение плотности частиц снижает упрочнение матрицы и облегчает перемещение дислокаций либо по механизму отрыва, либо переползанием. Повышение пластичности зерна приводит к снижению жесткости напряженного состояния в приграничных участках. Снижению интенсивности разрушения способствует также образование по границам зерен разобщенных единичных включений крупнодисперсных карбидов, на которых зарождаются отдельные микронадрывы. Таким образом, структурные превращения в стали 12Х18Н12Т при малоцикловой ползучести связаны с дисперсионным упрочнением, интенсивность которого определяется условиями нагружения.

Поступила в редакцию

В этой связи сталь 12Х18Н12Т не может рассматриваться в качестве структурно-стабильной аутенит-ной стали.

Литература

1. Редькин Ю.В. Анализ методов повышения достоверности передачи данных в беспроводных сетях // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2006. Спецвыпуск. С. 45-49.

2. Прозоровский Е.Е. Организация протокола обмена данными в системе связи на базе распределительных силовых сетей // Материалы междунар. науч. конф. «Информационные технологии в современном мире» Ч. 5 Таганрог: ТРТУ, 2006. С. 66 - 72.

3. Прозоровский Е.Е. Техническая реализация приемопередающей аппаратуры связи для информационного обмена по силовым линиям электропередачи // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2006. Спецвыпуск. С. 61- 65.

18 февраля 2010 г.

Полетаев Юрий Вениаминович - канд. техн. наук, доцент, Волгодонский институт (филиал) ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8-86392-28884.

Полетаев Валерий Юрьевич - ассистент, аспирант, Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8-86392-28884.

Poletaev Yuri Veniaminovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-86392-28884.

Poletaev Valery Yurivech - post-graduate student, assistant Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-86392-28884. E-mail: valeron85@mail.ru

УДК 621.316.925

РЕЛЕЙНЫЕ ЗАЩИТЫ ОТ ДУГОВЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ И ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 6-10 кВ

© 2010 г. В.И. Нагай, С.В. Сарры, Г.Н. Чмыхалов, А.В. Луконин, И.В. Нагай, А.В. Украинцев

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Показана актуальность разработки комплексной защиты от повреждений, сопровождаемых электрической дугой, что позволит предотвратить переход однофазных повреждений в двойные замыкания на землю и междуфазные короткие замыкания в комплектных распределительных устройствах (КРУ). Приведены примеры реализации устройств дуговой защиты КРУ, защит от замыканий на землю.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние; клапан: технологические трубопроводы; форма проходного сечения; эксплуатационные и сейсмические нагрузки; собственная частота; вибростойкость.

In this article tells about relevance of developing a comprehensive protection against fault with an electric arc that will prevent change-over the single-damage to the double ground short circuit and the interphase short circuit in the package switch-gear (PSG).Had shown the examples of the implementation of the arc protection of PSG and earth fault protection.

Keywords: intense-deformed condition; valve; technological pipelines; form of section through passage; calculation; pressure; operational and seismic loadings; own frequencies; vibration strength.

Актуальность обсуждаемой проблемы. Более 70 % повреждений в сетях напряжением 6 - 10 кВ относятся к однофазным замыканиям на землю (ЗЗ),

среди которых около трети происходят через электрическую дугу с возможными перенапряжениями в электрической сети, что зачастую приводит к пробою

ослабленной изоляции на неповрежденном повреждении и переходу менее опасного повреждения - однофазного замыкания на землю, к более опасному повреждению - двойное замыкание на землю.

Сложившаяся философия построения релейной защиты от замыканий на землю не предполагает распознавания вида повреждения по степени его опасности для сети и заключается в защите отходящих от шин присоединений, не предполагая защиту шин. Возникновение замыканий на землю на шинах, являющихся элементами комплектных распределительных устройств (КРУ), в большинстве случаев из-за малых габаритных размеров КРУ приводит к междуфазным коротким замыканиям (КЗ). К такому же результату могут привести внешние по отношению КРУ замыкания через электрическую дугу, когда вторая точка пробоя оказывается внутри комплектного рас-предустройства, например, из-за пробоя изолятора, кабельной воронки и т.д.

Особого внимания требует релейная защита КРУ, имеющих ограниченную термическую стойкость при внутренних КЗ, сопровождаемых открытой электрической дугой (ЭД), что обусловило необходимость их оснащения быстродействующими дуговыми защитами (БДЗ) в соответствии с пунктом 5.4.19 действующих ПТЭ (15 издание, 1996 г.).

Решению рассматриваемой проблемы посвящена данная работа, в которой авторы изложили свои подходы в реализации указанного типа защит.

Существующие технические решения: достоинства и недостатки. Для реализации защит от замыканий на землю используются токовый, токовый направленный принципы, принцип относительного замера высших гармонических составляющих, контроль знаков первых импульсов токов и напряжений нулевой последовательности. При этом, как правило, задачей устройств на данных принципах является только выявление поврежденного присоединения. В зону действия защиты не входят отсеки шин, выключателей, трансформаторов тока (ТТ) и кабельной разделки. Отсутствует разделение замыканий на допустимые и недопустимые по уровню напряжений.

В области построения быстродействующих дуговых защит в настоящее время доминирует принцип контроля электромагнитного излучения, излучаемого столбом дуги и модуля тока [1 - 3]. В свою очередь существует два подхода к построению оптико-электрических дуговых защит, что определяется типом используемого оптического датчика и типом линии связи между измерительным органом и датчиком. В первом случае используются традиционные оптические датчики (фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фототиристоры) с электрическими линиями связи, а во втором случае - волоконно-оптические линии, используемые в качестве датчика и линий связи. Достоинством таких устройств является высокое быстродействие, абсолютная селективность. Основным недостатком является нетехнологичность монтажа в условиях эксплуатации, что обусловлено необходимостью отключения секции на длительное

время, т.к. датчики устанавливаются в высоковольтных отсеках.

Возможные пути совершенствования. Возможными путями совершенствования защит от замыканий на землю могли бы быть следующие: селекция вида однофазного замыкания на землю (металлическое ЗЗ или через перемежающуюся дугу); контроль уровня перенапряжений в сети; выявление повреждений на шинах электроустановки напряжением 6-10 кВ; выявление двойных замыканий на землю и формирование сигнала быстродействующего отключения поврежденных присоединений.

Повышение технического совершенства дуговых защит возможно за счет: совершенствования аппаратной и программной базы, решения проблемы электромагнитной совместимости с установленным оборудованием, сочетанием разных принципов построения для различных отсеков (например, для защиты шинного отсека подстанций при отсутствии на них мощной двигательной нагрузки вполне пригодна логическая защита шин), расширением информационной базы защиты и согласованием ее с защитой от замыканий на землю. Реализация рассмотренных мероприятий нашла отражение в разработанных в ЮРГТУ(НПИ) устройствах релейной защиты от замыканий на землю и дуговой защиты от междуфазных КЗ в КРУ, информация о которых приведена ниже.

