МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

К ВОПРОСУ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ СОСУДОВ ИЗ ШИРОКИХ РУЛОННЫХ ЗАГОТОВОК

Современная технология требует все более высокой производи­тельности оборудования [1], т. е. применения более крупных сосудов,, повышения рабочих давлений и температур. В связи с этим необхо­димо увеличивать толщины стенок сосудов и сварных соединений, надежность их в эксплуатации.

В этой ситуации сосуды следует рассчитывать не только с учетом давлений и температур, но также изменений свойств металла из-за наличия дефектов, технологических напряжений и др. К сожалению, точный расчет пока невозможен. Следовательно, нельзя однозначно дать ответ достаточно прочна ли сварная конструкция. Исходя из этого наиболее целесообразно делать все возможное для повышения надежности столь ответственной конструкции.

Переход от монолитных стенок к многослойным является факто­ром, повышающим надежность сосудов.

В 70-х годах рулонированная конструкция была впервые реко­мендована для производства крупногабаритных сосудов высокого давления. Решающим критерием, определившим ее развитие, была высокая технологичность [2]. Со временем с увеличением поперечных размеров сосудов наметилось снижение их технологичности из-за уменьшения относительной длины рулонированных обечаек и соот­ветствующего увеличения количества кольцевых швов большого се­чения. Как известно, сварка, термообработка и контроль качества таких швов, каждый из которых содержит сотни килограммов на­плавленного металла, сложные и трудоемкие операции.

Оптимальным решением задачи изготовления технологичных и надежных крупногабаритных сосудов рулонированной конструкции было бы сворачивание их цилиндрической части полностью из одной рулонной заготовки, по ширине равной длине корпуса.

Одним из технологических приемов, направленных на решение поставленной задачи, является применение сварных полотнищ. Из сравнительно небольшого разнообразия конструкций сварных полот­нищ, наиболее технологичной и конструктивной является рулонная заготовка, сваренная из продольно расположенных полос. Благодаря этому монолитные кольцевые швы сосуда заменяются швами малого сечения, расположенными в слоях. Такие швы могут быть тщательно проконтролированы и лишь после этого вместе с полотнищем будут окончательно свернуты. К благоприятным особенностям такой тех­нологии можно отнести не только меньший объем сварки за счет сни­жения в несколько раз количества наплавленного металла, но и.

лучшие условия выполнения тех швов, которые остаются в конструк­ции.

На рис. 1 схематически показан процесс изготовления цилиндриче­ской части сосуда из полотнища [3]. Рулоны 1 широкополосной стали раз­матывают и полосы на позиции 2 правят. На позиции 3 устраняют серповидность полос. Несколькими аппаратами 4 сваривают швы 5. За­тем полотнище 6 кантуют и продоль­ные стыки подваривают на позиции 8 с обратной стороны. На позиции 9 удаляют усиления швов, производят полотнище сворачивают в многослойный

контроль их качества и цилиндр 10 с заданной толщиной стенки.

Выполненные исследования показывают, что изготовление по­лотнищ из рулонной стали является сложной технической задачей. Из-за несовершенств ее геометрической формы, допускаемых стан­дартами и ТУ на поставку, затруднена сборка на плоскости для по­лучения доброкачественных сварных соединений [4]. Однако пока еще нет эффективных методов устранения несовершенств рулонной стали на металлургическом заводе или у потребителя.

Исследуя условия сборки, нами установлено, что отрицательное влияние несовершенств рулонной стали, таких как серповидность и волнистость, может не проявляться при ведении процесса в про­странстве. Этот вывод положен в основу технического предложения по технологии изготовления полотнищ из рулонной стали. Суть предло­жения состоит в следующем.

Полосу 1 (рис. 2) с серповидностью постоянной величины, харак­теризуемой стрелкой Aj, можно рассматривать как часть развертки боковой поверхности усеченного прямого конуса. Если такую полосу изогнуть по некоторой конической поверхности, то ее продольные кромки окажутся лежащими в плоскостях — основаниях усеченного конуса с радиусами соответственно г1 и г2. Придав другой полосе 2, с иной серповидностью h2 форму поверхности усеченного конуса, но так чтобы радиус одного из оснований был равен одному из радиусов, например г2, основания усеченного конуса, по которому изогнута полоса 1, можно достаточно легко собрать две серповидные полосы с постоянным зазором. Поступая аналогичным образом, собирается полотнище из трех и более полос.

