Сосуды со стенкой средней толщины

К сосудам со стенкой средней толщины (8-40мм) относятся: резервуары (рис.70), автоклавы (рис.71), аппараты химической промышлен­ности (рис.72), кожухи теплообменных аппаратов (рис.73). Так же, как и у тонкостенных сосудов, здесь характерными являются продольные, кольцевые и круго­вые швы, однако приемы сборки, применяемое оборудо­вание и методы сварки иные.

 

 

Рис.70. Горизонтальный цельносварной резервуар

 

 

 

Рис.71. Автоклав

 

 

Рис.72. Унифицированные конструкции химической аппаратуры

 

Рис.73. Кожухотрубчатый теплообменник с плавающим компенсатором

 

Цилиндрические сосуды обычно собирают из несколь­ких обечаек и двух полусферических или эллиптических днищ. Обечайки вальцуют из одиночного листа или из сварной карты при расположении швов вдоль образующей. Продольный стык обечайки собирают на прихватках с помощью простейших стяжных приспособлений.

Первый слой шва выполняют изнутри обечайки, вто­рой слой сваривают снаружи с частичным переплавлением первого слоя. Сварочную головку для сварки наружного слоя закрепляют на подвижном портале или на консоли тележки велосипедного типа (рис.74).

Рис.74. Стенд для автоматической сварки кольцевых стыков

 

9.2.1.Сварка арматуры

Сосуды, рабо­тающие под давлением, имеют, как правило, большое чис­ло штуцеров и люков. К сварным соединениям этих эле­ментов с корпусом предъявляются высокие требования с тем, чтобы они не вызывали снижения прочности сосуда. Примеры конструктивного оформления люков и штуце­ров в аппаратах химического производства показаны на рис.75,а-г. В варианте по рис.75, а использовано дополни­тельное усиливающее кольцо 1, в варианте по рис. 75,6 -утолщенный патрубок 2, в варианте по рис.75, в - вытяж­ка горловины, в варианте по рис.75, г — вваренный в обо­лочку торовый воротник 3. Если штуцер, ввариваемый в корпус сосуда, имеет фланец для болтового соединения с трубопроводом, то этот фланец заранее приваривается к штуцеру.

 

 

Рис.75. Способы соединения люков и штуцеров с корпусами аппаратов

 

Схемы сборки под сварку штуцера с плоским фланцем и с буртовым фланцем показаны соответствен­но на рис. 76,а, б.

 

 

Рис.76 Соединение патрубка с фланцем

 

Соединение трубы со стенкой сосуда целесообразно выполнять также через штуцер, так как при этом улучша­ются условия сварки угловых швов, их контроля и имеет­ся возможность термообработки этих сварных соединений в печах одновременно с термообработкой корпуса сосуда. Варианты штуцерных соединений, применяемые в установ­ках теплоэнергетики, показаны на рис.77, а-е. Соеди­нения по типу рис.77, а используют в барабанах низкого и среднего давления, по типу рис. 77,6,в ,г преимуществен­но в системах высокого давления. Наиболее технологич­ным по условиям выполнения сварки и благоприятным по условиям работы шва является соединение типа рис. 77,д, его применяют в элементах, работающих в наиболее тяже­лых условиях. Штуцерное соединение с пропуском через стенку трубы или сосуда (рис.77, е) применяют при боль­шом диаметре штуцера и необходимости усиления отвер­стия. Из-за высокой жесткости соединения сварка и конт­роль требуют особой тщательности. Это соединение приме­нимо лишь при возможности доступа к внутренней поверх­ности для вырубки и подварки корня шва. Качество свар­ного штуцерного соединения в значительной степени опре­деляется полнотой проплавления и отсутствием дефектов в корне шва.

 

 

Рис.77 Типы штуцерных соединений

 

Качество свар­ного штуцерного соединения в значительной степени опре­деляется полнотой про плавления и отсутствием дефектов в корне шва. Съемное формирующее кольцо (рис. 78, а, б) позволяет обеспечить центровку соединения при сборке и сварку с полным проплавлением.

 

 

Рис.78. Сварка штуцера с использованием подкладного кольца

 

Хорошие результаты позволяет получить вариант выполнения соединения шту­цера с оболочкой, показанный на рис.79, а,б. В оболочке 2 сверлят отверстие d, которое обеспечивает центровку заготовки штуцера 1, выполненной с разделкой кромок под сварку. После сварки отверстие рассверливается до диаметра D, и соединение имеет вид, показанный на pиc.79, б.

