Содержание
1. Основные направления развития механомонтажных работ в современных условиях судостроения
. Описание материалов с эффектом памяти формы
. Реализация нанотехнологии на основе материалов с памятью формы
. Термомеханические соединения трубопроводов
.1 Основные понятия ТМС
.2 Конструктивные особенности ТМС
.3 Методология расчётов ТМС в обеспечении прочности и герметичности соединения
. Технология монтажа
.1 Укрупнённая последовательность работ
.2 Технологический процесс.
. Расчёт взаимозаменяемости конструкций
. Расчёт технологической трудности монтажных работ
. Расчёт вспомогательных материалов
. Требования ТБ, ПБ мероприятия по охране окружающей среды
Заключение
Список источников
Механомонтажное и трубообрабатывающее производства наиболее современных иностранных судостроительных верфей имеют коренные отличия от существующих производств отечественного судостроения.
В основу постройки судов и кораблей всех классов и назначений заложен в максимальном объеме модульно-агрегатный метод монтажа основного и вспомогательного оборудования, что в значительной степени позволяет значительно сокращать трудоемкость и продолжительность постройки заказов.
Для наиболее эффективной реализации основных достоинств модульно-агрегатных принципов, а также снижения загрузки механомонтажного и трубообрабатывающего производств верфи потребуется создание региональных производственных цехов, участков по изготовлению наиболее сложных и трудоемких сборочно-монтажных единиц энергетических установок, например агрегатов, зональных блоков турбинных, дизельных установок.
Существенным шагом на пути совершенствования монтажа судового оборудования станет широкое использование компенсирующих полимерных материалов, исключающих сложную механическую обработку судовых фундаментов и опор, отверстий дейдвудных подшипников и баллеров рулей.
В целях обеспечения достижения высокой собираемости СМЕ и их строгого базирования в судовых помещениях представляется необходимым создание новых более точных измерительных бесконтактных средств, выполненных на основе акустолазерных эффектов.
Другим, не менее важным направлением, в повышении уровня механизации монтажных работ несомненно будет - создание нового поколения высокоэффективного механизированного инструмента, разработанного на основе использования новых материалов, открытий и изобретений.
В решении проблем трубообрабатывающего производства определены научно-технические мероприятия, которые необходимо реализовать за счет: автоматизации и комплексной механизации производства с гибкопереналаживаемой технологией; проектирования и изготовления нового высокоэффективного оборудования и перехода на групповые поэтапные методы изготовления труб; внедрения автоматизированных систем проектирования трубопроводов, технической подготовки производства и управления техническими процессами.
Самый ощутимый экономический эффект может быть получен при переносе основных работ по трассировке и пригонке труб с судна в цех. С этой целью разрабатывается технология "бесшаблонного" изготовления труб судовых систем.
Важным шагом в повышении технологичности конструкций трубопроводов станет
полное применение новых бессварных соединений, позволяющих быстро и надежно
производить их сборку и ремонт.
Эффект памяти формы (ЭПФ) были открыты в конце 60-х годов этого века. Уже через 10 лет (конец 70-х - начало 80-х) появляется множество сообщений в научных журналах, описывающих различные возможности его применения. В настоящее время для сплавов ЭПФ определенны функциональные свойства: одно - и двухсторонний эффект памяти, псевдо- или суперэластичность, высокая заглушающая способность.
Сплавы с ЭПФ уже нашли широкое применение в медицине, в качестве имплантируемых в организм длительно функционирующих материалов. Они проявляют высокие эластичные свойства, способны изменять свою форму при изменении температуры и не разрушаться в условиях знакопеременной нагрузки. Сложный характер фазовых превращений мартенситного типа, происходящий в сплавах на основе никелида титана, ярко проявляется в пористых структурах. Фазовые переходы в таких сплавах характеризуются широким гистерезисом и продолжительным температурным интервалом, в котором материал проявляет эффекты памяти формы и сверхэластичности. Кроме сплавов на основе Ni-Ti, мартенситные превращения существуют например в таких системах, как Pt-Ti, Pt-Ga, Pt-Al.
В зависимости от температуры мартенситного превращения и механических свойств, сплавы обладающие памятью формы имеют широкий диапазон применения.
