СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Тонкостенные сосуды

По назначению, толщине листовых элементов, применяемым материалам и приемам сварки сосуды, работающие под давлени - нием, весьма разнообразны. Общим для такого типа конструк­ций является требование обеспечить возможно более равномерное распределение напряжений. Этого достигают применением стыко­вых соединений, плавным сопряжением стыкуемых элементов и обеспечением надежного проплавления всей их толщины при условии всемерного исключения дефектов сварки.

Тонкостенные сосуды обычно являются конструктивными эле­ментами различных транспортных установок, в том числе совре­менных летательных аппаратов. Быстрый рост размеров ракет

270

для космических полетов вызывает соответственное увеличение размеров емкостей. Это можно видеть на примере семейства ра­кет «Сатурн» с двигателями на жидком топливе (рис. 21.9). Так, цилиндрические баки со сферическими днищами, входящие в со­став стартовой ступени S—1C ракеты «Сатурн-5», имеют диаметр 10 м. Один из них предназначен для жидкого кислорода, дру­гой— для керосина. При ра­боте двигателей эти емкости испытывают внутреннее давле­ние, так как топливо и окис­литель вытесняются принуди­тельно подачей в кислородный бак газообразного кислорода, а в топливный бак — гелия.

Кроме того, такие емкости не­редко входят в состав несущей части конструкции и во время полета могут испытывать до­полнительно сжимающие и из­гибающие нагрузки. Для тран­спортных установок одним из основных показателей совер­шенства конструкции является ее минимальная масса. Поэто­му при изготовлении тонко­стенных сосудов широкое при­менение получили листовые материалы из алюминиевых, маг­ниевых и титановых сплавов и высокопрочных сталей, обла­дающих высокой удельной прочностью. При изготовле­нии ракетных емкостей в зависимости от типа двигателей приме­няют либо алюминиевые сплавы (двигатели на жидком топливе), либо высокопрочные стали или титановые сплавы (двигатели на твердом топливе).

Правильное представление о предельной несущей способности тонкостенного сосуда можно получить при рассмотрении его ра­боты в пластической стадии. Особенностью является то, что при работе стенок за пределом упругой деформации и деформирова-. нии металла по всем направлениям максимальные кольцевые на­пряжения цилиндрических и сферических сосудов определяются в зависимости от диаграммы растяжения металла, которая прибли­женно выражается соотношением

о=А гп,

где а и є — истинные напряжения и деформации; А и п — коэф­фициенты, зависящие от механических свойств металла.

В цилиндрическом сосуде при монотонном нагружении макси­мальное давление достигается при кольцевой пластической дефор­мации єі = /г/2. При этом максимальное условное растягивающее напряжение aimax может не соответствовать пределу прочности:

аітах^ав при я<;0,26 (диаграмма имеет пологий характер); (Тіюах<сГв при 0,26 (диаграмма имеет крутой характер).

Действительная конструктивная прочность сосудов в резуль­тате концентрации напряжений может оказаться ниже предель­ной. Большое влияние оказывает отношение ат/сгв. В случае если

ат/ав=0,6 ч-0,75, конструктивная прочность сосуда приближается к предельной. Если сгт/сгв=0,9, то конструктивная прочность мо­жет оказаться значительно меньше предельной.

Если в тонкостенном сосуде создается вакуум, то оболочки на­до проверить на устойчивость. Цилиндрические оболочки при дли­не 10 г, где г — радиус цилиндра, проверяются по формуле

сгкр=0,55£г (s/ir)3/2//, (21.16)

где аКр — критическое напряжение; s — толщина оболочки, Е — модуль упругости.

Устойчивость сферической оболочки определяется формулой

Окр = 0,1 Es/r. (21.17)

Допускаемое напряжение [сг]^акрт, где т=0,8 — коэффици­ент условий работы.

Тонкостенные сосуды в виде различных тормозных баллонов для наземного транспорта изготовляют крупными сериями, ис­пользуя хорошо свариваемые материалы относительно невысокой прочности. Примером может служить воздушный тормозной ре­зервуар железнодорожного вагона из углеродистой стали. Он име­ет отбортованные днища, приваренные к обечайке стыковым со­единением. Его выполняют либо на остающемся подкладном коль­це (рис. 21.10,а), либо с проточкой отбортованной части днища (рис. 21.10,6). Чем больше диаметр DH, тем более нагруженными 272

оказываются резервуары; при расчете на прочность учитывают возможность уменьшения толщины стенок в результате коррозии на 0,7—1 мм. Коэффициент запаса прочности /г = ов/[о]р прини­мают не менее 3,5.

При изготовлении ацетиленовых баллонов (рис. 12.13,6) при­меняют сталь 15ХСНД; ее предел прочности ав=520 МПа, пре­дел текучести схт = 350 МПа.

Допускаемое напряжение |[а]р=ав/яь гДе коэффициент запа­са «1 = 2,6. Допускаемое напряжение может определяться также по формуле [a]p=GT[п2, где /22=1,5.

