МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭНЕРГИИ ВЗРЫВА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ МНОГОСЛОЙНЫХ СОСУДОВ

Высокие энергетические возможности, простота оснастки и обору­дования,; минимальные капитальные затраты, незначительные сроки подготовки производства обусловили широкое применение новых методов изготовления крупногабаритных деталей иэ листового ме­талла с помощью эгергии взрыва. Это дает основание полагать, что энергия взрыва будет также широко использоваться при изготов­лении многослойных сосудов, уникальных по габаритам и рассчи­танных на высокие параметры при эксплуатации.

Габариты штампуемых взрывом деталей практически не лимити­руются и определяются возможностью изготовления технологической оснастки для них. При незначительном количестве изготавливаемых деталей матрицы могут быть многокомпозиционными (рис. 1). Напри­мер, на матрице 1 из армированного бетона, формующая поверх­ность которой выполнена из стеклоткани 2, пропитанной эпоксид­ной смолой, были изготовлены листовые детали из нержавеющей стали Х18Н10Т диаметром более 5 м и толщиной 5 мм. Заготовка 3 зажималась между стальными вытяжным 4 и прижимным кольцами 5 и при подрыве заряда 6 она деформировалась по формующей поверх­ности матрицы. Последняя может выполняться также штамповкой листового металла по армированному бетону, т. е. для одиночного

Рио. I. Многокомпозиционная штам - Рис. 2. Схема калибровки пакетов для повка. многослойных сосудов,

производства можно изготавливать мат­рицы больших габаритов непосредст­венно в зоне монтажа.

При разработке технологии изготов­ления многослойных сосудов (напри­мер, сферических) необходимо решить такие задачи как получение элементов сферы (лепестков) из листового метал­ла, сварка и сборка сосудов из лепест­ков, обеспечение плотного прилегания слоев конструкции (калибровки), вы­полнение на сосудах горловин, отбор - товок и др.

Лепестки для многослойных сосудов значительных габаритов можно изготав­ливать из листа на одной штамповой ос­настке, так как для разных слоев сосуда кривизна лепестков изменяется незна­чительно. Там же энергией взрыва пакета можно проводить и ка­либровку лепестков (рис. 2) для всех слоев резервуара. Она целе­сообразна и в том случае, если лепестки будут изготавливаться на прессовом оборудовании, так как при импульсных методах метал­лообработки пружинение лепестков будет минимальным. Такое со­вмещение операций взрывной штамповки (калибровки пакетов) и штам­повки лепестков для пакетов на прессах позволит значительно повы­сить производительность труда и качество изготавливаемых сосудов.

Сборка и сварка многослойных сферических сосудов может вы­полняться двумя способами: сваркой из пакетов лепестков, а также сваркой отдельных слоев с последующей их раздачей для создания плотного прилегания.

При изготовлении сосудов первым способом энергия взрыва может использоваться для калибровки пакета, поскольку после свар­ки сосудов из некалиброванных пакетов устранение неплотного при­легания слоев при любых методах нагружения усложнено.

При втором способе изготовления (рис. 3) на первом этапе несколь­ко сваренных отдельно слоев (три — пять) раздаются взрывом заря­да БВВ в воде, которой заполнен сосуд из этих слоев, чем обеспечива­ется плотное прилегание последних. Полученная таким методом оболочка обшивается последующими двумя — тремя слоями изнутри и выполняется новый переход по раздаче слоев энергией взрыва. При этом пластическому деформированию подвергаются только вновь смонтированные и сваренные слои, а откалиброванные на предыдущем переходе работают в зоне упругих деформаций.

В результате проведенных расчетов определены величины заря­дов, приемлемые для технологических процессов. Установлено, что предельные деформации слоев незначительны и практически одина­ковы для всех слоев сосуда. Технологический зазор, необходимый при сварке каждого последующего слоя, сразу устраняется при раз­даче взрывом двух — трех слоев, т. е. только он определяет величину

деформации слоев. Поэтому не всегда целесообразно раздавать много слозв за один переход, поскольку в этом случае величина деформации для внутреннего слоя будет определяться суммарным технологиче­ским зазором для этих слоев (величина технологического зазора зна­чительно больше толщины металла).

Однако оболочка из первых слоев с плотным прилеганием может обшиваться снаружи последующими слоями, таким образом много­слойный сосуд получают последовательными взрывами после свар­ки новых слоев. В этом случае при раздаче деформации слоев нерав­номерные и максимальные деформации у внутреннего слоя довольно значительны, кроме того, необходим большой вес подрываемого заряда. Преимуществом такого способа является более высокая производительность, улучшение условий монтажа последующих сло­ев (монтаж и сварка ведется снаружи сосуда), отсутствие необходи­мости удалять воду из сосуда после первых переходов и др. Таким методом можно изготавливать сосуды, состоящие из 10—15 слоев. Предельное количество слоев оболочки будет определяться величиной относительного технологического зазора при сварке слоев AR/R (он зависит от технологии сборки и сварки слоев) и пластическими свойствами материала

п (I)

«max— к 100 д і Ы

где R — радиус сосуда; 6Р — равномерное относительное удлинение, %; к — коэффициент, зависящий от вида напряженно-деформирован - ного состояния (1 <Г к ^ 2), максимален при плоском напряженном состоянии, когда главные напряжения растягивающие и равные по величине, т. е. состояние, реализуемое при равномерной раздаче сферы — одноосном растяжении (реализуется при раздаче цилиндра линейным зарядом) к да 1.