Дуговые защиты КРУ. При построении дуговых защит нашли применение два типа оптических датчиков: дискретные и распределенные. В качестве дискретных оптических датчиков (ДОД) применяются полупроводниковые фотоприборы (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры) или волоконно-оптическая линия с поперечной воспринимающей частью (с линзой или без нее). Распределенные датчики используют продольную поверхность волоконно-оптической линии связи в качестве воспринимающего элемента. У каждого из этих датчиков имеются свои достоинства и недостатки. При построении БДЗ на основе дискретных оптических датчиков одной из основных задач является задача минимизации их числа, что приводит к снижению стоимости и объемов монтажно-наладочных работ, кроме того, повышает надежность защиты в целом. Минимальное число датчиков определяется возможностью обеспечения 100%-го охвата всех возможных зон повреждений в ячейках КРУ. При этом должны быть учтены чувствительность датчика, угол обзора, влияние затенений от установленного оборудования, наличие «помогающего» эффекта от многократных отражений светового потока от стенок и оборудования КРУ.

Шаг установки ДОД на боковых поверхностях шинного моста (рис. 1) без учета «помогающего» эффекта равен Д/ (датчики 1 и 2), а при его учете -Д1' (датчики 1 и 3). Это дает возможность уменьшить число датчиков при сохранении требуемой чувствительности. Подобный эффект может быть достигнут при расширении угла обзора оптического датчика за счет применения оптических линз.

« Ml ,

Ы' .

Рис. 1. Вариант установки оптических датчиков на боковой поверхности шинного моста

При Н-образной и П-образной схеме компоновке ячеек возможна расстановка ДОД по схеме, представленной на рис. 2, на котором пунктирными линиями показаны зоны чувствительности защит без учета «помогающего» эффекта, а сплошными линиями - с его учетом. Таким образом, минимальное число оптических датчиков для шинного моста Н-образного типа равно 6, а для линейного расположения ячеек может быть сокращено до 2 - 3.

Рис. 2. Вариант установки оптических датчиков на шинном мосте при Н-образной его компоновке

Затеняющий эффект наибольшей степени проявляется в отсеке высоковольтного выключателя (рис. 3).

. 1 ^ FD\ I 2 /

I

I

I

FD2

При установке датчика ЕБ1 зона его обзора показана лучами 1, а при учете многократных отражений -лучами 2. Таким образом, исключены мертвые зоны (область В). Критическая область А, образованная за счет затемнения от выключателя может быть устранена путем установки датчика ЕБ 2 или учете эффекта многократных отражений при КЗ в области А. Наличие данного эффекта продемонстрированного на рис. 4 - диаграмме светового поля в отсеке выключателя. При этом уровень освещенности в зоне А снижается по сравнению с зоной непосредственно у датчика в 4 -6 раз, но при этом остается достаточной для срабатывания измерительного органа дуговой защиты.

E, о 1

Рис. 3. Вариант установки оптических датчиков в отсеке выключателя

Рис. 4. Диаграмма светового поля в отсеке выключателя при наличии «помогающего» эффекта

Рассмотренный подход в построении быстродействующих дуговых защит нашел отражение в разработках ЮРГТУ (НПИ), дискретные оптические датчики которых реализованы на приборах с классическим фотоэффектом. Линейка этих защит включает в себя: одноканальные (РДЗ-012МТ, РДЗ-212МТ, РДЗ-015), двухканальное (РДЗ-012МТ2), трехканаль-ное и шестиканальное (РДЗ-017, РДЗ-017М) устройства и централизованно-распределенные (РДЗ-018 и РДЗ-018М - до 30 каналов) системы. Широкий ряд устройств позволяет учесть различные конструктивные особенности как самих ячеек, так и их компоновки.

На подстанциях без постоянного оперативного тока может быть применены устройства типа РДЗ-212МТ, представляющие модификацию реле типа РДЗ-012МТ или РДЗ-015М. Питание этого реле обеспечивается от комбинированного блока питания, подключаемого к измерительным ТТ и ТН (ТСН). Уменьшено потребление по цепям тока в нормальном режиме. Наличие канала тока в цепях питания позволяет обеспечить работоспособность дуговой защиты даже при включении на закоротку.

Микропроцессорная дуговая защита типа РДЗ-018М, состоящая из центрального управляющего устройства (ЦУУ), локальных модулей сбора информации (ЛМСОИ), оптических датчиков представляет централизованно-распределенную систему, сочетаю-

х

щую функции локальных устройств и централизованных систем. К ЦУУ допускается подключение до 30 ЛМСОИ и до 6 оптических датчиков к последнему. Разработан вариант формирования сигналов отключения выключателей не только от ЦУУ (вводной выключатель, секционный выключатель и коммутационный аппарат на стороне высшего напряжения трансформатора), но и выключателей линий от ЛМСОИ (рис.5). При построении дуговой защиты используется «зонный» принцип, сущность которого состоит в изменении алгоритма функционирования в зависимости от зоны повреждения, что позволяет уменьшить объем повреждения и в некоторых случаях количество отключаемого оборудования. Особыми зонами являются ячейки вводного и секционного выключателей, отсек шинного моста, при повреждении которых альтернативы отключения всей секции КРУ не существует. Напротив, при повреждении в ячейках отходящих присоединений возможно их отключение при использовании вакуумных выключателей.

Рис. 5. Схема выполнения дуговой защиты двухтрансформаторной подстанции

На рис.6 приведены примеры подключения оптических датчиков локальных устройств дуговой защиты. Конструктивно ячейки КРУ 6-10 кВ могут быть выполнены таким образом, что отсеки трансформаторов тока (ТТ), кабельной разделки и высоковольтного выключателя (ВВ) могут быть оптически связаны (ячейки 1 и 2) или разделены (ячейки 3 и 4) при нахождении выключателя в рабочем положении. В первом случае невозможно селективно определить место дугового повреждения в этих отсеках. Устройство защиты устанавливается в отсеках релейной защиты (РЗА), защищаемой ячейки. В ячейках 1 и 2 установлены одноканальные устройства защиты, контролирующие уровень освещенности (светового потока) внутри отсеков и формирующие воздействия на выключатель ввода и секционный выключатель. При объединении оптических датчиков отсеков шинного моста, выключателей и ТТ в данном случае не позво-

ляет выявить зону повреждения, что может потребовать осмотра после отключения КЗ не только поврежденной ячейки, но шинного моста. Во втором случае использование в ячейках 3 и 4 многоканальных (двух-канальное и трехканальное) устройств защиты позволяет в зависимости от зоны повреждения воздействовать как на собственные выключатели ячеек, так и на выключатель ввода и секционный выключатель.

