МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА СОСУДОВ МНОГОСЛОЙНОГО ИСПОЛНЕНИЯ В ХИМИЧЕСКОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

В химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и ряде других отраслей промышленности все шире используются процессы, происходящие при высоких давлениях и температурах. Освоенные отечественной промышленностью производства аммиака, карбамида, спиртоЕ, гидрокрекинга нефти, полиэтилена и др. осуществляются с помощью аппаратуры работающей при давлении до 300 МПа и тем­пературе до 500 °С. Создание крупнотоннажных производств для обес­печения возрастающих потребностей народного хозяйства привело к резкому увеличению габаритов и толщины стенки сосудов. Однако производство таких сосудов ограничено возможностями металлурги­ческого и металлообрабатывающего оборудования. Так, если в со­роковых годах появление многослойных сосудов высокого давления [1] определялось в основном экономическими соображениями, то переход в настоящее время на многослойные конструкции основных несущих элементов сосудов показал нецелесообразность применения больших монолитных сечений. Последнее, открывая возможность изготовления корпусов сосудов практически с неограниченной тол­щиной стенки, привело к повышению их надежности и уменьшению опасности хрупких разрушений.

ИркутскНИИхиммаш начал заниматься многослойными конструк­циями сосудов высокого давления в начале пятидесятых годов в свя­зи с допуском в эксплуатацию витых (оплеточных) сосудов [2, 3], из­готовленных спиральной навивкой узкой (до 80 мм) профильной лен­ты на центральную трубу. Установлено, что такие сосуды имеют ряд недостатков.

До конца пятидесятых годов ИркутскНИИхиммашем и ПО Уралхиммаш был выполнен большой комплекс исследовательских и экспериментальных работ по многослойным сосудам с концентри­ческим расположением слоев [1] (рис. 1, а). В результате этих ра­бот по конструкции и прочности [4—6], технологии изготовления и технологической оснастке [7—9] были решены основные вопросы и изготовлено несколько промышленных COCyflOBj которые успешно эксплуатируются до настоящего времени.

Однако разработанная технология изготовления сосудов с кон­центрическими слоями имеет существенные недостатки, заключа­ющиеся в сложности механизации процесса изготовления и, следо­вательно, большого объема ручного труда и длительного цикла изготовления.

Поэтому, когда в стране возникла важная народнохозяйственная задача по резкому увеличению производства минеральных удоб­рений и получения в большом объеме высокооктановых бензинов и других нефтепродуктов, получаемых при высоких давлениях и темпе­ратуре, Министерству химического и нефтяного машиностроения и Институту электросварки им. Е. О. Патона АН УССР было поруче­но изыскать эффективный способ изготовления крупногабаритных сосудов высокого давления с высокой эксплуатационной надеж­ностью, с коротким циклом изготовления и минимальным применени­ем уникальных крупногабаритных поковок, создать и организовать промышленное их производство в необходимых объемах и номен­клатуре.

В основу решения задачи, поставленной партией и правительст­вом, был положен способ, предложенный в 1963 г. специалистами Института электросварки им. Е. О. Патона АН УССР, ПО Урал - химмаш и ИркутскНИИхиммаш.

'Этот способ был защищен авторским свидетельством и запа­тентован в Англии, ФРГ и франции [9—10].

Принципиальное отличие предложенного способа от всех дру­гих конструкций состоит в том, что отдельные обечайки или вся цилиндрическая часть корпуса сосуда изготавливается способом не­прерывной намотки в холодном состоянии рулонной стали максималь­ной ширины на центральную обечайку (рис. 1, б).

Организации промышленного производства многослойных руло­нированных сосудов предшествовал большой комплекс научно-иссле­довательских, опытно-конструкторских и экспериментальных работ, выполненных ИркутскНИИхиммашем, ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР, ПО Уралхиммаш и другими научно-исследовательскими организациями страны.

Испытания многослойных рулонированных сосудов показали, что эти конструкции характеризуются повышенной деформационной способностью, прочность их выше или равна прочности однослойных сосудов, разрушение имеет безосколочный вязкий характер, а напря­женное состояние — ряд особенностей, описанных в работе [4]. Анализ величин разрушающих давлений показывает, что действи­тельные запасы прочности, определенные как отношения давления разрушения к рабочему давлению, рассчитанному по действующей технической документации, во всех случаях превышают требуемую величину [2, 6]. Средняя кольцевая пластическая деформация наруж­ной поверхности сосудов при разрушении составляет 4—6 %.

В многослойной стенке кольцевые напряжения на внутренней поверхности всегда несколько больше вследствие наличия зазоров между слоями, а на наружной поверхности стенки — соответственно меньше, чем в аналогичном однослойном сосуде. Более существенные отклонения в напряженном состоянии в многослойной стенке на­блюдаются в районе кольцевых сварочных швов. Вследствие более высокой податливости многослойной стенки относительно кольцево­го шва возникают изгибающие напряжения, которые приводят к уве­личению осевых напряжений в его корне. Результаты исследований более 30 многослойных сосудов диаметром от 500 до 1000 мм различ­ных по конструкциям и материалам подтвердили решающее влияние контактной податливости и плотности прилегания слоев на напря­женное состояние многослойных сосудов. Впервые с учетом контакт­ной податливости были разработаны методики расчета напряжений в многослойной стенке [6], в том числе выполненной с натягом [11], и в зоне кольцевого шва, соединяющего две многослойные обечайки [12]. Поскольку при первичном нагружении внутренним давлением в некоторых слоях возникают пластические деформации, то нами были разработаны методики расчета напряженно-деформированного состояния многослойной стенки [13, 14] и кольцевого шва [151 при упругопластической работе.

