МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РУЛОНИРОВАННЫХ СОСУДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

В настоящее время накоплен значительный опыт производства и эксплуатации сварных многослойных рулонированных сосудов, ко­торый подтвердил правильность и эффективность выбранного направ­ления в создании аппаратуры высокого давления вообще и круп­ногабаритной в частности. За последние пятнадцать лет химической и нефтеперерабатывающей промышленности, а также другим отрас­лям народного хозяйства поставлено свыше 250 сосудов высокого дав­ления в рулонированном исполнении, в том числе такие аппараты как колонны синтеза аммиака для агрегатов мощностью 450 тыс. т/год — внутренним диаметром 2400 мм, на давление 32 МПа и температуру 300 °С (вес колонны 503 т), реактор гидрокрекинга нефти мощностью 1 млн. т/год (по перерабатываемому нефтепродукту) — внутренним диаметром 3000 мм, на давление 22 МПа и температуру 350 °С (вес в сборе 650 т). На сегодня это самые крупные сосуды, изготовленные на заводе. Технологические возможности специализированного про­изводства рулонной аппаратуры еще не исчерпаны.

Большое количество аппаратуры высокого давления в рулониро данном исполнении и, прежде всего оборудование, входящее в состав

комплектных технологических линий и установок, изготавливаются с государственным Знаком качества. Рулонированная аппаратура высокого давления поставляется также на экспорт (КНДР, СРР, НРБ, и др).

Рулонированные сосуды широко применяются для работы при давлениях до 40 МПа, температуре до 300 °С, в основном для ста­тических нагрузок и на предельное число циклов нагружения 103. Эти параметры наиболее характерны для аппаратуры, применяемой в химической и нефтехимической промышленности.

Однако, на наш взгляд многослойно-рулонированная конструк­ция корпусов аппаратуры высокого давления имеет большие резервы расширения эксплуатационных параметров и области ее применения. Так, в 1978 г. были созданы аппараты для гидротермального синтеза минералов, в частности, кристаллов кварца, на эксплуатационное давление 60 МПа и температуру 400 °С, которые успешно работают на Южно-Уральском заводе «Кристалл». В 1979 г. изготовлены сосу­ды (емкостного типа) эксплуатируемые при давлении 150 МПа и нормальной температуре. В 1978—1980 г. объединением выпущен ряд аппаратов высокого давления для эксплуатации при температу­рах до —40 °С.

Потребность в расширении области применения рулонированньп сосудов высокого давления (РСВД), повышении эксплуатационных параметров (давления, температуры, условий нагружения, объемов и др). диктуется необходимостью дальнейшего развития ряда важ­нейших отраслей народного хозяйства страны. Перед ПО Уралхим - маш и организациями, участвовавшими в разработке и реализации идеи РСВД (ИЭС им. Е. О. Патона, ИркутскНИИхиммаш, ЦНИИЧермет) в одиннадцатой пятилетке ставится задача, наряду с продолжением выпуска освоенной аппаратуры высокого давления, решить вопросы создания нового оборудования, в том числе для современных новых производств с повышенными параметрами работы.

Безусловно, как по вновь создаваемому оборудованию, так и по освоенному в производстве, вопросы повышения качества, надеж­ности, снижения металлоемкости и трудоемкости изготовления, т. е. эффективности оборудования имеют первостепенное значение.

В связи с необходимостью дальнейшего совершенствования и рас­ширения эксплуатационных параметров РСВД следует решить мно­жество вопросов. Например, увеличения внутреннего давления и температуры стенок сосудов. С целью упрощения аппаратурного оформления, повышения устойчивости проведения технологического процесса гидрокрекинга тяжелого дистиллятного и остаточного нефтя­ного сырья на установках мощностью 1 и 2,5 млн. т/год необходима разработка и изготовление реакторов внутренним диаметром 3200 мм на давление 20 МПа, температура стенки которых при одновремен­ном воздействии водорода и сероводорода будет достигать значений 450—500 °С. Таким образом, по сравнению с реакторами гидро­крекинга, изготовленными в десятой пятилетке, отмечено существен­ное изменение условий эксплуатации корпусов многослойно-рулони - рованной конструкции.

Дальнейшее развитие процессов гидротермального синтеза ми­нерального сырья ставит задачу создания в больших объемах обору­дования для выращивания монокристаллов кварца. Автоклавы должны работать при давлении до 12 МПа и температуре стенки до 425 °С.

В настоящее время ведутся работы по совершенствованию про­цессов получения синтетического жидкого топлива из горючих ископаемых, в том числе из угля. Процессы гидрогенизации проте­кают при высоком давлении и температуре 380—550 °С и, естест­венно, требуют соответствующего аппаратурного оформления. К ре­шению этой задачи мы должны быть готовы.

