МАШИНОСТРОЕНИЕ

КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ СОСУДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Конструкции сосудов высокого давления определяются требованиями технологических процессов, эксплуатационными параметрами, техническими возможностями предприятий- изготовителей, условиями транспортировки, монтажа и эксплуатации. В общем случае кон­струкция сосудов высокого давления зависит от следующих параметров:

Рабочего и расчетного давления; рабочей и расчетной температуры; минимальной (отрицательной) темпера­туры стенки;

Характеристики рабочей среды (взрывопо - жароопасной, коррозионной и др.);

Геометрической формы и размеров (диа­метра, длины, высоты);

Географических и климатических условий эксплуатации;

Срока службы.

В зависимости от назначения, характера протекающего химического или тепломассо - обменного процесса, наличия внутренних уст­ройств сосуды высокого давления имеют раз­нообразную форму (рис. 8.1.6). Корпуса сосу­дов изготовляют в виде цилиндрических, кони­ческих или сферических оболочек, соединен­ных с плоскими или выпуклыми днищами и крышками сварными швами или с помощью механических крепежных устройств.

Типы сосудов высокого давления. В за­висимости от конструкции и технологии изго­товления сосуды высокого давления делятся на два основных типа:

С однослойной (монолитной) стенкой -

Цельнокованые; кованосварные; штампосвар - ные; вальцованосварные;

С многослойной стенкой - с концентри­ческим расположением относительно тонких слоев (до 6 мм), с концентрическим расположе­нием относительно толстых слоев (25...60 мм), рулонированные, витые из профильной ленты.

Сосуды высокою давления с однослой­ной (монолитной) стенкой обладают высокой надежностью, работоспособностью при значи­тельных циклических нагрузках по давлению и температуре как при внутреннем, так и при наружном обогреве. К недостаткам сосудов с монолитной стенкой относятся: высокая металлоемкость; сложность сварки и термообработки крупногабаритных деталей из-за больших тол­щин стенок;

Возможность хрупкого разрушения вследствие быстрого развития трещины на всю толщину стенки.

Ш'

Ю

Те»

Рис. 8.1.6. Формы корпусов сосудов высокого давления:

/ - плоская крышка; 2 - фланец; 3 - цилиндрическая обечайка, 4 - плоское днище; 5 - выпуклое эллипти­ческое днище; 6 - выпуклая крышка; 7- конический переход; 8 - горловина; 9 - выпуклое днище с цен­тральным отверстием; 10 - выпуклое полусфериче­ское днище

Потребность химической и нефтехимиче­ской промышленности в крупногабаритных толстостенных и более экономичных сосудах высокого давления привела к созданию много­слойных конструкций их корпусов.

Многослойные сосуды имеют диаметр до 3,6 м, длину более 40 м. Их размеры огра­ничиваются только условиями транспорти­ровки и монтажа.

Многослойные сосуды высокого давле­ния более экономичны ввиду меньших потерь металла при изготовлении и меньшей трудо­емкости. Кроме того, во многих случаях отпа­дает необходимость в проведении трудоемкой и дорогостоящей термообработки сварных швов, соединяющих обечайки между собой и с концевыми элементами. Существенным пре­имуществом многослойных сосудов является их большая безопасность. Наличие контроль­ных отверстий, проходящих в многослойной стенке до центральной обечайки, позволяет своевременно обнаружить утечки рабочей сре­ды и остановить сосуд для ремонта. Дефекты или трещины локализуются в одном слое и не развиваются на всю толщину стенки. Кроме того, при такой конструкции сравнительно просто можно обеспечить коррозионную защи­ту внутренней поверхности корпуса благодаря установке центральной обечайки из коррози­онно-стойкой стали.

К недостаткам многослойных сосудов высокого давления относятся: большое количе­ство массивных кольцевых швов, в которых из - за сочетания различных конструкционных и сварочных материалов возможно появление дефектов; наличие зазоров между слоями, а следовательно, пониженная теплопроводность стенки, которая обусловливает некоторые ог­раничения по числу циклов нагружения давле­нием и температурой, по скорости нагрева и охлаждения, по возможности работы с наруж­ным обогревом.

Цельнокованые сосуды высокого давления Имеют монолитный корпус, изготовленный из одной поковки, что определяет их относитель­но небольшие размеры (внутренний диаметр 0,6... 1,2 м, длину до 18 м).

Их чаще всего применяют при давлении более 32 МПа и высокой температуре, особен­но при наружном обогреве корпуса.