Для толстостенных сосудов был разработан и внедрен в про­изводство метод снижения остаточных сварочных напряжений, заклю­чающийся в опрессовке сосудов повышенным давлением подогретой водой [16]. В связи с этим особое внимание уделялось исследованию и расчету величины остаточных сварочных напряжений, возника­ющих в кольцевых швах в результате опрессовки технологическим
давлением. Разработанные методы рас­чета позволяют оценить величину сва­рочных напряжений, возникающих в кольцевом шве в процессе сварки и по­добрать необходимую величину предва­рительной опрессовки сосудов для сни­жения уровня остаточных напряжений [17].

Тепловые испытания многослойных сосудов показали, что перепад темпера­туры по толщине стенки в многослойных сосудах больше, чем в однослойных, со­ответственно выше и температурные на­пряжения вследствие особенностей кон­тактного теплообмена на поверхностях соприкосновения слоев. В результате экспериментальных исследований была установлена зависимость контактных температурных сопротивлений в многослойном пакете от контактного давления. На основе полученных зависимостей разработаны методы расчета теплового поля и температурных напряжений в многослойном цилиндре [18]. Описано качественно новое явление — зависимость поля температур от напряженного состояния многослойной стенки, в частности, зависимость перепада температуры по толщине стенки от внутреннего давления (рис. 2). Решен вопрос значительного сниже­ния влияния краевого эффекта в зоне соединения цилиндрической рулонированной части с монолитными выпуклыми крышками и дни­щами [19].

Большое внимание уделялось изучению особенностей напряжен­ного состояния многослойных сосудов рулонированной конструк­ции. Теоретические и экспериментальные исследования показали значительную роль сил трения в этой конструкции [20] и, как следст­вие, особую важность плотного прилегания слоев. При неплотной навивке наибольшую нагрузку воспринимают внутренние и внеш­ние слои. Так, чем плотнее навивка слоя, тем ближе эпюра заме­ренных кольцевых напряжений к рассчитанной по формуле Ляме для однослойного цилиндра. Разработаны технологические приемы, по­вышающие плотность прилегания слоев обкаткой обечаек после навивки, попеременной укладки рулонной полосы (уменьшение влия­ния клиновидности полосы) и опрессовки сосудов повышенным гид­равлическим давлением. Теоретические и экспериментальные иссле­дования распределения напряжений по толщине рулонированных обечаек позволили сформулировать основные технические требования к плотности прилегания слоев. Был разработан и внедрен простой и эффективный метод оценки плотности навивки по усредненному межслойному зазору, определяемому объемом воздуха, занимающего межслойное пространство обечайки [21]. Экспериментальные иссле­дования распределения по слоям напряжений послужили основой для разработки теоретического расчета напряженного состояния.

рулонированной оболочки под действием внутреннего давления при малом значении коэффициента трения [22].

В ходе исследований разработаны технические решения отдель­ных конструктивных элементов многослойных сосудов и технология их изготовления. '

Отклонение геометрических размеров и формы сечения полосы рулонной стали обусловило необходимость проведения исследований по технологии навивки обечаек. Их результаты послужили исходны­ми данными при создании специальной технологической линии по изготовлению рулонированных обечаек [23] (рис. 3). Общепринятые рекомендации для сварки монолитных толстостенных элементов недо­статочны для сварки рулонированных обечаек.

Особенности сварки многослойных обечаек из тонкого металла определяются рядом факторов, главными из которых являются мно - гослойность стенки, недопустимость высокотемпературной термооб­работки, сварка разнородных материалов. Для обеспечения высокого качества сварных соединений рулонированных обечаек разработа­ны специальные разделки кромок и технология сварки [24], а устра­нение, усложняющих процесс сварки, зазоров между слоями достига­ется введением предварительной наплавки торцов обечаек [25].

Для обеспечения высокого качества изделий разработан и внед­рен комплекс методов неразрушающего контроля на всех стадиях технологического процесса изготовления сосудов [26].

С целью более полного использования преимуществ многослой­ных сосудов разработаны конструкция и технология вварки боковых вводов в рулонированную стенку [27], а также изготовления много­слойных днищ [28]. Ведутся работы по замене кованых фланцев ру - . локированными.

Таким образом, созданные на ПО Уралхиммаш технологические и производственные возможности обеспечивают изготовление обору­дования высокого давления в рулонированном исполнении раз­личного назначения внутренним диаметром до 3 м практически неограниченной толщиной стенки.

С точки зрения надежности при создании новых многослойных конструкций сосудов следует отдать предпочтение сосудам с мини­мальным количеством сварных швов, особенно кольцевых, выполняе­мых на всю толщину стенки. Применение сварных полотнищ, изготавливаемых из нескольких полос шириной по 1,5—2 м, позволя­ет уменьшить в несколько раз количество кольцевых швов в рулони­рованных сосудах. Для осуществления этой технологии ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР, ПО Уралхиммаш и ИркутскНИИхим - маш выполнен комплекс поисковых работ [29].

Работы по созданию сосудов новых рулонных конструкций ве­дутся в нескольких направлениях, одним из которых является раз­работка конструкции и технология изготовления спирально-рулон - ных сосудов [30, 31]. В такой конструкции рулонная полоса боль­шой ширины (метр и более) навивается на центральную трубу по винтовой линии, причем каждый последующий слой навивается в про­тивоположную сторону. Теоретически при определенном шаге навивки осевая и кольцевая прочность сосуда без скрепления слоев между собой становится равной прочности эквивалентного монолитного со­суда. В этих сосудах удачно сочетается ряд преимуществ, связан­ных со снижением трудоемкости их изготовления и повышением на­дежности. Важное преимущество этой конструкции — отсутствие массивных кольцевых швов.

Другое направление работ связано с созданием сосудов, изго­товляемых методом непрерывной намотки высокопрочной стальной проволоки [32].