Рис. 6. Примеры подключения оптических датчиков локальных устройств дуговой защиты

Альтернативой рассмотренному способу защиты может являться использование централизованной многоканальной микропроцессорной системы дуговой защиты (рис. 7). Устройство устанавливается в одной из ячеек КРУ и связано линиями связи с индивидуальными оптическими датчиками, устанавливаемыми в каждой ячейке. Каждому каналу при этом соответствует своя группа фотодатчиков. Алгоритмы действия защиты в данном случае предполагают воздействие, как на собственные выключатели ячеек, так и выключатели ввода и секции в зависимости от технических требований.

Рис. 7. Пример подключения оптических датчиков централизованной системы дуговой защиты

Применение централизованной системы дуговой защиты позволяет не только обеспечить селекцию поврежденного отсека, но и обеспечивать гибкое управление коммутационными аппаратами. Выполнение централизованных защит на микропроцессорной элементной базе позволяет осуществлять достаточно сложную обработку информации, передаваемой от фотодатчиков по каналам связи, включая тестовый и функциональный контроль работоспособности всей

системы в целом и по отдельным составляющим. Путем объединения устройств в систему возможно расширение числа каналов до 24 - 30, что снижает удельную стоимость защиты на одну ячейку, но существенным образом увеличивает длину и число линий связи датчиков с устройством, а также линий от устройства к цепям управления коммутационных аппаратов.

Если представить все «за» и «против» внедрения многоканальных микропроцессорных систем защиты, то на чаше «за» будут лежать: большее информационное совершенство; гибкая структура управления; возможность резервирования смежных каналов защиты; низкие эксплуатационные издержки; меньшая удельная стоимость системы защиты, которая определяется наличием всего одного блока. На другой чаше весов -«против» лежат: более высокая вероятность выхода из строя системы в целом по сравнению с локальными защитами, которая может быть компенсирована периодическими проверками работоспособности защиты и функциональным контролем; большее количество связей от объекта защиты до устройства защиты, что усложняет монтаж и делает входные каналы защиты более уязвимыми к помехам. Решение проблемы работы микропроцессорных устройств в тяжелой электромагнитной обстановке решается комплексно программно-аппаратными средствами. Несмотря на существующие аргументы «против» внедрения многоканальных систем защиты, аргументы «за» имеют явно больший вес.

Защиты от замыканий на землю. Защиты данного типа представлены двумя вариантами. Первый вариант представляет устройство типа РНМ-02(03)КИ, предназначенное для сетей с изолированной нейтралью и имеющее ряд измерительных органов: орган тока, орган напряжения, орган контроля перенапряжений, орган селекции дуговых повреждений, орган направления мощности. Разделение повреждений на допустимые и недопустимые позволяет сформировать предупредительный сигнал в первом случае и сигнал отключения во втором случае. Объединение устройств в систему позволяет выявить повреждение на шинах.

Развитием рассмотренного устройства явилась разработка микропроцессорной защиты РЕНОМ-04 для сетей с любым типом режима нейтрали (рис. 8).

Кроме измерительных органов, представленных в устройстве РНМ-02КИ и реализованных программно, дополнительно введены измерительные органы высших гармонических составляющих тока относительного замера, импульсный орган сравнения знаков токов и напряжений нулевой последовательности. Подобный набор измерительных органов позволяет обеспечить выявление поврежденного присоединения как в сети с изолированной нейтралью, так и в сети с компенсацией емкостных токов. В первом случае устройства могут работать локально, а во втором должны быть объединены в систему, где осуществляется обмен информацией между ними.

Модернизация устройства РЕНОМ-04Л позволила использовать его в локальном варианте без обмена информацией между отдельными элементами системы защиты, что во многих случаях упрощает ее эксплуатацию. В этом случае для селективного выявления повреждения в режиме перекомпенсации используется контроль фазовых соотношений высших гармонических составляющих.

Перспективными являются защиты, использующие принцип относительного замера величин [4]. Такие защиты не требуют отстройки от собственных ёмкостных токов присоединений, чувствительны к замыканиям через переходное сопротивление. В ЮРГТУ(НПИ) выполнена разработка микропроцессорного устройства защиты (сигнализации) от ОЗЗ типа РЕНОМ-04Т, работающего по принципу относительного замера, измеряющего сумму высших гармоник в токе ОЗЗ (рис. 9).

Рис. 8. Микропроцессорная система защиты от замыканий на землю типа РЕНОМ-04

Рис. 9. Схема подключения устройств устройства РЕНОМ-04Т

Определение поврежденного присоединения производится с использованием принципа относительного замера уровня высших гармоник в токе НП. Содержание высших гармоник в токе ОЗЗ в зависимости от особенностей электрической сети (количества и характера источников высших гармоник, режимов их работы, режимов работы сети и др.) может изменяться от единиц до десятков процентов. Принцип относительного замера основан на сравнении уровней высших гармоник в токах ОЗЗ всех присоединений защищаемого объекта, что позволяет избавиться от проблемы определения уставки, существующей для

в

устройств с абсолютным замером. При внутреннем ОЗЗ содержание высших гармоник в поврежденном присоединении всегда больше, чем в любом из неповрежденных присоединений. Сравнивая показания измеряемой величины тока при ОЗЗ, полученные от каждого из устройств, находится максимальное значение и по нему определяется поврежденное присоединение. Измерение проводится по всем присоединениям одновременно, чтобы исключить изменение во времени параметров сети, и, как следствие, величин токов высших гармоник. Временная характеристика измерительных органов (ИО) выполняется обратно-зависимой от тока.

Выводы

1. С учетом опыта разработки и эксплуатации рассмотренных выше защит, можно отметить целесообразность объединения двух защит в одну комплексную защиту, что позволит на основе увеличившихся информационных ресурсов:

- предотвратить (или сократить) развитие однофазных замыканий на землю внутри КРУ в междуфазные КЗ;

- предотвратить (или сократить) развитие однофазных замыканий на землю во внешней сети в двойные замыкания на землю;

- повысить технологичность монтажа устройств дуговой защиты за счет применения разных принципов ее построения для различных зон КРУ;

- увеличить быстродействие защит от междуфазных КЗ при переходе однофазного замыкания на землю в двойное замыкание на землю.

Поступила в редакцию

2. Сочетание локальных, централизованных и распределенных централизованных устройств и систем дуговой защиты с учетом конструктивных особенностей и числа ячеек КРУ и коммутационных аппаратов позволяет обеспечить минимизацию аппаратных затрат и объемов монтажных и наладочных работ.

3. Для подстанций с небольшим числом ячеек на одной секции (5-8 ячеек) может быть рекомендовано применение как локальных, так и многоканальных систем; на подстанциях с большим числом ячеек могут быть рекомендованы многоканальные системы защиты (6-8 каналов) с делением ячеек на группы; на подстанциях с числом ячеек более 16 обосновано применение как многоканальных (централизованных), так и распределенных централизованных защит.