Кованосварные сосуды высокого давления Имеют корпус из нескольких механически об­работанных кованых частей (обечаек, днищ, фланцев, горловин), скрепленных между собой кольцевыми сварными швами. Применение нескольких поковок для изготовления одного корпуса значительно расширяет возможности изготовления кованосварных сосудов по срав­нению с цельноковаными.

Штампосварные и вальцован осварные сосуды высокого давления имеют корпус, вы­полненный из нескольких штампованных йли вальцованных обечаек (или полуобечаек), со­единенных между собой продольными и коль­цевыми сварными швами, и концевые детали (днища, фланцы и горловины), изготовленные отдельно из поковок или штамповок. Такие сосуды более экономичны по сравнению с цельноковаными и кованосварными. Их можно изготовлять значительно большего диаметра. Однако надежность таких сосудов меньше из - за наличия продольных сварных швов.

Многослойные сосуды высокого давления Выпускаются трех основных типов (рис. 8.1.7):

С концентрическим расположением тонких слоев (способ изготовления АО Смит), выполненный из нескольких обечаек, состоящих из слоев (листов толщиной 4...6 мм), обтяги­вающих с натягом центральную обечайку тол -

Щиной 16...24 мм, выполненную из коррозион­но-стойкого материала. Обечайки соединены между собой и с концевыми элементами кор­пуса кольцевыми сварными швами;

С концентрическим расположением толстых слоев, выполненный последователь­ной напрессовкой нескольких сварных цилин­дрических обечаек из толстого листа (25...60 мм);

Рулонированные, имеющие корпус из одной или нескольких многослойных рулони - рованных обечаек, соединенных между собой и с концевыми элементами корпуса кольцевыми сварными швами. Концевые элементы выпол­няются из поковок или штамповок. Много­слойная рулонированная обечайка состоит из центральной обечайки толщиной 16...24 мм и намотанной на нее по спирали до необходимой толщины рулонной полосы шириной 1400... 1800 мм и толщиной 4...6 мм. Снаружи на рулонированную обечайку надевается за­щитный кожух толщиной 8... 12 мм.

Технологичность изготовления (простота механизации процесса навивки рулона), более низкая удельная металлоемкость (меньше от­ходов тонкого листа) обусловливают более низкую стоимость изготовления рулонирован - ных сосудов по сравнению с многослойными с концентрическими слоями.

Промышленное производство и исполь­зование сосудов высокого давления различ­ных типов.

Каждая промышленно развитая страна ориентируется на изготовление и эксплуата­цию одного-двух типов исполнения корпусов сосудов высокого давления. В России широко распространены цельнокованые, кованосвар - ные, штампо - и вальцованосварные, а также рулонированные сосуды высокого давления. Предпочтительные параметры и условия их применения в зависимости от типа конструк­тивного исполнения приведены в табл. 8.1.1.

Основные требования к конструкциям сосудов высокого давления. Конструкция сосуда высокого давления должна обеспечи­вать надежность и безопасность его эксплуата­ции в течение расчетного срока службы и пре­дусматривать возможность проведения техни­ческого освидетельствования, гидравлических испытаний, очистки, промывки, полного опо­рожнения, продувки, ремонта, эксплуатацион­ного контроля металла и соединений.

Расчет на прочность, применяемые мате­риалы, нормы проектирования и заложенные в конструкторскую документацию требования к изготовлению и контролю качества должны соответствовать действующей нормативно - технической документации, утвержденной или согласованной Госгортехнадзором России.

Сосуды высокого давления должны быть снабжены необходимым количеством люков (диаметром не менее 400 мм) и смотровых лючков (диаметром не менее 80 мм), обеспечи­вающих осмотр, очистку и ремонт, а также монтаж и демонтаж разборных внутренних устройств. Сварные швы при сварке обечаек, приварке днищ, фланцев и горловин должны быть только стыковыми с полным проплавле - нием. Они должны быть доступны для контро­ля при изготовлении, монтаже и эксплуатации. Продольные швы смежных обечаек и швы днищ должны быть смещены относительно друг друга на величину, равную трем толщи­нам наиболее толстого элемента, но не менее чем на 100 мм. В случае приварки опор или иных элементов к корпусу расстояние между краем сварного шва сосуда и краем шва при­варки элемента должно быть не менее толщи­ны стенки корпуса сосуда, но и не менее 20 мм.

Как правило, отверстия люков, лючков, штуцеров, а также внутренние и наружные устройства, элементы и опоры должны распо­лагаться вне сварных швов корпусов.

Конструкционные и коррозионно-стойкие материалы, применяемые в конструкциях со­судов и их элементов, должны обеспечивать их надежную работу в течение расчетного срока службы с учетом условий эксплуатации.

