МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Создание рациональных сварных конструкций связано с необ­ходимостью полного использования материалов, максимальным повышением эффективности производства, обеспечением надежности и долговечности конструкций на основе новых конструктивно-тех­нологических решений. Плодотворной технической идеей, позволя­ющей успешно решать названные задачи во многих отраслях промыш­ленности, является использование в сварных конструкциях принци­па многослойности, заключающегося в замене толстого монолитного металла пакетом тонких листов.

Промышленное использование многослойных конструкций нача­лось с 40-х годов нашего столетия в связи с развитием химической промышленности, потребовавшей применения в большом объеме сосудов высокого давления, однако широкое применение многослой­ных конструкций наметилось только в последнее десятилетие, когда стало ясно, что возросшие требования и перспектива развития тех­нического прогресса в части повышения производительности, еди­ничной мощности, параметров и надежности химического, нефтяного и энергетического оборудования высокого давления превысят возмож­ности технологических средств изготовления сосудов с однослойной стенкой.

Решающую роль в развитии производства многослойных кон­струкций играют их преимущества перед однослойными, в частности, возможность сравнительно просто с применением сварки изготавли­вать из тонколистового проката конструкции практически неограни­ченных размеров и, что особенно важно, высокой надежности. ;

Использование тонкого металла 4—10 мм, а иногда и больше, устраняет трудности обеспечения необходимого качества стали боль­шой толщины и позволяет повысить ее прочностные характеристики на 10—15 %. При небольших толщинах материала появляется воз­можность изготавливать многослойные конструкции в холодном состоянии без применения уникального оборудования для 'ковкй, штамповки, нагрева. При этом к минимуму сводятся отходы стали, которые, например, при изготовлении кованых сосудов, достигают

Важной особенностью многослойных конструкций является ИХ высокая надежность, выражающаяся прежде всего в повышенной со' противляемости хрупким и квазихрупким разрушениям. Причем мно­гослойные конструкции в достаточно высокой степени сопротивляют­ся как инициированию, так и распространению хрупких разрушений.

Повышение сопротивления инициированию хрупких разрушений обуславливается снижением температур перехода от вязкого к ква - зихрупкому и хрупкому разрушениям за счет уменьшения степени объемности напряженного состояния и более высоких свойств мате­риала в зонах концентрации напряжений. Исследования показали [1], что для некоторых низколегированных сталей температура пере­хода в хрупкое состояние (установленная на образцах Д^ГГТ, от­вечающая 80 % вязкой составляющей) многослойного пакета с тол­щиной одного слоя 4 мм и общей толщиной 20 мм по сравнению с мо­нолитным металлом такой же толщины снижается на 35—40 °С. При этом значительный эффект достигается как при статическом, так и при взрывном и ударном воздействии нагрузок. В монолитных же стенках исключить инициирование хрупкого разрушения очень трудно.

Повышенная сопротивляемость многослойных конструкций рас­пространению разрушения, что бывает очень важно с точки зрения предотвращения аварии и уменьшения степени ее последствий, обус­ловлена межслойными зазорами, препятствующими развитию трещи­ны по толщине стенки. Поэтому в многослойных конструкциях, не имеющих монолитных зон, образование сквозных разрывов при рас­четных напряжениях как правило не происходит. В зонах кольцевых швов разрушение под действием рабочих напряжений может быть локализовано благодаря более высокой динамической вязкости раз­рушения многослойного металла.

Многослойные сосуды высокого давления более экономичны по сравнению с монолитными при необходимости обеспечения водород­ной стойкости. Корпуса таких конструкций могут изготавливаться из обычных материалов с центральной трубой из высоколегирован­ной водородостойкой стали. Устройство дренажных отверстий? в стен­ке обеспечивает удаление диффундирующего водорода и позволяет осуществлять контроль за состоянием внутреннего слоя.

В многослойной стенке могут быть созданы предварительные напряжения, что в ряде случаев может способствовать более равно­мерному распределению напряжений по толщине.

В атомных энергетических установках под действием нейтрон­ного облучения происходит охрупчивание металла и повышение тем­пературы перехода его в хрупкое состояние. Степень повреждаемости металла с увеличением его толщины повышается. Здесь преиму­щество многослойных стенок очевидно.

Как показали исследования, наличие дополнительной контакт­ной податливости отдельных слоев и пониженная изгибная жесткость многослойной стенки увеличивает время соударения летящего пред­мета со стенкой. В результате этого сосредоточенная сила удара, действующая на многослой, значительно снижается. Кроме того, коэффициент восстановления, существенно влияющий на величину импульса, для многослойной стенки меньше чем для монолита. Сле­довательно, в случае удара летящего предмета о многослойную стенку большая часть кинетической энергии пойдет на контактное сближение отдельных слоев, меньшая же ее часть, по сравнению с монолитом, будет расходоваться на изменение формы многослойной стенки сосуда, зарождение и развитие очагов разрушения. Таким образом, многослойная стенка более удароустойчива.

В ряде случаев работоспособность металлической конструкции зависит от уровня колебаний, вызываемых динамическими и сейсми­ческими воздействиями. Здесь важным фактором является демпфиро­вание. Для многослойных металлических конструкций декремент колебаний на порядок выше декремента колебаний монолитных. Следовательно, уровни колебаний и динамических напряжений в многослойной конструкции будут значительно ниже.

Многослойные конструкции имеют также значительные техноло­гические преимущества. Стенка большой толщины изготавливается в холодном состоянии, что исключает необходимость использования уникальных термических печей, мощного оборудования для ковки, штамповки, гибки. Малая толщина металла многослоя предопреде­ляет простоту технологических операций и несложность заводского оборудования.