Литература

1. Нагай В.И. Быстродействующие дуговые защиты КРУ: современное состояние и пути совершенствования // Новости электротехники. 2003. № 5(23). С. 48 - 52.

2. Нагай В.И. Релейная защита ответвительных подстанций электрических сетей. М.: Энергоатомиздат, 2002. 312 с.

3. Нагай В.И., Сарры С.В., Рыбников А.С. Повышение информационного совершенства быстродействующей релейной защиты КРУ от дуговых коротких замыканий // Электротехника - 2010 год. Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения электроэнергии: сб. докл. VI симпозиума, Моск. обл. 27-29 мая 2003 г. М.:ВЭИ, 2003. Т.1. С. 243 - 248.

4. Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001.

18 февраля 2010 г.

Нагай Владимир Иванович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Электрические станции», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255-291. E-mail: nvi53@mail.ru, nagay@novoch.ru

Сарры Сергей Владмирович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255-291. E-mail: npi08@mail.ru

Чмыхалов Геннадий Николаевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электрические станции», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255-291.

Луконин Алексей Валерьевич - инженер, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255-291. E-mail: npi08@mail.ru

Нагай Иван Владимирович - аспирант, кафедра «Электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255-291. E-mail nagayiv@mail.ru

Украинцев Александр Валерьевич - аспирант, кафедра «Электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255-291. E-mail: npi08@mail.ru

Nagay Vladimir Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Electrical Station», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255-291. E-mail: nvi53@mail.ru, nagay@novoch.ru

Sarry Sergei Vladmirovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electrical Station», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255-291. E-mail: 251-568 npi08@mail.ru

Chmyhalov Gennady Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electrical Station», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255-291.

Lukonin Aleksei Valerevich - engineer, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255-291. E-mail: npi08@mail.ru

Nagay Ivan Vladimirovich - post-graduate student, department «Electrical Station», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255-291. E-mail nagayiv@mail.ru

Ukraincev Alexander Valerevich - post-graduate student, department «Electrical Station», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255-291. E-mail: npi08@mail.ru

УДК 621.311

АНАЛИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ЮЖНОГО РЕГИОНА И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА ТРЕТЬЕГО БЛОКА

ВОЛГОДОНСКОЙ АЭС

© 2010 г. Е.С. Молошная, Е.Н. Супрунова

Волгодонский институт

Южно-Российского государственного of South-Russian

технического университета (Новочеркасского State Technical University

политехнического института)

Проведен анализ состояния электроэнергетики Южного региона, рассмотрены и учтены факторы, влияющие на уровень и динамику энергопотребления. В результате анализа выявлен ярко выраженный дефицит электроэнергии, что обуславливает необходимость ввода новых генерирующих мощностей в Южном регионе, для покрытия возрастающих электрических нагрузок и обеспечения эффективной и надежной работы. В качестве частичного решения проблемы предложен и обоснован вариант строительства и ввода в работу третьего блока Волгодонской АЭС.

Ключевые слова: объединенная энергосистема Юга; дефицит электроэнергии; электрические нагрузки; генерирующие мощности; атомная электростанция; 3-й блок Волгодонской атомной электростанции.

In the given work the analysis ofpower industry state of Southern region is done, the factors influencing the level and dynamics of power consumption are considered and taken into account. As a result of the analysis strongly marked deficiency of electric power is revealed, which causes the necessity of new generating capacities input in the Southern region, for growing electric loadings defrayal and maintenance of effective and reliable work. As the partial decision of the problem the variant of construction and putting into operation of the third unit of Volgodonsk NPP is offered and proved.

Keywords: unified power system of the South; deficiency of the electric power; electric loadings; generating capacities; nuclear power plant; the 3-rd block of Volgodonsk nuclear power plant.

Объединенная энергосистема Юга (ОЭС Юга) обеспечивает параллельную работу единой энергосистемы России с энергосистемами Украины, Азербайджана и Грузии. На территории ОЭС расположено 12 районных энергосистем (рис. 1).

На протяжении последних восемь лет Россия демонстрирует устойчивую положительную динамику роста электропотребления, не является исключением и Южный регион (табл. 1).

Однако в последнее время в результате роста энергопотребления в сочетании с недостаточными инвестициями в генерирующие и сетевые активы наблюдается дефицит энергетических мощностей [1]. Нарастание дефицита энергетических мощностей повышает вероятность сбоев и аварий в энергоснабжении, ведет к отказам в подключении новых потре-

бителей (ежегодно выполняется всего лишь 15 - 30 % заявок) и, как следствие, может стать естественным ограничителем дальнейшего роста экономики в регионе.

Таблица 1

Установленная мощность и выработка ЭС ОЭС Юга

ОЭС Юга Установленная мощность, МВт Выработка, млн кВт-ч

Всего 16142,9 69706,2

ТЭС 9290,0 38979,3

ГЭС 5369,7 21803,2

АЭС 1000,0 7606,8

ВЭС 1,0 0

Рис. 1. Карта-схема основной сети ОЭС Юга

Из графика, изображенного на рис. 2, видно, что потребление мощности ОЭС Юга значительно превышает ее генерацию.

Покрытие дефицита электроэнергии и мощности по ОЭС Юга осуществляется из ОЭС Центра и ОЭС Средней Волги, однако подача энергии и мощности их других энергосистем в регион не является выходом из сложившейся ситуации.

Произведен анализ факторов, влияющих на уровень и динамику энергопотребления: численность населения, его естественная убыль и миграция, средняя реальная заработная плата, уровень безработицы, ввод в действие жилых домов, количество действующих предприятий на территории региона, индекс промышленного производства. Если смотреть укрупнен-но, на энергопотребление Южного региона будут оказывать воздействие два фактора.

Первым фактором является положительная динамика численности населения на Юге России. Наличие кадрового потенциала в регионе и возможность промышленного роста приведет к увеличению темпов роста потребления электричества.

Второй основополагающий фактор - динамика развития промышленного производства и увеличение жилищного строительства.

На основе проведенного анализа можно сделать вывод о необходимости развития электроэнергетики в регионе темпами, опережающими рост спроса на электрическую энергию и мощность. Ликвидация разрыва между генерацией и потреблением мощности и электроэнергии в энергосистеме Юга не может быть осуществлена без введения новых генерирующих мощностей, а также увеличения в структуре генерирующих мощностей доли атомных станций. Увеличение в структуре генерирующих мощностей доли именно атомных станций целесообразно, поскольку другие источники производства энергии, в рассматриваемой для региона перспективе, не могут стать реальной альтернативой АЭС ни по масштабам, ни по ожидаемым технико-экономическим показателям [2].