Толщина защитного слоя может состав­лять 3...20 мм. Исходя из этого, внутренние поверхности сосуда футеруют листовым мате­риалом или защищают наплавкой.

Кроме того, должны быть предусмотрены строповочные устройства (цапфы, упоры, хо­муты, захватные приспособления) для прове­дения погрузочно-разгрузочных работ, транс­портировки, подъема и установки сосуда в проектное положение, а также опоры (лапы, бурты, юбки и др.) и средства для крепления теплоизоляции.

Конструкция, применяемые материалы, технические условия на изготовление сосудов высокого давления, приобретаемых за рубе­жом. должны соответствовать требованиям Госгортехнадзора России.

Цилиндрические элементы корпуса со­судов высокого давления. Однослойная (мо­нолитная) обечайка представляет собой ци­линдрическую часть корпуса, выполненную из цельной кольцевой поковки либо штампованых полукорыт или вальцованых цилиндров из толстого листа, сваренных продольными шва­ми. На торцах обечайки должна быть преду­смотрена разделка под сварку кольцевых швов.

Защита монолитных обечаек от коррозии осуществляется методом наплавки или футе­ровки листом из коррозионно-стойкого мате­риала, либо вся обечайка изготовляется из та­кого материала.

_______ L_

В

Б

Многослойная рулонированная обечайка (многослойная царга) содержит центральную обечайку 7, закрепленную на ней клиновую вставку 2, намотанную по спирали до необхо­димого размера рулонную полосу 3 толщиной 4...6 мм, одну клиновую вставку для придания наружной поверхности круглой формы, защит­ный кожух 4 с\ммарной толщиной не менее двух слоев спиральной навивки, которым за­крыта снаружи вся царга (рис. 8.1.8). Число спиральных слоев в многослойной рулониро- ванной обечайке должно быть не менее семи.

Для защиты от коррозии центральная обечайка может быть выполнена из биметалла с плакирующим слоем или целиком из листа, коррозионно-стойкого в соответствующей ра­бочей среде.

Для создания дренажной (контрольной) системы и выхода диффундирующих газов на расстоянии 50... 130 мм от торцов многослой­ной царги предусматривают отверстия до пер­вого намотанного слоя.

Длина рулонированной обечайки зависит от ширины рулонной полосы, поставляемой металлургическими заводами, и составляет 1600... 1800 мм. диаметр ограничен только общей массой сосуда по возможностям грузо­подъемных механизмов и габаритным разме­рам подвижного состава при транспортировке обечайки, толщина ее стенки достигает 300 мм.

Днища. В соответствии с іребованиями правил Госгортехнадзора России в сосудах высокого давления используюіся следующие основные типы днищ: плоские отбортованные (рис. 8.1.9, а, б): эллиптические (рис. 8.1.9, в)\ Полусферические (рис. 8.1.9. г).

Фланцы и горловины. 1 ипичные кова­ные фланцы, приваренные к монолитной и многослойной обечайкам (рис 8.1.10) свверт-

Рис. 8.1.11. Горловины сосудов высокого давления:

А - малого и среднего диаметров; б - крупногабаритных

Ными крепежными шпильками, компактны, обеспечивают минимальный изгибающий мо­мент в конструкции вследствие расположения шпилек по минимально возможному диаметру и экономичны по металлоемкости.

В тех случаях, когда в сосуде не требует­ся разъем корпуса по всему диаметру для уста­новки и извлечения внутренней насадки или других устройств, применяются горловины, которые обеспечивают доступ во внутреннюю полость сосуда только для освидетельствова - 'ния, монтажа по частям каких-либо внутрен­них устройств, засыпки и выгрузки катализа­тора и др. (рис. 8.1.11).

Крышки. Для сосудов высокого давле­ния малых и средних диаметров широко при­меняют плоские кованые крышки, а для сосу­дов больших диаметров, когда сложно изгото­вить плоскую крышку из одной поковки, - выпуклые сварные крышки, состоящие из ко­ваного фланца и эллиптической или сфериче­ской кованой или штампованной части (рис. 8.1.12).

Штуцера. Штуцера (рис. 8.1.13, в, г) Применяются в конструкциях сосудов, внут­ренняя поверхность которых выполнена из коррозионно-стойкой стали.

Разъемные соединения. В оборудовании высокого давления они представляют собой совокупность конструктивных элементов, обеспечивающих возможность открытия и закрытия сосудов и герметичность мест стыка соединяемых деталей в условиях эксплуатации. В литературных источниках часто использует­ся термин «затвор» вместо термина «разъемное соединение».