При изготовлении негабаритных многослойных сосудов сфериче­ской формы диаметром 10—15 м, предполагаемая технология позво­лит осуществить все операции непосредственно в зоне монтажа и стро­ительства объектов, т. е. отпадает необходимость в транспортировке крупногабаритных элементов и в создании уникальных подъемных механизмов.

После получения крупногабаритных элементов из листа свари­вают первую оболочку непосредственно на фундаменте для сосуда. Через технологическую горловину в емкости подаются элементы для второй и третьей оболочки. После сварки емкость заполняют водой и устанавливают заряд БВВ.

К основным параметрам технологического процесса получения многослойных сосудов с помощью энергии взрыва следует отнести количество слоев в пакете, раздаваемых за один заряд, и величину заряда. Кроме того, при раздаче слоев, обшиваемых снаружи, мак­симальное количество слоев в сосуде также является параметром, определяемым по зависимости (1). Количество слоев в пакете, раз­даваемых за один взрыв, определяется допускаемыми величинами на­клепа после штамповки и относительного технологического зазора при сборке.

Величину заряда определяют по известным методикам [1, 2], основанным на энергетическом балансе, т. е. удельная работа дефор­мирования материала оболочек ауд должна соответствовать удельной энергии Еул ударной волны и гидропотока жидкости.

Интенсивность деформации для расчета удельной работы деформи­рования каждого из слоев штампуемого пакета сферического сосу-

да определяется по формуле [3]

ві = ^ ■ V(етг — е<р<р)[3] (єфф — £вв)2 (е90 — етг)2 — 2ефф, (2)

где еф<р — окружная деформация при раздаче слоев оболочки. При равномерной раздаче сферической оболочки меридиальные и ок­ружные деформации в силу симметрии процесса раздачи (материал считаем изотропным) можно принять одинаковыми как по величине, так и по знаку.

Величину заряда при раздаче пакета из нескольких слоев обо­лочек без учета энергии пульсации газового пузыря можно оценить с помощью зависимости

(3)

где G — заряд аммонита 6ЖВ, кг; ауя — удельная работа деформи­рования, Дж/м2; п — количество слоев, подвергающихся деформиро­ванию в пакете; ф — коэффициент отражения ударной волны

(4)

где

(5)

Ро, р — плотность воды и материала оболочки соответственно; б — толщина материала слоя; сй — скорость звука в воде; 0 — характе­ристическое время, определяемое для зарядов ВВ по известным за­висимостям [4].

Величина заряда с учетом зависимостей (3) — (5) для раздачи трех слоев оболочек диаметром 10 м и толщиной 10 мм из материала 09Г2С при технологическом зазоре AR/R = 0,01 составляет по­рядка 120 кг аммонита 6ЖВ.

Проведенные расчеты показали, что величины зарядов вполне приемлемы для технологических процессов раздачи на строительных фундаментах под сосуды, предельные деформации слоев сосуда не­значительны.

Применение энергии взрыва при изготовлении крупногабарит­ных сосудов цилиндрической формы является более проблематичным. Прежде всего из-за необходимости вести технологический процесс в штамповой оснасткел которая для процессов раздачи слоев сосудов
диаметром свыше 10 м в настоящее время не может быть выполнена металлической. Однако можно использовать армированную железо­бетонную оснастку, которая удовлетворительно работает на сжатие. Ее необходимо изготавливать секционной из радиальных сегментов большой массы, жестко закрепленных на основании — фундаменте, в которых предусмотрены элементы, обеспечивающие после раздачи возможность извлечения оболочек из матрицы. Взрывная раздача является единственным методом получения беззазорных многослой­ных конструкций, удовлетворяющих самым высоким требованиям проектировщиков. Наиболее вероятной схемой получения днища будет сварка из пакетов лепестков, которые предварительно откалиб­рованы на штамповой оснастке из металла с помощью энергии взры­ва. Получение куполов из слоев, отштампованных вытяжкой, практи­чески исключаются как из-за низких предельных возможностей процесса вытяжки (для таких относительно тонких заготовок fiID <С < 0,001 коэффициент вытяжки Кв < 1,2—1,25), так и из-за труд­ностей, обусловленных изготовлением уникальных (диаметром по­рядка 15 м) металлических матриц.

Импульсные методы позволяют создавать многослойные конст­рукции с гарантированным зазором, беззазорные и с гарантирован­ным натягом. Это обеспечивается соответствующим выбором размеров заготовок и схемой нагружения слоев оболочек при раздаче.

В многослойных сосудах с гарантированным натягом между слоями несущая способность конструкции повышается как за счет автофреттажа, так и соответствующего распределения остаточных деформаций в слоях (внутренние, наиболее нагруженные слои, в процессе импульсной раздачи подвергаются наименьшей дефор­мации). Более того, можно создавать многослойные сосуды и конст­рукции, у которых несколько слоев, как бы пакет, может иметь гарантированный зазор (в этом случае несколько слоев раздаются за один взрыв), а последующие — гарантированный натяг (слои раздаются последовательно, причем у наружных — деформации больше, чем у внутренних).

Для более точной оценки возможности применения энергии взрыва при изготовлении многослойных сосудов необходимо решить такие задачи, как исследование потери устойчивости слоев при раз­даче пакета из нескольких слоев, определение суммарного натяга и взаимодействие слоев при импульсном нагружении и механизм передачи энергии, а также герметизации и вакуумирования полос­тей между слоями, создания негабаритной оснастки, механизации сборки — разборки технологического узла.

Проведенный анализ схем штамповки показывает, что примене­ние энергии взрыва при изготовлении многослойных сосудов явля­ется перспективным направлением исследования и внедрения про­грессивной технологии.