Вплив зазору на залишкові напруження та якість вальцьованих з'єднань труба-трубна дошка
DOI:
https://doi.org/10.31498/2225-6733.50.2025.336269Ключові слова:
вальцювання, залишкові напруження, зазор, контроль якості, параметри процесу, надійність, довговічністьАнотація
Якість з'єднання труба-трубна дошка відіграє ключову роль у забезпеченні надійності та довговічності теплообмінників і іншого промислового обладнання, що працює в складних експлуатаційних умовах. У даній статті досліджено вплив величини зазору між зовнішньою поверхнею труби та отвором у трубній дошці на рівень залишкових напружень у з'єднанні після процесу вальцювання. Експериментальна частина роботи включала ретельні вимірювання фактичних зазорів за допомогою спеціалізованого обладнання, розрахунок залишкових напружень методом механічного зняття напружень, а також детальний статистичний аналіз отриманих даних для підтвердження їх точності та достовірності. Результати дослідження показали, що фактичний зазор у більшості випадків перевищує номінальне значення, визначене проєктними стандартами, а його зростання призводить до суттєвого збільшення залишкових напружень у з'єднанні. Найвищі напруження фіксувалися при зазорах від 0,40 мм і більше, що може спричинити локальну пластичну деформацію, негативно впливаючи на структурну цілісність і знижуючи втомну міцність з'єднання протягом тривалого часу. Оптимальний діапазон зазорів, який забезпечує баланс між надійністю з'єднання та допустимим рівнем напружень, встановлено в межах 0,10-0,30 мм, що дозволяє знизити ризик передчасного руйнування. Для перевірки достовірності даних використано сучасні методи статистичного аналізу, зокрема обчислення стандартного відхилення для оцінки розкиду результатів і t-критерій Стьюдента для визначення статистичної значущості виявлених закономірностей. Розрахунки підтвердили тісний зв’язок між величиною зазору та рівнем залишкових напружень, особливо для труб малого діаметра, де точність допусків має вирішальне значення. Отримані результати можуть бути застосовані під час проєктування та виробництва кожухотрубних теплообмінників, сприяючи оптимізації параметрів з'єднань, підвищенню ефективності роботи обладнання та подовженню терміну його служби. У статті також наведено практичні рекомендації щодо контролю якості, включаючи високоточні методи вимірювання зазорів і оцінки залишкових напружень на етапах виробництва та технічного обслуговування
Посилання
Callister W.D. Jr., Rethwisch D.G. Materials science and engineering: An introduction. 10th ed. Wiley. 2018. 962 p.
Al-Odhaib A., Abdulaziz A. Review on heat exchanger tube-to-tubesheet joining. International Journal of Advanced Research in Engineering and Technology. 2020. Vol. 11(12). Pp. 1395-1405. DOI: https://doi.org/10.34218/IJARET.11.10.2020.133.
Groover M.P. Fundamentals of modern manufacturing: Materials, processes, and systems. Wiley and Sons, Incorporated, John, 2019. 816 p.
Yoganathan R., Shanmugam N.S., Ramanathan A. Effects of thickness offset on the tube-to-tube sheet expansion joint strength: An experimental evaluation. Journal of Materials Engineering and Performance. 2022. Vol. 31. Pp. 2770-2782. DOI: https://doi.org/10.1007/s11665-021-06400-0.
Roberge P.R. Corrosion monitoring. Uhlig's corrosion handbook / ed. by R.W. Revie. John Wiley and Sons, Inc., 2011. Pp. 1179-1201. DOI: https://doi.org/10.1002/9780470872864.ch87.
Sharma S.K., Mishra B.K., Singh I.V. A multiobjective optimization framework based on FEA, ANN, and NSGA-II to optimize the process parameters of tube-to-tubesheet joint. Finite Elements in Analysis and Design. 2024. Vol. 241. Article 104225. DOI: https://doi.org/10.1016/j.finel.2024.104225.