Уплотнение включает уплотнительное кольцо (прокладку) и уплотнительные элемен­ты соединяемых деталей. Крепежные детали удерживают элементы уплотнения относитель­но друг друга в заданном положении. Наиболее широкое распространение в промышленности имеет разъемное соединение с крепежными деталями в виде шпилек и с резьбовыми гнез­дами, расположенными по торцу фланца или горловины корпуса.

В зависимости от конструкции разъемно­го соединения герметичность обеспечивается либо за счет принудительного уплотнения, создаваемого силами затяжки (в литературе и нормативных документах часто применяется

Термин «усилиями затяжки»), либо за счет са­моуплотнения. Конструкции разъемных соеди­нений с принудительным уплотнением пред­ставлены на рис. 8.1.14. Наиболее распростра­нены разъемные соединения с плоскими про­кладками из меди, алюминия, мягкой стали, паронита, фторопласта.

В разъемных соединениях с самоуплот­нением уплотнительные поверхности контакта дополнительно нагружаются за счет действия давления среды. При этом различают соедине­ния с радиальным, осевым и комбинированным (сочетающим оба вида) самоуплотнением. Со­единение типа Simon-Carvs, с радиальным са­моуплотнением (рис. 8.1.15) применяется в реакторах производства полиэтилена при дав­лении до 250 МПа и диаметре 300...500 мм.

Разъемное соединение с осевым самоуп­лотнением показано на рис. 8.1.16.

Л

-И

Ш

Щїї

Рис. 8.1.14. Разъемные соединения с принудительным уплотнением:

А - плоское беспрокладочное; б - коническое беспрокладочное, в - с плоской прокладкой из мягкого металла

Рис. 8.1.16. Разъемное соединение с осевым самоуплотнением и прокладкой из мягкого металла:

1 - корпус; 2 - крышка; 3 - прокладка; 4 - кольцо; 5- шпилька

В промышленности широко применяется разъемное соединение с двухконусным уплот- нительным кольцом, основанное на принципе комбинированного самоуплотнения. Уплотне­ние в нем осуществляется стальным уплотни - тельным кольцом 1 и прокладками 4 из листо­вой меди, алюминия (рис. 8.1.17).

Различные варианты разъемных соедине­ний с принудительным уплотнением (напри­мер, фирмы Казале), с осевым самоуплотнени­ем (типов Найтроджен и Уде-Бредшнайдер), разработанные еще в первой половине XX ве­ка, используются в промышленности до на­стоящего времени.

Согласно действующей в России норма­тивно-технической документации (ОСТ 26 0186-88) основными типами уплотнений высо­кого давления являются:

двухконусное уплотнительное кольцо (рис. 8.1.17);

уплотнительное кольцо треугольного сечения (рис. 8.1.18);

уплотнительное кольцо восьмиуголь­ного сечения (рис. 8.1.19);

плоская прокладка (рис. 8.1.20). Параметры их применения приведены в

Табл. 8.1.2.

Особое место занимают разъемные со­единения с мембранными уплотнениями (рис. 8.1.21). При сборке крышку с предвари­тельно приваренной мембраной устанавливают на выступ корпуса, мембрану приваривают к корпусу, после чего устанавливают нажимной фланец и затягивают шпильки требуемой си­лой затяжки. При разборке соединения (рис. 8.1.21, а) разрезают один из сварных швов с последующей заменой мембраны. Другой тип мембранного соединения предполагает при­варку мембраны по отдельности к корпусу и крышке и последующую сварку их между со­бой изнутри (рис. 8.1.21, б) или снаружи в за­висимости от диаметра соединения. Мембран­ные узлы с внутренней сваркой, как правило, используются при больших диаметрах сосудов и могут быть использованы при высоких тем­пературах и высоких требованиях к герметич­ности затворного узла.

В качестве уплотнения сосудов, рабо­тающих при температуре до 100 °С, часто ис­пользуют соединения с резиновыми кольцами круглого сечения.

Крепежные детали сосудов высокого давления - шпильки с гайками и шайбами. Диаметр шпилек в зависимости от внутреннего диаметра сосуда и рабочего давления может достигать 200 мм и более. Опорный торец гай­ки и прилегающая к нему поверхность под­кладной шайбы имеют форму сферы, что по­зволяет устранять изгиб шпилек, возникающий вследствие неточности монтажа.

При малых диаметрах сосуда и больших давлениях (свыше 100 МПа) в разъемном со­единении чаще применяют резьбовое крепле­ние (рис. 8.1.22).