Толщина боковой стенки сосуда

s = pD/ (2 [о] рїіф—р) + С; (21.18)

толщина днища сосуда

si = [pD/(4[o]v4Ky-p)]Dl(2h)+C, (21.19)

где р = 3 МПа — расчетное давление; [сг]р=200 МПа — номи­нальное допускаемое напряжение; D=291 мм — внутренний диа­метр днища; С = 0Д см — прибавка на коррозию с учетом срока службы 10 лет и коррозии 0,1 мм в год; h = 71 мм — высота вы­пуклой части днища; ф==1,0— коэффициент прочности сварного^ шва, свариваемого с двух сторон автоматической сваркой под флюсом; т] = 0,9 — поправочный коэффициент, учитывающий класс и группу эксплуатации сосудов, работающих под давлением;. /(=0,95 — конструктивный коэффициент.

Тогда требуемая толщина днища по формуле (21.19)

Sl = [3*0,291/(4-200-0,9-0,95-1—3)] X ХО,291/(2.0,071) +0,001 = 0,0036 м.

Принимаем s = 4 мм.

С целью компактного размещения сосуда, например вокруг камеры сгорания, иногда применяют сосуды в форме тора. В раз­личных точках поперечного сечения торового сосуда напряжения: в окружном направлении зависят от угла 0 (см. рис. 12.12,в) и определяются формулой

ai= (а—0,5 b sin 0)pbj (а+Ь sin 0)£, (21.20)

где b и а указаны на рис. 12.12,в.

Максимальное значение напряжений определяется условием dai/d0 = O, откуда следует 0=—л/2, т. е. в точке С. Осевые на­пряжения в точках А, В, С одинаковы:

02= [(а+0,5Ь)/ (a—b)]pbjt. (21.21)

§ 6. Барабаны котлов

В состав котельных агрегатов входят барабан, экономайзеры,, пароперегреватели и камеры. Барабаны котлов высокой произво­дительности имеют диаметры 1600—1800 мм, толщина их стенок достигает 100 мм. Барабан по длине состоит из отдельных обеча -

«к; днища барабанов, как правило, штампованные. Все соедине­ния выполняются электрошлаковой и дуговой сваркой.

Для котельных сосудов типа барабанов (рис. 21.11) характер­но большое число штуцеров различного назначения. Поэтому при проектировании котельного оборудования большое внимание уде-

Рис. 21.11. Общий вид свар ного барабана котла

ляют определению допустимого размера неукрепленного отвер­стия и расчету укрепления отверстий. Учет ослабления стенки отверстием осуществляют введением коэффициента ф. При про­дольном расположении отверстий

фпрод== (^ d) It, (21.22)

где t — расстояние между центрами отверстий в продольном направлении; d — диаметр отверстия.

Если диаметр отверстия превышает допускаемый (d1Ip), то должна быть увеличена толщина стенки сосуда или отверстие должно быть укреплено приваркой утолщенного штуцера или на­кладки (рис. 21.12). Размеры укрепляющих элементов выбирают по следующему условию:

/ш + /"н + /св^(^—dUp)s, (21.23)

где /н, fсв — площади укрепляющих сечений соответственно штуцеров, накладок и сварных швов; s — номинальная расчетная толщина стенки без ослабления.

Для штуцеров, испытывающих внутреннее давление (рис. 21. 12,а),

Для штуцеров, вваренных внутрь сосудов (рис. 21.12,6) и раз­груженных от давления,

fm=z2hmsm', (21.^5 )

для накладок (рис. 21.13,в)

/н = 26н5н. (21.26)

В сосудах, работающих при температуре выше 300 °С при тол­щине обечайки более 40 мм, применение накладок не рекоменду­ется из-за опасности появления значительных температурных на­

пряжений. Для них более рационально укрепление от­верстия штуцером (рис.

21.12,6) или вваркой стыко­вым швом элемента боль­шей толщины (рис. 21.12,г).

Площадь сечения свар­ных швов /св, присоединяю­щих штуцера или накладки к укрепляемому элементу, принимают без учета уси­ления.

Минимальные размеры швов должны удовлетворять следующим условиям: для штуцеров (рис. 21.13,(2, 6)

Діпіп:=2,1/їііі5іпА^їь (21.27) для накладок (рис. 21.13,в)

Разделка под приварку штуцеров должна обеспечивать соеди­нение их с барабаном или камерой по всей толщине штуцера. Раз­решается приваривать штуцера без разделки, если при ручной дуговой сварке толщина их стенки не более 10 мм и при автома­тической дуговой сварке под флюсом — не более 15 мм.

Рассмотренный метод расчета не учитывает влияния местной концентрации напряжений у отверстий. Полагают, что при высокой пластичности сталей появление местных небольших упругопла­стических деформаций не снижает работоспособности конструкций. При действии переменных нагрузок прочность сосудов может сни­жаться, особенно при использовании высокопрочных сталей (ав— = 800+900 МПа). Разрушения образуются в зонах концентрации напряжений: в местах приварки фланцев, труб, патрубков, штуце­ров. Вероятность малоциклового разрушения заметно возрастает, когда в зоне концентрации оказываются дефекты.

Для надежной работы котлов и сосудов большое значение име­ют пластические свойства металла и низкий уровень остаточных напряжений. Поэтому сварные конструкции котлов подвергают термической обработке. Для устранения остаточных напряжений в конструкциях из низкоуглеродистой стали достаточно высокого отпуска при 7 = 600+650 °С.