Одной из составляющих решения проблемы дефицита электроэнергии в Южном регионе является ввод третьего блока Волгодонской АЭС, при строительстве которого, возможно использование большинства ресурсов блока №1 и 2 Волгодонской АЭС:

- использование стройплощадки со вспомогательными сооружениями (подъездные пути, цеха подготовки строительных материалов, подстанции электроснабжения);

- использование ОРУ 500 кВ и ОРУ 220 кВ для выдачи мощности, при условии выполнения ряда работ по их расширению;

- использование вспомогательных цехов, обеспечивающих работу основных (реакторный цех, турбинный цех);

- привлечение ремонтного персонала существующих блоков к предмонтажной ревизии оборудования.

Проект строительства третьего блока Волгодонской АЭС учитывает все требования норм и правил атомной энергетики. Площадка АЭС удовлетворяет всем требованиям метеорологии, геологии, сейсмологии.

Строительство и ввод в работу третьего блока позволит частично обеспечить покрытие возрастающих нагрузок электроэнергии, повысить надежность электроснабжения потребителей, тем самым позволит избежать сдерживания экономического развития Южного региона.

260

ГЧ ГЧ ГЧ ГЧ ГЧ ГЧ ГЧ oi ГЧ ГЧ ГЧ ГЧ oi СП

о о о о о о о о

гч гч гч гч

гчгчгчгчгчгчгчгчгчгч

снснснснснснснснснснснснснсп

су> суз суз ООО ООО

гч гч гч

СП ГО СП

СУЗ СУЗ О) СУЗ СУЗ

о о о о о

о о о о о

гч гч гч гч гч

СП СП СП СП СП

ооооооооооооооооооооооооооооо

ГО f Ш (О MD т-

гч гч гч гч гч гч о

CN (П Ч- m (D N Ш

Рис. 2. Генерация (серый цвет) и потребление (черный цвет) мощности ОЭС Юга в период с 23.02 - 2009 по 26.03.2009 г.

До ввода третьего энергоблока на Волгодонской АЭС, планируемого в 2014 г., дефицит мощности ОЭС Юга может достигнуть 2000 - 2100 МВт, электроэнергии 10 - 10,5 млрд кВт-ч. С вводом третьего блока в 2014 году дефицит ОЭС Юга уменьшится и составит 400 - 45 МВт по мощности и около 2 млрд кВт-ч по электроэнергии.

Поступила в редакцию

Литература

1. Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики до 2020 года. 2008.

2. 80 лет развития энергетики. От плана ГОЭЛРО к реструктуризации РАО «ЕЭС России»/под ред. А.Б. Чубайса. М.:АО «Информэнерго»,2000.

18 февраля 2010 г.

Молошная Елена Семеновна - старший преподаватель, кафедра «Электротехника и автоматика», Волгодон-ский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8(863)9227866.

Супрунова Евгения Николаевна - студент, кафедра «Электротехника и автоматика», Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 26-21-53. E-mail: whiphand@mail.ru

Moloshnaja Elena Semenovna - senior lector, department «Electrical Engineering and Automatics», Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(863)9227866.

Suprunova Eugeny Nikolaevna - student, department «Electrical Engineering and Automatics», Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 26-21-53. E-mail: whiphand@mail. ru_

УДК 621.791

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И РАБОТЫ СВАРОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ СВАРКЕ АЛЮМИНИЯ

© 2010 г. В.А. Фролов, А.В. Загумов

Волгодонский институт

Южно-Российского государственного of South-Russian

технического университета (Новочеркасского State Technical University

политехнического института)

Рассмотрены особенности технологии сварки алюминия. Предложена схема тиристорного источника переменного тока повышенной частоты.

Ключевые слова: сварочный источник питания; сварка неплавящимся электродом; обратная связь.

The features of technology of aluminium welding are considered. The circuit of a thyristor source of the alternate current of raised frequency is offered.

Keywords: the welding power supply; weld by not fusing electrode; a converse connection.

Алюминий и его сплавы играют важную роль в современной промышленности. Это обусловлено тем, что большинство промышленных сплавов алюминия обладает рядом уникальных свойств: сочетание высоких механических свойств (высокая удельная прочность бв/у) и физических свойств (малая плотность у, высокая теплопроводность, которая в 3-3,5 раза выше, чем у стали). Основными областями применения являются транспорт (авиационная промышленность, кораблестроение, вагоностроение), строительство (металлоконструкции общего назначения) и упаковочная промышленность.

В настоящее время в России наиболее распространена аргонодуговая сварка неплавящимся элек-

тродом алюминия и его сплавов на переменном токе. Этот метод не является оптимальным для всех видов сварных соединений, так как имеет недостаточно высокую производительность. Механизированная сварка плавящимся электродом в среде аргона, например, обеспечивает в 4 - 5 раз большую производительность, но худшее удаление окисных пленок. Это должно отрицательно сказываться на механических свойствах сварных соединений. Механизированная импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом, которая мало применяется в России, устраняет этот недостаток, однако свойства сварных соединений изучены недостаточно. Появившиеся в последнее время современные источники питания, например,

ВД-306ДК, использующие комбинированную вольт-амперную характеристику (ВАХ имеет ряд участков, каждый из которых отвечает за определенную стадию массопереноса, включая формирование капли, ее отрыв от электрода и перенос в сварочную ванну), вообще не исследованы в области технологических свойств при сварке алюминия и его сплавов. Инвер-торные источники питания ввиду минимального распространения в России, также не имеют практического опыта промышленного применения в области сварки указанных соединений. Метод плазменной сварки алюминия известен более широко, но имеет распространение в основном за рубежом.

Технология сварки алюминия и его сплавов достаточно многообразна, виды сварки перечислены выше и имеют ряд особенностей. К числу основных особенностей сварки алюминия и его сплавов любым из перечисленных методов относятся: необходимость удаления окисной пленки с поверхности свариваемых изделий, тщательная подготовка под сварку, предварительный подогрев и др. В работе [1] приведены основные трудности сварки алюминия и его сплавов. К ним относятся:

1. Наличие и возможность образования тугоплавкого окисла А12О3 (Тш = 2050 °С) с плотностью больше, чем у алюминия, затрудняет сплавление кромок соединения и способствует загрязнению металла шва частичками этой пленки.

2. Резкое падение прочности при высоких температурах может привести к разрушению (провалива-нию) твердого металла нерасплавившейся части кромок под действием веса сварочной ванны. В связи с высокой жидкотекучестью, алюминий может вытекать через корень шва.

3. В связи с большой величиной коэффициента линейного расширения [а = (21:24,7)10-6 °СЧ] и низким модулем упругости сплав имеет повышенную склонность к короблению. Уровень сварочных деформаций в 1,5 - 2 раза выше, чем у аналогичных стальных конструкций.