На сегодняшний день известно уже более десятка сплавов с памятью формы на базе разных элементов. Однако семейство нитиноловых остается самым распространенным. В них четко выражен эффект памяти формы, причем диапазон температур можно с хорошей точностью регулировать, вводя в сплав различные примеси.
Экспериментальные исследования показали, что сплавы на основе никелида титана радикальным образом отличаются от других материалов, физические свойства которых максимально приближают их к тканям организма, благодаря чему конструкции из сплавов на основе никелида титана (TiNiMo) способны длительно функционировать без каких-либо изменений. Исследования, проведенные к настоящему времени, показали, что эти сплавы не токсичны, не вызывают канцерогенного действия на окружающие ткани, имеют высокую коррозийную стойкость в тканях живого организма и высокую степень биологической совместимости.
Наиболее широко применяют сплавы на основе мононикелида титана NiTi, получившие название нитинол. Эффект “ памяти формы ” в соединении NiTi может повторяться в течение многих циклов.
Механизмом, определяющим свойства “ памяти формы ”, является кристаллографическое обратимое термоупругое мартенситное превращение - эффект Курдюмова. Это превращение сопровождается изменением объема, которое носит обратный характер, обеспечивая память.
В сплавах с эффектом “ памяти формы ” при охлаждении происходит рост термоупругих кристаллов мартенсита, а при нагреве - их уменьшение или исчезновение. Эффект “ памяти формы ” наиболее хорошо проявляется при низких температурах и в узком интервале температур, иногда порядка нескольких градусов ( кельвин ). В настоящее время известно большое число двойных и более сложных сплавов с обратным мартенситным превращением, обладающих в разной степени свойствами “ памяти формы ”: Ni - Al, Ni - Co, Ni - Ti; Ti - Nb; Fe - Ni; Cu - Al, Cu - Al - Ni и др.
Исследования показали склонность никелида титана на свободной поверхности при термических воздействиях. В атмосфере, содержащей кислород, сплав окисляется с образованием оксидного слоя, содержащего в основном оксид TiO2. Можно полагать, что поскольку титан химически весьма активен то в бескислородной среде атомы титана будут образовывать соединения с любым неинертным газом, например в атмосфере азота - нитриды. Избежать образования оксидов по границам зерен и на поверхности можно лишь при термообработках образцов в вакууме либо в инертной среде.
Способность материала к восстановлению формы основана на обратимых мартенситных превращениях, которые реализуются в кристаллических объемах размером менее 0,1мм, т.е. на наноуровне. Поэтому, в свете современных веяний, данные сплавы вполне можно рассматривать как наноструктурированные материалы.
Мартенситные превращения по кристаллофизическому механизму являются близкими к двойникованию. Они так же осуществляются без участия диффузии путем кооперативного перемещения атомов. Но, в отличие от двойников, в мартенситной фазе решетка оказывается кристаллогеометрически неэквивалентной материнскому кристаллу. Мартенситные реакции, так же как и двойники, могут порождаться механическими усилиями или деформациями. Однако, в отличие от последних, они инициируются и изменением температуры кристалла. Исходя из вышесказанного, различают термомартенсит, мартенсит напряжения и мартенсит деформации.
Мартенситное термопревращение, за редким исключением, можно возбудить как нагреванием, так и охлаждением. Поэтому необходимо условиться о названиях материнской фазы и продукта реакции. Высокотемпературную фазу, из которой образуется низкотемпературная, принято называть аустенитом, а низкотемпературную, из которой образуется высокотемпературная, - мартенситом.
Конкретный механизм превращения бывает самым разнообразным. Простейшим примером, сводящимся к однородной деформации решетки, является реакция В2→R в никелиде титана. Аустенитная фаза В2 представляет собой кубическую ОЦК решетку, упорядоченную по типу СsCI. Фаза R получается из фазы В2 путем простого растяжения куба вдоль одной из его пространственных диагоналей. В том же никелиде титана при других обстоятельствах осуществляется реакция В2→В19′ с образованием орторомбической фазы В19′ с моноклинным искажением. При такой реакции происходит неодинаковая деформация в различных направлениях одновременным изменением углов между кристаллографическими осями. Рассмотренные примеры касаются в основном превращений, описываемых однородной деформацией. Во многих случаях мартенситные превращения сопровождаются ярко - выраженными перетасовками атомов, т.е. не могут быть сведены только к однородной деформации.