Thulukkanam K. Material selection and fabrication. Heat exchangers. CRC Press, 2024. Pp. 135-336. DOI: https://doi.org/10.1201/9781003352051-2.
Advanced techniques for surface engineering / ed. by W. Gissler, H.A. Jehn. Springer Netherlands, 1992. 402 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-94-017-0631-5.
Budynas R.G., Nisbett J.K. Mechanical engineering design. 11th ed. McGraw-Hill Education, 2020. 1116 p.
Boulougouras P., Besseris G. Lean-and-green strength performance optimization of a tube-to-tubesheet joint for a shell-and-tube heat exchanger using Taguchi methods and random forests. Processes. 2023. Vol. 11(4). Article 1211. DOI: https://doi.org/10.3390/pr11041211.
Стовпник O.В., Кирилюк В.О. Evaluation of the efficiency of methods for expanding thick-walled tubes into tube sheets of heat exchangers. Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. 2024. Вип. 5(285). С. 16-23. DOI: https://doi.org/10.33216/1998-7927-2024-285-5-16-23.
Schajer G.S., Ruud C.O. Overview of residual stresses and their measurement. Practical residual stress measurement methods. John Wiley and Sons, Ltd, 2013. Pp. 1-27. DOI: https://doi.org/10.1002/9781118402832.ch1.
Abubakar S.A., Mori S., Sumner J. A review of factors affecting SCC initiation and propagation in pipeline carbon steels. Metals. 2022. Vol. 12(8). Article 1397. DOI: https://doi.org/10.3390/met12081397.
Research progress of residual stress measurement methods / X. Li et al. Heliyon. 2024. Vol. 10(7). Article e28348. DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e28348.
Residual stress in engineering materials: A review / A. Tabatabaeian et al. Advanced Engineering Materials. 2021. Vol. 24, iss. 3. Article 2100786. DOI: https://doi.org/10.1002/adem.202100786.
Ebrahimi K., Rahimi Mofrad S. Pneumatic test of pressurised equipment: Its hazards and alternatives. ASME 2018 Pressure Vessels and Piping Conference, Prague, Czech Republic, 15-20 July 2018. Pp. 1-10. DOI: https://doi.org/10.1115/pvp2018-84025.
Smith J., Johnson A. Residual stresses and fatigue performance of tubular joints. International Journal of Mechanical Engineering. 2019. Vol. 15(3). Pp. 42-58.
Evaluation of residual stresses using ring core method / J. Václavík. Proceedings of the 14th International Conference on Experimental Mechanics, Poitiers, France, 4-9 July 2010, vol. 6. DOI: https://doi.org/10.1051/epjconf/20100644004.
Bouzid A.-H., Pourreza M. Analysis of residual stresses in the transition zone of tube-to-tubesheet joints. Journal of Pressure Vessel Technology. 2019. Vol. 141(4). Article 041201. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4043374.
Effects of initial tube-tubesheet clearance and grooves on axial and hoop residual stresses of roller expanded joints / A.N. Shuaib et al. Proceedings of the ASME 2010 Pressure Vessels and Piping Division/K-PVP Conference, Bellevue, Washington, USA, 18-22 July 2010. Vol. 4. Pp. 1-12. DOI: https://doi.org/10.1115/PVP2010-26156.
Effect of constitutive model on residual stress development in the pressure tube rolled joint / R.J. Singh et al. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2021. Vol. 190. Article 104318. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2021.104318.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Журнал "Вісник Приазовського державного технічного університету. Серія: Технічні науки" видається під ліцензією СС-BY (Ліцензія «Із зазначенням авторства»).
Дана ліцензія дозволяє поширювати, редагувати, поправляти і брати твір за основу для похідних навіть на комерційній основі із зазначенням авторства. Це найзручніша з усіх пропонованих ліцензій. Рекомендується для максимального поширення і використання неліцензійних матеріалів.
Автори, які публікуються в цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, яка дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи в цьому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди, які стосуються неексклюзивного поширення роботи в тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи в цьому журналі.