4. Необходима самая тщательная химическая очистка сварочной проволоки и механическая очистка и обезжиривание свариваемых кромок. В связи с резким повышением растворимости газов в нагретом металле и задержкой их в металле при его остывании возникает интенсивная пористость, обусловленная водородом, приводящая к снижению прочности и пластичности металла. Предварительный и сопутствующий подогрев замедляет кристаллизацию металла сварочной ванны, что способствует более полному удалению газов и снижению пористости.

5. Вследствие высокой теплопроводности алюминия необходимо применение мощных источников теплоты. С этой точки зрения в ряде случаев желательны подогрев начальных участков шва до температуры 120 - 150 °С или применение предварительного и сопутствующего подогрева.

6. Металл шва склонен к возникновению трещин в связи с грубой столбчатой структурой металла шва и выделением по границам зерен легкосплавных эвтек-

тик, а также развитием значительных усадочных напряжений в результате высокой литейной усадки алюминия (7 %).

Окисная пленка на поверхности алюминия и его сплавов затрудняет процесс сварки. Обладая высокой температурой плавления (2050 °С) она не растворяется в жидком металле в процессе сварки. Попадая в ванну, она затрудняет сплавление между собой частиц металла и ухудшает формирование шва. Важной характеристикой окисной пленки алюминия является ее способность адсорбировать газы, в особенности водяной пар. Поэтому, окисная пленка является источником газов, растворяющихся в металле, и косвенной причиной возникновения в нем несплошностей различного рода.

Естественная защитная пленка имеет значительную толщину и ее удаление в процессе сварки весьма затруднительно. Поэтому поверхность соединяемых деталей и проволоки очищают от слоя окиси непосредственно перед сваркой и создают на ней искусственный слой окиси, который сохраняется достаточно тонким в течение 8 - 16 ч. Полученный тонкий слой окиси алюминия сравнительно легко удаляется электрической дугой или с помощью флюса во время сварки.

Так как в атмосферных условиях толщина образованной пленки, хотя и более медленно, но все же увеличивается, подготовленные к сварке детали необходимо сварить в течение 24 часов, а сварочную проволоку использовать в течение 8 часов. Различие в сроке хранения подготовленных к сварке деталей и проволоки обусловлено тем, что непосредственно перед сваркой соединяемые кромки деталей дополнительно очищают от окисных пленок механическим путем — проволочной щеткой, а затем шабером. Образовавшаяся после механической зачистки тончайшая пленка окиси легко удаляется сварочной дугой, горящей в среде инертных газов. Весьма эффективно происходит удаление окиси с поверхности металла, имеющего отрицательный потенциал. Присутствующие в дуге положительные ионы инертных газов разгоняются катодным напряжением и ударяют в поверхностный слой окисной пленки. Процесс обработки свариваемого металла положительными ионами называют катодным распылением. Результаты этого процесса остаются в виде беловатых полос по сторонам шва. Менее эффективно удаление окиси алюминия с поверхности свариваемого металла происходит, когда он имеет положительный потенциал. Окись алюминия в этом случае разрушается при взаимодействии с расплавленным алюминием. В результате образуется газообразный субокисел А12О. Поскольку эта реакция возможна только при температурах свыше 1700 °С, область очищенной поверхности практически ограничена анодным пятном. Естественно, для такого метода сварки применяются мощные горелки и высокие токи дуги для обеспечения большой плотности теплового потока в области анодного пятна дуги. Такой метод удаления окисной пленки называется термической очисткой. Поэтому, этот метод более эффективен при

использовании в качестве защитного газа гелия, так как он наиболее высокоэнтальпийный газ и способствует более стабильному поддержанию дугового промежутка.

Для алюминия и его сплавов применяют практически все промышленные способы сварки плавлением. К основным методам сварки относятся: ручная дуговая сварка покрытыми электродами, аргонодуго-вая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом с подачей присадочной проволоки, плазменная сварка, полуавтоматическая сварка в защитном газе - бывает как минимум четырех разновидностей (импульсная полуавтоматическая сварка, традиционная полуавтоматическая сварка, полуавтоматическая сварка с управляемым массопереносом на инверторном источнике питания, полуавтоматическая сварка на источниках питания типа ВД-306ДК с комбинированной вольтамперной характеристикой). Другие виды сварки алюминия и его сплавов, такие как автоматическая сварка под слоем флюса и газовая сварка применяются значительно реже и рассматриваться не будут. Каждый способ сварки имеет свои особенности, которые необходимо учитывать для наиболее эффективного их использования при изготовлении изделий различного назначения.

Аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом с подачей присадочной проволоки наиболее распространенный способ сварки, применяющийся для изготовления сварных конструкций из алюминиевых сплавов ответственного назначения. Основным преимуществом процесса дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде защитного газа является отсутствие шлаковых включений, возможность работы на малых токах дуги (от 5А), возможность сварки тонких листов, включая фольгу, высокая устойчивость горения дуги во всем диапазоне токов, технологичность процесса. Благодаря этому процесс широко используется при сварке алюминия и его сплавов. При аппаратурном оснащении процесса наиболее широко в промышленности применяются стандартные аргонодуговые установки с возможностью использования переменного тока. В России такие установки носят общее название УДГУ(251,351,501 и др.) Эти установки построены, как правило, по одному принципу. Сварка ведется на переменном токе, управление - тиристорное, имеется регулировка скорости нарастания и снижения тока, полярности базового тока (регулировка проплавляющей и очищающей способности). Существует справедливое мнение, что аргонодуговую сварку необходимо производить на штыковых или крутопадающих внешних вольтампер-ных характеристиках. Это обусловлено тем, что в указанном случае минимален пусковой бросок тока, что резко улучшает свойства сварного соединения. Переменный ток дуги при сварке алюминия обеспечивает разрушение окисной пленки. Для повышения стабильности горения электрической дуги и эффективного разрушения окисной пленки, кроме падающей внешней характеристики источника и постоянной работы осциллятора, используют дополнительную

индуктивность (дроссель) в цепи дуги (обеспечивает дополнительную ЭДС самоиндукции и не позволяет погаснуть электрической дуге). Осцилляторы выполняют две функции — бесконтактное зажигание электрической дуги и стабилизацию сварочного тока в момент прохождения через ноль специальными стабилизаторами, синхронизированными со сварочным током и включенными, как правило, параллельно электрической дуге. Последние устройства обычно совмещают с осцилляторами. Электрическая дуга горит между изделием и неплавящимся вольфрамовым электродом. Для повышения стабильности горения электрической дуги рекомендуется тщательно затачивать конец вольфрамового электрода. Симметричность тока обеспечивает равную проплавляющую и очищающую способность электрической дуги. Это самый простой и распространенный способ аргоноду-говой сварки. Максимальный сварочный ток выбирают в зависимости от диаметра вольфрамового электрода по уравнению [2] 1св = (60:65)^эл, А. В последнее время получили большое распространение инвер-торные источники тока. Инверторный источник питания для сварки неплавящимся электродом на переменном токе, имеет в своем составе две инверторные системы. Первичный инвертор образован биполярными транзисторами с изолированным затвором (ЮВТ) и обеспечивает на выходе переменный ток высокой частоты 20 кГц, а вторичный инвертор, содержащий биполярные транзисторы, обеспечивает на выходе переменный ток с частотой 50 Гц и выше. Проанализируем влияние частоты на основные технологические параметры. Зависимость длины столба сварочной дуги от частоты переменного тока иллюстрируется на рис. 1. При повышении частоты переменного тока столб дуги образуется вблизи вершины электрода, и длина столба сварочной дуги уменьшается.