Поскольку из серповидной полосы, что вполне очевидно, может быть получено бесчисленное множество конических поверхно­стей с разными радиусами оснований, то задача сборки полотнищ имеет соответственно и множество решений.

Полотнище, собираемое по описанной методике, представляет собой совокупность конических поверхностей. Степень несовершен­ства поверхности полотнища, определяемая разницей радиусов кри-

/ 2 J

а б

Рис. 2. Сборка полотнища из серповидных полос: а — положение полос на плос­кости; б — после изгиба по конической поверхности.

визны полос в плоскостях стыковых соединений зависит от кривиз­ны, серповидности и ширины полос

Shirb

Яі+1 — Ri — р,

где Ri, Ri+1 — радиусы кривизны одной из полос полотнища в пло­скостях параллельных плоскости стыкового соединения; b — ширина полосы; h — серповидность полосы на базе «/» сборки полотнища.

С точки зрения технологии сборки процесс целесообразно вести при минимально возможном радиусе кривизны соединяемых кромок

ПОЛОС.

При изготовлении полотнищ из полос рулонной стали нет воз­можности деформировать для сборки полосы сразу по всей длине. Как показано на рис. 3, сборку следует осуществлять короткими участками в процессе перемещения полос с сопут­ствующим приданием их смежным кромкам перед сваркой одинаковой кривизны в пространстве.

В процессе сворачивания многослойного кор­пуса, благодаря изгибу полотнища, ожидается устранение несовершенств его поверхности как и в случае рулонирования листовых конструкций.

Возможность правки полотнища объясняется тем, что оно изготавливается из материалов, обладаю­щих способностью к упругой и пластической де­формациям Придание полотнищу некоторой кри­визны ведет к образованию цилиндрической поверхности за счет упругого деформирования и образования системы уравновешивающих сжимаю­щих и растягивающих напряжений. При опреде­ленной кривизне в процессе правки полотнища напряжения в материале могут превысить предел упругости, в результате чего произойдут местные пластические деформации

Ноная технология пригодна для сборки как серповидных, так и прямолинейных полос рулон­ной стали.

Для исследования предложенной технологии изготовления по­лотнищ разработана сборочно-сварочная установка, на которой были сварены полотнища длиной до 70 м из двух полос рулонной стали. Серповидность используемой рулонной стали изменялась от 6 до 50 мм на базе 10 м. Благодаря несложным роликовым направляющим сбор­ка полос происходила непрерывно без вмешательства обслуживаю­щего персонала. Превышение кромок отсутствовало, зазор в стыке изменялся не более чем на 0,5 мм. Хорошее качество сборки позво­лило применить одностороннюю автоматическую сварку на флюсо­медной подкладке.

На технологической линии ПО Уралхиммаш была доказана возможность получения из этих полотнищ многослойных o6e4aeKj удовлетворяющих требованиям технических условий на изготовление рулонированных сосудов. Из них было изготовлено и испытано три сосуда диаметром 600 и 800 мм. В результате прочностных исследова­ний установлены следующие закономерности: в сосуде, опрессован - ном технологическим давлением, межслойные зазоры одинаковы в обечайках из полотнищ и рулонной стали; измерением напряжен­ного состояния сосудов после опрессовки технологическим давлением отмечено отсутствие перегрузки внутреннего слоя по всей длине обечаек из полотнищ обычно характерное для сосудов с короткими рулонированными обечайками; испытание сосудов до разрушения подтвердило высокую несущую способность рулонированной конст­рукции из полотнища, находящейся на уровне значений однослой­ных сосудов.

В условиях ПО Уралхиммаш изготовление рулонированных сосудов из попарно сваренных полос рулонной стали, увеличивает производственные возможности действующего технологического оборудования за счет уменьшения трудоемкости их изготовления в 1,5 раза, сокращения в 2 раза числа кольцевых швов при соответст­вующем снижении себестоимости и цикла производства.

Таким образом, на основе применения сварных полотнищ из ру­лонной стали можно решить проблему повышения технологичности крупногабаритных рулонированных сосудов.