Для обратимых мартенситных превращений характерна зависимость фазового состава от температуры, изображенная на рисунке .При охлаждении материала из аустенитного состояния мартенсит начинает образовываться при некоторой температуре Мн. По мере дальнейшего охлаждения его количество увеличивается, пока при достижении температуры Мк весь объем не испытывает превращение. Ниже температуры Мк термодинамически устойчивой оказывается только мартенситная фаза. Аналогично, при нагревании мартенсит остается стабильным до температуры Ан и полностью превращается в аустенит при температуре Ак. Ширина гистерезиса кривых по температурной шкале, т.е. Ан-Мк или Ак-Мн, может быть различной для разных материалов и сильно влияет на их механические свойства вблизи температур фазового превращения. Характеристики фазового превращения для материалов с широким гистерезисом представлены на рисунке 3.1, а, а с узким - на б. При анализе подобных диаграмм вводят обычно еще три характеристические температуры: То, Мд, Ад; где То - температура термодинамического равновесия; Мд - температура, ниже которой мартенсит может возникнуть не только вследствие понижения температуры, но и под действием механического напряжения; температура Ад характеризует возможность образования выше нее аустенита не только вследствие нагрева, но и за счет механической нагрузки.
Повторный цикл нагружения приводит к уменьшению пластической деформации и
увеличению степени псевдоупругого восстановления формы:71-цикл первый; 2-второй
цикл; 3-нормальное упругое поведение.
Рисунок 3.1. Кривая напряжение-деформация для образцов RB сплава Cu-39,8% (по массе) Zn, деформированных выше MН (но ниже МД),
иллюстрирующая наличие трех основных участков, разделенных точками А и В.
Так же весьма существенным, что для материалов с широким и узким гистерезисом взаимное расположение характеристических температур может оказаться неодинаковым. Рассмотрим это на примере температуры Мд. В случае широкого гистерезиса Мд может оказаться левее Ан (рисунок а), а в случае узкого - правее Ак (рисунок 3.1 , б). Тогда для материалов с широким гистерезисом наведенный механомартенсит будет термодинамически устойчив и должен сохраняться при разгрузке (превращение аустенит → мартенсит условно обозначено вертикальной стрелкой). При узком гистерезисе точно такой же процесс приведет к образованию нестабильного мартенсита, который должен исчезнуть при разгрузке.
Характер влияния температуры на фазовый состав материала оказывается чрезвычайно важным в формировании упругопластических свойств кристаллов. Как показывает опыт, вся совокупность явлений, связанных с обратимыми мартенситными реакциями, обнаруживается при температурах, не очень сильно выходящих за интервал Мк-Ак. В этой связи особую ценность представляют сведения о влиянии различных факторов на характеристические температуры.
Все характеристические температуры зависят, как правило, от химического
состава сплавов. В настоящее время установлено, что температуры мартенситных
превращений изменяются с различной интенсивностью в зависимости от характера
легирования, легирующего элемента и от того, является ли он элементом внедрения
или элементом замещения. Некоторые добавки весьма сильно смещают температуры
превращений, другие - незначительно. Так, в системе Тi Ni X, где Х - легирующий элемент, железо понижает температуры
превращений сильнее, чем кобальт, но слабее, чем марганец, а медь и кремний в
довольно широком интервале концентраций могут практически не изменять температуры
фазовых переходов. При этом следует заметить, что не только величина изменения,
но даже и знак могут оказаться не одинаковыми для Мн, Мк, Ан, Ак. В силу
сказанного, вариации в химическом составе сплава сказываются и на ширине
гистерезиса. Так, медь, вводимая в Тi Ni в качестве
заменителя никеля, при определенных концентрациях резко расширяет гистерезис
превращения, а железо, кобальт и германий почти не сказываются на нем. Весьма
сильные смещения температур переходов наблюдаются при отклонении состава
соединений от стехиометрического. Например, у интерметаллида Ti Ni при изменении концентрации Ni от 50 до 52 % температуры фазовых переходов снижаются почти
на 17 117 градусов, а обогащение титаном на такую же величину практически не
влияет на характеристические температуры. Таким образом, за счет изменения
химического состава даже путем весьма экономного легирования удается изменять
характеристические температуры прямого и обратного мартенситных превращений и
ширину гистерезиса в необходимом температурном диапазоне. Если учесть, что
обращение к различным металлическим системам так же является способом выбора
нужных температур перехода, то можно сказать, что в настоящее время освоен
весьма широкий диапазон температур.