Принимая во внимание большие преимущества многослойных конструкций перед монолитными во многих странах, в частности, США, Японии, Англии, ФРГ, Франции, ГДР, налажено производство сосудов высокого давления в многослойном исполнении. С исполь­зованием различных способов изготовления многослойных сосудов — рулонирование, мультиволл, способа Смитта, Шеринбека, секцион­ный способ и др. [2] — создано более 30 тыс. сосудов, которые успеш­но эксплуатируются в различных отраслях промышленности.

В нашей стране ПО Уралхиммаш, при участии Институтов электро­сварки им. Е. О. Патона АН УССР и ИркутскНИИхиммаш, орга­низовано производство многослойных сосудов высокого давления в рулонированном варианте и налажен выпуск сосудов, предназначен­ных для химической промышленности (в основном установки синтеза аммиака и реакторы гидрокрекинга нефти).

Материалом для таких многослойных сосудов служит хорошо свариваемая низколегированная сталь нескольких марок, произво­димая на станах непрерывной прокатки. Толщина стали преимущест­венно 5—6 мм.

Технологическая цепь операций по изготовлению сосудов схе­матически может быть представлена следующим образом: рулон — правка полосы — намотка на центральную трубу до заданной толщи­ны — сварка замыкающего шва — механическая обработка торцов обечаек — наплавка торцов — повторная обработка кромок — свар­ка кольцевых швов. Параллельно изготавливаются одно - или двух­слойные днища, обрабатываются их кромки. Заключительными опе­рациями являются приварка фланцев к днищам и стенкам сосудов. Вспомогательные детали, кожух и опорные элементы привариваются к готовому корпусу. В отдельных случаях порядок технологических операций несколько изменяется. На разных стадиях изготовления со­судов производится контроль неразрушающими методами (рентге­нография, ультразвуковая дефектоскопия, цветная дефектоскопия, магнитографический контроль).

Высокоэффективная технология изготовления рулонированных сосудов позволила по данным ПО Уралхиммаш наладить в короткие сроки производство крупногабаритных колонн синтеза аммиака и по сравнению с кованосварными изделиями уменьшить заводскую себе­стоимость в 1,6, сократить цикл производства в 1,7, увеличить в 1,6 раза выпуск продукции сім2 производственной площади, уменьшить толщину стенки части сосудов с 280 до 200 мм. При этом в несколько раз сократилась потребность в крупнотоннажных поковках. Только за последние пять лет изготовлено и введено в эксплуатацию более 40 крупногабаритных рулонированных сосудов, рассчитанных на давление до 32,0 МПа и температуру до 460 °С. Всего в нашей стране к настоящему времени безаварийно эксплуатируется более 180 еди­ниц многослойной аппаратуры, в том числе установки, проработав­шие более десяти лет. Многослойная рулонированная конструкция корпусов сосудов высокого давления останется основной и на ближай­шее десятилетие.

Большой объем проведенных исследований и накопленный опыт производства и эксплуатации многослойных сосудов служит доста­точным основанием для расширения областей их применения.

В настоящее время, в связи с коренной перестройкой топливно - энергетической базы нашей страны в направлении резкого повы­шения роли ядерного горючего вместо природного газа, и, особенно, жидкого органического топлива, существенно возросла потребность в атомных энергетических установках. Организация их производства может быть основана на выпуске конструкций в многослойном ис­полнении, что в значительной степени будет способствовать решению всей проблемы. При этом, однако, следует иметь в виду, что атомные установки работают в более сложных и тяжелых условиях, чем сосу­ды химической промышленности и степень их ответственности зна­чительно выше. Отсюда возникает необходимость в проведении комп­лекса работ, направленных на обеспечение надежности, долговеч­ности п экономичности изготовления корпусов атомных реакторов, пароперегревателей, емкостей безопасности, защитных корпусов и др. Особое внимание должно быть обращено на вопросы, связанные с установлением напряженно-деформированного состояния много­слойных стенок и сварных узлов конструкций, сопротивляемостью их хрупким и квазихрупким разрушениям, расчетами температур­ных полей в многослойных элементах, оценкой циклической прочно­сти, изучением динамической и термоциклической стойкости конструк­ций, методам контроля, разработкой нормативных материалов по расчету на прочность.

Атомная энергетика не единственная область, где широко исполь­зуются многослойные конструкции. Предварительный анализ пока­зывает, что применение многослойных конструкций рационально и при производстве труб большого диаметра для магистральных и технологических трубопроводов, работающих при высоких давле­ниях [3], строительстве резервуаров большой емкости, сверхгаба - ритных сосудов высоких параметров и многих других конструкций и сооружений.

Задачи создателей и исследователей таких многослойных кон­струкций заключаются в быстрейшем решении как перечисленных выше вопросов, так и вопросов, связанных с конкретными изделиями различного назначения. При этом работы должны быть скоорди­нированы таким образом, чтобы к их выполнению могли быть привле­чены ведущие организации Советского Союза и, прежде всего, Ин­ститут электросварки им. Е. О. Патона АН УССР, ЦНИИТМАШ, ИркутскНИИхиммаш, ВНИПИэнергопром, ПО Уралхиммаш, ЦНИИ им. Крылова, ВНИИСТ. Это позволит в короткие сроки обеспечить широкое внедрение многослойных конструкций, обладающих высо­кими экономическими и технологическими показателями, не требу­ющими больших капиталовложений при организации их производства.