мм

12.5

120

11.5

НО,

а

ХД-г

czSi

50А

100 А

£0

100

150

203

250

f, Гц

Рис. 1. Зависимость длины дуги от частоты питающего напряжения

На рис. 2 показано влияние частоты переменного тока на давление дуги.

Кривая распределения давления (рис. 3) в стабилизированной дуге при сварке на постоянном токе характеризуется более высоким пиковым значением и меньшей шириной по горизонтальной оси по сравнению с такой же кривой для переменного тока с частотой 50 Гц, которая имеет более низкий пик и большую ширину. При частоте переменного тока 250 Гц пиковое значение давления возрастает, а ширина кривой

распределения давления по горизонтальной оси уменьшается по сравнению с кривой для частоты 50 Гц переменного тока, и форма кривой приближается к той, которая соответствует сварке на постоянном токе.

С увеличением частоты переменного тока максимальное давление дуги на переменном токе возрастает и приближается к максимальному давлению дуги на постоянном токе. Влияние частоты переменного тока на ширину шва и проплавление основного металла при сварке алюминия иллюстрируется в табл. 1. При более высоких частотах переменного тока увеличиваются глубина проплавления и ширина сварного шва, а ширина зоны очистки уменьшается. Использование переменного тока с прямоугольной формой импульсов, при котором не требуется подача высокочастотного напряжения для повторного возбуждения дуги при изменении полярности тока. Хотя уровень шума, создаваемого сварочной дугой при использовании переменного тока с прямоугольной формой импульсов, выше, чем при использовании обычного синусои-

Р, Па 800

600 :

400 :

200

0

Переменный

ток 100 А

G = 3 мм

/ /

О о' У . о

- — 1 1 1 I L 1 1

20 50 100 300 f Гц

Рис. 2. Влияние частоты на давление дуги

дального тока, проблема снижения шума сварочной дуги решается за счет уменьшения величины тока в момент изменения его полярности.

Таблица 1

Влияние частоты на поперечное сечение сварного шва

Частота переменного тока, Гц

25

50

100

200

250

Поперечное сечение шва

К недостаткам инверторных источников питания можно отнести низкий КПД за счет двойного инвертирования, повышенный уровень акустических шумов, низкую надежность и высокую сложность электронной схемы. Для устранения вышеуказанных недостатков, разработана схема тиристорного источника питания повышенной частоты, с преобразованием

P, Па 800

600

400

200

100 А G = 3 мм

Постоянный

ток

\ Ii Переменный

Переменный jjl  ток 250 Гц

ток 50 Гц j  IV

Рис. 3. Кривая распределения давления дуги

Рис. 4. Функциональная схема тиристорного источника питания повышенной частоты

0

трехфазного напряжения в однофазное частотой 150 Гц и 300 Гц. Функциональная схема источника питания представлена на рис. 4.

Форма выходного напряжения представлена на рис. 5.

U

к к к W W IV,

V V V У У /1ut

В схеме предусмотрено наличие блоков обратной связи по току (БОС (Т)) и напряжению (БОС(Ц)). Обратная связь по току служит для устранения вентильного эффекта и формирования крутопадающей вольт-амперной характеристики. Обратная связь по напряжению необходима для исключения режима сквозных токов при коммутации тиристоров. Схема управления собрана на элементах ТТЛ - логики. Синхронизация с сетевым напряжением осуществляется с помощью диодных оптопар, переключение тиристоров производится линейкой триггеров и логическими элементами. Ждущие мультивибраторы, собранные на электронных таймерах, позволяют производить плавную регулировку тока во всем рабочем диапазоне.

Литература

1. Акулов А.И., Бельчук Г.А., Демянцевич В.П. Технология и

оборудование сварки плавлением. М.: Машиностроение,

1977.

2. Гуревич С.М. Справочник по сварке цветных металлов.

Киев: Наукова думка, 1981.

18 февраля 2010 г.

Рис. 5. Форма выходного напряжения

Преобразование трехфазного напряжения в однофазное происходит на стороне высокого напряжения с помощью тиристоров VS1-VS8, трансформатор работает на частоте 300 герц, поэтому имеет малый вес и габариты. Обмотки I - III, подключаются к фазному напряжению, обмотка II - к линейному напряжению.

Поступила в редакцию

Фролов Виктор Алексеевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Производство сварных и строительных конструкций», Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 2-46-27. E-mail: blasters@yandex.ru

Загумов Александр Васильевич - аспирант, кафедра «Производство сварных и строительных конструкций», Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 89045076934.

Frolov Victor Alekseevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Manufacture of Welded and Building Designs», Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 2-46-27. E-mail: blasters@yandex.ru

Zagumov Alexander Vasiljevich - post-graduate, department «Manufacture of Welded and Building Designs», Vol-godonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 89045076934.

УДК 621.791.03

СИСТЕМА СОГЛАСОВАНИЯ СКОРОСТЕЙ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ СВАРКЕ ВНУТРЕННИХ КОЛЬЦЕВЫХ ШВОВ СОСУДОВ

© 2010 г. А.В. Мичурин, В.М. Козловцев

Волгодонский институт

Южно-Российского государственного of South-Russian

технического университета (Новочеркасского State Technical University

политехнического института)

Предлагаемая схема реализует выполнение задачи синхронизации скорости вращения сосуда на ро-ликоопорном стенде со скоростью движения сварочного трактора-автомата внутри сосуда при перемещении вдоль кольцевого шва.

Ключевые слова: обечайка; кольцевой шов; роликоопора; АСФ; сварочная скорость; трактор.

The offered circuit synchronize the rotation vessel speed on driving roller device according to welding tractor movement speed when moving along the circular seam inside the vessel.

Keywords: shell ring; circular seam; turning rolls; FCAW; welding speed; tractor.

Предлагаемая схема согласует скорости комплекса сварочного оборудования, состоящего из ролико-опорного стенда и сварочного трактора-автомата, выполняющего сварку внутреннего кольцевого шва цилиндрического сосуда.

Особенности схемы согласования скоростей заключаются в следующем:

- плавное изменение сварочной скорости;

- контроль над положением дуги по окружности кольцевого шва;

- получение шва без дефектов;

- минимальное время настройки оборудования;

- стоимость модернизации стандартного оборудования - 8.. .9 тыс. руб.