Сосуды рулонированной конструкции широко используются как емкости для накопления и хранения различных газообразных продук­тов (воздуха, азота, кислорода, аргона и др.). Как правило, эти ем­кости устанавливаются на открытом воздухе, поэтому требуемая температура эксплуатации устанавливается с учетом абсолютно минимальных температур окружающего воздуха. Для ряда районов нашей страны, особенно Сибири, Дальнего Востока, эти температуры достигают —60 °С. Нижнюю температурную границу применения рулонированных сосудов необходимо расширить до температур минус 50—60 °С, что является крайне актуальной задачей.

Вопросы повышения качества, надежности рулонированных сосу­дов, снижения трудоемкости изготовления, стоимости, расширения параметров работы связаны прежде всего с повышением качества применяемых материалов, изысканием новых видов проката и эко­номичных материалов.

В настоящее время при изготовлении рулонированной аппарату­ры высокого давления применяется рулонная сталь двух марок: низ­колегированная 10Г2С1 и теплоустойчивая 12ХГНМ.

Рулонная сталь марки 10Г2С1 толщиной 5 и шириной 1500 мм поставляется в нормализованном состоянии с пределом прочности {540 МПа) при 20 °С и пределом текучести 350 МПа 35 кг/мм2. Она используется в основном для сосудов, работающих при температуре стенки от —30 до 300 °С. В отдельных случаях мы использовали эту сталь для сосудов, работающих при температуре стенки —40 °С.

За последние годы за счет введения нормализации стали Жданов­ский завод дважды поднимал предел прочности от 500 до 520 и от 520 до 540 МПа и в настоящее время ее резервы по прочностным характе­ристикам практически использованы.

Рулонная сталь марки 12ХГНМ поставляется толщиной 4 и ши­риной 1400 мм в термообработанном состоянии с пределом прочности при 20 °С 700 МПа при 450 °С 600 МПа и пределом текучести при 20 °С 500 МПа при 450 °С 350 МПа

Она используется для изготовления сосудов, работающих с тем­пературой стенки свыше 300 °С, а также в случаях, когда по прочност­ным свойствам или требуемым конечным весовым характеристикам

для изготовления оборудования не может быть применена сталь марки 10Г2С1.

Основной недостаток этой стали заключается в сложившейся технико-организационной структуре ее изготовления. Так, выплавка слитков производится на Днепроспецстали; изготовление слябов и прокатка стали — на Запорожстали; термообработка, травление, обрезка кромок — на Череповецком металлургическом заводе.

Отметим, что существующая организация изготовления этой марки стали несовершенна и требует пересмотра, возможно, и в части изменения марки стали с тем, чтобы весь процесс изготовления высокопрочной теплоустойчивой рулонной стали был сконцен­трирован на одном, в крайнем случае, двух металлургических за­водах.

В связи с увеличением потребности в аппаратуре высокого давле­ния, работающей в диапазоне температур 300—500 °С, необходи­мо дальнейшее обеспечение стабильности ее выпуска.

Большие надежды в части расширения параметров работы руло - нированной аппаратуры высокого давления, дальнейшего повышения ее качества, снижения трудоемкости изготовления, улучшения весо­вых характеристик аппаратуры мы связываем с проводимой работой по освоению промышленного производства рулонной стали марки 08Г2СФБ и применением ее при изготовлении оборудования.

В настоящее время создана хорошая марка рулонной стали с пределом прочности 600 МПа — 08Г2СФБ. Первая партия этой ста­ли, предназначенная для изготовления РСВД, имела ширину 1500 мм, вторая — 1700 мм и толщиной 5 мм. Изготовление рулонированных блоков из этой стали показало ее хорошее качество по геометрическим параметрам, включая разнотолщинность, бочкообразность, серповид - ность, что привело к уменьшению межслойных зазоров при намотке ленты. Исследования показали также хорошую стойкость стали 08Г2СФБ против хрупкого разрушения до исследованной темпера­туры — 60 °С.

Применение этой стали позволит расширить нижний температур­ный предел эксплуатации рулонированных сосудов и повысить их качество. Применение стали 08Г2СФБ вместо стали 10Г2С1 сни­зит, в зависимости от параметров эксплуатации, металлоемкость обо­рудования на 8—12 % и уменьшит трудоемкость их изготовления. Большая часть аппаратуры высокого давления работает в условиях коррозионного воздействия среды. Рулонированная конструкция позволяет качественно и экономично решить вопрос защиты внутрен­ней поверхности аппаратуры от этого воздействия.

С этой целью основной элемент рулонированного сосуда — цент­ральная обечайка — изготавливается, как правило, из биметалла марок 09Г2С + 12Х18Н10Т, 09Г2С + 10X17H13M3T. Основные

дефекты — отслоение плакирующего слоя, низкое качество основно­го слоя. Работы по повышению качества биметалла проводятся до настоящего времени. Необходимо ускорить промышленное внедрение биметалла, получаемого методом электрошлакового обогрева (ЭШО) и комбинированным способом из несимметричных пакетов.