4. Термомеханические соединения трубопроводов
.1 Основные понятия ТМС
Термомеханические соединение (ТМС) представляет собой неразъемное соединение трубопроводов, которое выполняется муфтой, изготовленной из сплава, обладающего эффектом памяти формы (ЭПФ). ЭПФ заключается в способности сплава возвращать предварительно заданную в низкотемпературном состоянии деформацию при переходе в высокотемпературное состояние. Образование ТМС трубопроводов происходит путем защемления концов соединяемых труб предварительно деформированной в охлажденном состоянии муфтой за счет реализации ЭПФ при ее естественном отогреве. Температуру восстановления формы можно задавать химическим составом сплава в широких пределах от -200 до +200°С. Лучшие сплавы с ЭПФ восстанавливают до 8% заданной деформации. Если процессу восстановления формы создать препятствие, то материал развивает напряжение и способен совершать значительную работу против внешних сил. Серийно производимыми сплавами с ЭПФ являются сплавы на основе нелегированного никелида титана марки (ТН-1, ВСП-1), а также содержащие в качестве добавок железо (ТН-1К), или медь (ТНМ-3).
Применение ТМС в судостроении регламентировано рядом отраслевых документов (ТУ5.564-11429 - 90) «Муфты термомеханических соединений судовых трубопроводов», РД5.УЕИА.2836 - 90 «Соединения термомеханические трубопроводов судовых систем. Технология изготовления и сборки. Типовой технологический процесс»
Свойство памяти формы никеле-титановых сплавов первоначально открыли в
начале 1958 году в лаборатории оружия ВМС США, г. Уайт-Оук, шт. Мэриленд. Сплав
получил название НИТИНОЛ, из начальных букв названий составляющих сплава и
названия открывшей его лаборатории - Nickel Titanium
Naval Ordnance Laboratory.
Рис. 4.1. Общий вид термомеханических соединений с использованием муфты,
изготовленной из сплава с эффектом памяти формы: а) исходное состояние; б)
радиальная деформация муфты; в) образование термомеханического соединения в
результате нагрева.
Компания Raychem Corp. Начала работать с материалом в середине 60-х годов и разработала несколько специальных сплавов под общим названием “тинель”. Первоначально тинель применялся для муфт, соединяющих трубопроводы системы гидравлики на самолетах с высокими летными характеристиками. После этого его начали применять и для различных электрических соединителей, и для электромеханических приводов, а также для фитинговых соединений трубопроводов, предназначенных к применению в определенных отраслях промышленности.
Впервые муфты из сплава с ЭПФ применяли на АПЛ Великобритании в 1973г., а в США - в 1978г. на эсминцах.
В России развитием технологии монтажа ТМС занималась авиационная промышленность. Были созданы основополагающие документы на материал и конструкцию, проведены всесторонние исследования которые нашли свое отражение в сборнике стандартов по ТМС. Совместно с Всесоюзным институтом легких сплавов было освоено производство металлов в виде прутков для ТМС10 и ТМС14 с металлическим сердечником, а для термомеханических соединений больших размеров в виде катанных и прессованных труб. Практическое применение, ТМС получили при создании космического летательного аппарата «Буран», где по условиям конструкции были заменены 7 сварных соединений на термомеханические соединения. В судостроении приоритет развития принадлежит ЦКБ МТ «Рубин», которое совместно с НИПТБ «Онега» и ГП «Звездочка» применили ТМС в составе технологических цеховых трубопроводов. Позже эта тема была подхвачена ГП ЦНИИ КМ «Прометей», где и в настоящее время продолжается установка термомеханических соединений в опытно-промышленном варианте.