В условиях современного производства сборка-сварка тонкостенного сосуда чаще всего производится методом наращивания, т.е. собираются и свариваются днище с обечайкой, затем собирают и приваривают к готовому узлу остальные обечайки и второе днище. При сварке кольцевых швов обечаек, как правило, трудностей не возникает: сварочная головка свободно заводится на консоли сварочной колонны внутрь корпуса сосуда, беспрепятственно выполняет внутренний кольцевой шов.

Особую трудность представляет сварка внутреннего забойного (заключительного) кольцевого шва. Чаще всего в заводских условиях (особенно при производстве тонкостенных сосудов) этот шов выполняют ручной дуговой сваркой (РДС). Известно, что этот способ сварки имеет недостатки по сравнению с автоматической сваркой под слоем флюса (АСФ): низкая производительность, худшее качество и условия труда.

Для того чтобы выполнить внутренний забойный кольцевой шов АСФ, ввиду невозможности применения сварочной колонны, необходимо использовать сварочный трактор-автомат.

Сварку проводят по следующей схеме. Устанавливают сосуд на роликоопоры, трактор-автомат помещают внутри изделия, настраивают скорость вращения роликоопор, задают сварочную скорость трактора и начинают сварку. В идеале, сварочная дуга должна гореть на 40-50 мм впереди по ходу движения трактора от точки зенита (самой нижней точки сечения кольцевого шва).

Однако при выполнении внутреннего кольцевого шва сосуда при использовании трактора-автомата и роликовых вращателей возникает трудность согласования линейных скоростей этих устройств. Например, если линейная скорость вращения обечайки на роли-коопорах больше, чем скорость движения трактора-автомата внутри обечайки, последний начнет «отставать» (рис. 1), уводя сварочную ванну вверх по диаметру кольцевого шва. Это приведет к чрезмерному стеканию жидкого шлака в зону горения дуги - произойдет зашлаковка металла шва. И, наоборот, если линейная скорость вращения обечайки на роликоопо-рах меньше, чем скорость движения трактора-автомата внутри обечайки, последний начнет «забегать», снова переводя сварочную ванну вверх по диаметру кольцевого шва. Это приведет к стеканию шлака с поверхности жидкого металла шва. Нарушение шлаковой защиты, как известно, неизбежно приводит к появлению недопустимых дефектов в сварном соединении. В обоих случаях происходит неправильное формирование шва.

В заводских условиях проблему решают следующим образом. Линейную скорость вращения роликоопор устанавливают заведомо несколько большую чем скорость движения трактора. В тот момент, когда трактор начинает «отставать», оста-

навливают роликоопоры и дают трактору восстановить положение зенита, затем вновь включают привод роликоопоры. Недостатки способа: рывкообраз-ное движение ухудшает формирование шва, положение горящей сварочной дуги относительно зенита шва определяется «на глаз».

Рис. 1. Схема сварки внутреннего кольцевого шва обечайки: Уоб - направление линейной скорости вращения обечайки; Утр - направление скорости движения трактора-автомата; 1 - роликоопорный стенд; 2 - обечайка; 3 - сварочный трактор-автомат; 4 - положение трактора-автомата при «забегании»; 5 - положение трактора-автомата при «отставании»

В данной работе предлагается использовать систему согласования скоростей сварочного оборудования, работающую в автоматическом режиме. В основе предлагаемой схемы находятся датчик угла наклона SG711 (рис. 2) и регулируемый стабилизатор напряжения.

Рис. 2. Внешний вид датчика угла наклона SG711

Датчик угла наклона монтируется на корпусе сварочного трактора-автомата, отслеживая его угловое отклонение относительно горизонта, которое будет возникать из-за «отставания» или «забегания» трактора по диаметру обечайки. В зависимости от угла наклона, датчик формирует аналоговое выходное напряжение величиной от +0,5 до +5 В (линейно изменяющееся при наклоне от +45° до -45° соответственно, рис. 3).

Угол наклона датчика, град

+45

-45

Аналоговый выход сигнала датчика по напряжению, В

0

2,5

5

Рис. 3. Характеристика аналогового выхода датчика угла наклона

Аналоговый выход датчика соединяется последовательно с регулируемым стабилизатором напряжения (рис. 4), формируя задающее напряжение иЗ.

Регулируемый стабилизатор напряжения

Блок питания датчика угла наклона

Датчик |_

угла наклона

К тахогенератору

Регулятор скорости представляет собой операционный усилитель, который реагирует на наличие рассогласования напряжений на его входе А и. По мере уменьшения рассогласования (под действием отрицательной обратной связи по частоте вращения, в качестве которой выступает тахогенератор) происходит стабилизация частоты вращения двигателя ролико-опоры на уровне, пропорциональном напряжению задания иЗ. Таким образом, при увеличении иЗ происходит повышение частоты вращения двигателя (скорости вращения обечайки) и наоборот.

В предлагаемой схеме регулируемое напряжение стабилизатора задает лишь примерную скорость вращения обечайки. Напряжение, формируемое датчиком угла наклона, выполняет функцию автоматического регулирования скорости. При «забегании» трактора вверх по диаметру обечайки (когда её линейная скорость вращения меньше сварочной скорости трактора) датчик угла, при наклоне, будет выдавать большее напряжение, тем самым повышая линейную скорость вращения обечайки и выравнивая горизонтальное положение трактора. При «отставании» трактора, наоборот, напряжение датчика, при наклоне в обратную сторону, понижается, скорость вращения уменьшается, горизонтальное положение трактора вновь восстанавливается.

Литература

Рис. 4. Схема регулирования скорости вращения привода роликоопорного стенда

Выходы полученного узла подключаются к регулятору скорости вращения роликоопорного стенда.

1. Краснокутская М., Маркис Т. Пролив с запятнанной репутацией // Новороссийский рабочий № 223, 15.11.2007.

6. Черкесов Г.Н. О расчете надежности обслуживаемых систем при ограниченном ЗИП с периодическим пополнением запасов // Надежность и качество. № 3, 2003.

0

Поступила в редакцию 18 февраля 2010 г.

Мичурин Алексей Витальевич - студент, кафедра «ТС и СП», Волгодонский институт (филиал) ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 25-20-45. E-mail: alex18del@list.ru

Козловцев Валерий Михайлович - ассистент, кафедра «ТС и СП», Волгодонский институт (филиал) ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 24-16-34; E-mail: valet@hotbox.ru

Michurin Alexey Vitalevich - student, department «Welding and Building Engineering Production», Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 25-20-45. E-mail: alex18del@list.ru

Kozlovtsev Valery Mihajlovich - assistant, department «Welding and Building Engineering Production», Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 24-16-34; E-mail: valet@hotbox.ru