Если к качеству поковок из стали 22ХЗМ существенных претен­зий нет, то толстолистовой прокат из сталей марок 20К, 09Г2С, 10Г2С1, применяемый для штампованных днищ, нас не удовлетворя­ет. Малое количество марок сталей, низкие механические свойства, неудовлетворительное качество толстолистового проката приводит к необходимости изготавливать штампованные днища из поковок, искать возможность замены монолитных днищ многослойными, т. е. изготовления днищ из более тонких (40—50 мм) листов.

В изготовлении рулонированной аппаратуры высокого давления электросварка имеет первостепенное значение.

В настоящее время уровень применения автоматической сварки при изготовлении корпусов РСВД доведен до 100 %, а трудоемкость сварочных работ составляет приблизительно 50 % от общей трудоем­кости изготовления корпусов.

Достаточно сказать, что при изготовлении корпуса колонны синтеза агрегата по производству аммиака мощностью 450 тыс. т/год используется около 15 т сварочной проволоки. Мы продолжаем заниматься совершенствованием применяемых при изготовлении РСВД видов и способов сварки, направленных на повышение качества и производительности выполнения сварочных работ, улучшения условий труда, сокращения расхода сварочных материалов, энерго­затрат. В частности, внедрен способ наплавки торцов рулонированных блоков и поковок электродом с поперечными колебаниями по слою крошки. Это повысило производительность труда в 4 раза. Одновре­менно улучшились прочностные показатели кольцевых швов сосудов.

Накопленный опыт, повышение квалификации сварщиков, при­менение ряда новых технологических приемов и организационных мер, наличие чувствительных источников для контроля неразруша­ющими методами — бетатроном мощностью 25 и 35 мэВ для просве­чивания кольцевых швов — дали возможность уменьшить угол раз­делки при сварке кольцевых швов с 12° до 8°. При толщине стенок, достигающей 300 мм, уменьшение угла разделки кромок позволило получить значительный эффект, сократить расход сварочных материа­лов на 20 %.

Увеличение объемов производства оборудования высокого давле­ния в многослойном рулонированном исполнении, расширение об­ластей его применения, внедрение новых процессов и материалов сдерживается ограниченными возможностями производства и полу­чения необходимых марок сварочных проволок, флюса и других ви­дов сварочных материалов.

Введен в действие спроектированный и изготовленный объеди­нением мощный сварочный манипулятор грузоподъемностью 160 т с углом наклона планшайбы до 90°.

Технические возможности манипулятора позволяют использовать его на различных видах сварочных и наплавочных работ. Однако Йолностыо его производственные возможности не используются, что объясняется неудовлетворительным обеспечением сварочными материалами.

Вся многослойно-рулонированная аппаратура высокого давле­

ния, работающая в водородосодержащих и коррозионных средах при температуре свыше 200 °С, требует антикоррозионной защиты. Для этих целей широко используется биметалл. В Институте электро­сварки им. Е. О. Патона АН УССР разработан новый прогрессивный метод сварки двухслойных сталей с применением порошковой ленты. Промышленные испытания его дали положительные результаты. Широкое внедрение этого метода требует качественного освоения производства порошковых лент.

Специфика производства в большинстве случаев требует примене­ния при автоматической сварке источников постоянного тока, а ком­плектование выпускаемых сварочных установок, как правило, производится источниками переменного тока. Выпускаемое оборудо­вание тракторного типа во многих случаях не позволяет эффективно использовать его из-за больших габаритов и веса, малой универсаль­ности.

На наш взгляд, необходимо создание некоторых типов унифи­цированного сварочного оборудования, такого как сварочные полу­автоматы, трактора, подвесные автоматы с взаимозаменяемыми и смен­ными внутри типа и межтиповыми узлами, обеспечивающими все виды сварки при использовании взаимозаменяемых элементов. При этом поставляемое оборудование должно комплектоваться источни­ками питания по виду тока и силовым характеристикам, а также сменными узлами по требованию и заявке потребителя.

Медленно создаются и внедряются надежные сварочные автоматы с программным управлением и автоматической раскладкой валиков, крайне необходимые для сборки рулонированной аппаратуры с толщинами стенок 100—300 мм. Задачи по всем направлениям дальнейшего совершенствования многослойных сосудов высокого давления включены в разработанный Институтом электросварки им. Е. О. Патона АН УССР, ИркутскНИИхиммашем, ПО Уралхим - маш комплексный план дальнейших совместных научно-исследова­тельских и экспериментальных работ на 1981—1985 гг.

Опыт реализации планов предыдущих лет показывает их целе­сообразность и важность, дает практическую отдачу и позволяет надеяться на успешное выполнение задач дальнейшего совершен­ствования аппаратуры высокого давления многослойно-рулонирован- ной конструкции.

УДК 621.772:669.18