Рис.79. Соединение штуцера с удалением корневой части шва

При наложении сварного шва изнутри сосуда иногда конец вставленного штуцера осаживается на мень­ший диаметр (рис.80, а), а после сварки отверстие подвер­гается механической обработке до требующегося диаметра D (рис. 80,6).

 

 

 

Рис.80. Приварка патрубка с предварительной завальцовкой

 

Отверстия под штуцеры обычно сверлятся на радиально-сверлильных станках, но могут быть и вырезаны кисло­родной или плазменной резкой.

Приспособление для автоматической сварки патрубков с торовыми воротниками показано на рис.81. Сварочная го­ловка вращается относительно оси хвостовика 1, который центрируется по отбортовке отверстия с помощью основа­ния 5, центрирующей втулки 2 и фигурной медной под­кладки 3. Необходимый прижим свариваемых кромок соз­дается затяжкой болта 4.

 

Рис.81. Приспособление для сборки и сварки патрубков

 

Толстостенные сосуды

При изготовлении толстостенных сосудов (свыше 40мм) широ­ко используют электрошлаковую сварку, обеспечиваю­щую проплавление всего сечения заодин проход. При этом продольные швы толстостенных обечаек в большин­стве случаев выполняют электрошлаковой сваркой, тогда как кольцевые швы часто выполняют многослойной свар­кой под флюсом. Разделка кромок при многослойной свар­ке показана на рис.82, а, б и 83, а, б.

Рис.82. Разделка кромок продольного стыка под многослойную сварку

Рис.83. Разделка кромок кольцевого стыка под многослойную сварку

На рис.84 и 85 даны примеры сосудов с толщиной стенки 100-150мм. Отдельные обечайки изготовляют из листа путем горячей вальцовки или гибки на прессах. В зависимости от раз­меров сосудов листовую заготовку гнут в нагретом состоя­нии вдоль длинной или вдоль короткой стороны листа. Первый прием является предпочтительным, так как позво­ляет уменьшить число более трудоемких кольцевых швов.

 

Рис.84. Барабан котла высокого давления

 

 

Рис.85. Толстостенный сосуд высокого давления

Многослойные сосуды

Конструкция и технология изготовления толстостенных сосудов, работающих под давлением, непрерывно совершенствуются. Получили распространение толстостенные сосуды: а — цельнокованые, б — кованосварные, в — штампосварные, г, д, е — многослойные (различные варианты), ж — однослойные, усиленные навивкой профи­лированных лент.

Многослойные конструкции имеют ряд важных пре­имуществ перед сосудами с монолитной стенкой. Главные из них: большая надежность в эксплуатации и отсутствие ограничений по увеличению толщины стенки и диаметра.

Для соединения многослойных обечаек друг с другом кольцевым швом торцы их обрабатывают по форме раз­делки кромок, как показано на рис.86,а. После этого на специальной установке (рис.87) на торцы наплав­ляют слой металла толщиной 15-20мм и вторично производят механическую обработку. Пример подготовлен­ного к сварке стыка многослойных обечаек показан на рис.86,б а стыка такой обечайки с монолитным фланцем или днищем — на рис.86,в.

 

 

Рис.86а,Подготовка кромок стыка многослойной обечайки б, Стык, подготовленный к сварке в, Стык многослойной обечайки с монолитным днищем.

 

 

Рис.87. Установка для наплавки торцов обечаек.

Сборка под сварку кольцевых стыков многослойных обечаек отличается повышенной трудоемкостью, что свя­зано с большой массой и малой жесткостью обечаек, приво­дящей к появлению эллипсности поперечного сечения под действием собственной массы. Поэтому многослойные обечайки собирают с применением мощных гидравличес­ких домкратов — распорок и технологических планок 1 (рис.88, а) большой жесткости, привариваемых угловы­ми швами больших сечений. Иногда вместо обычных сбо­рочных планок применяют технологические клинья 1 (рис.88,6), которые при сборке приваривают к наруж­ной стороне наплавленных торцов обечаек угловым швом. При выполнении первого прохода шва автоматической сваркой на роликовом стенде клинья удаляют кислород­ной резкой при подходе их к зоне сварки.

 

 

Рис.88. Сборка стыка многослойных обечаек с применением планок (а) или клиньев (б)

 

 

Изложенная технология производства многослойных сосудов из отдельных обечаек является основной, однако имеются и другие варианты. Технология, показанная на рис. 89, предусматривает изготовление сосуда последо­вательным наращиванием слоев и исключает сплошные кольцевые швы, проходящие через все сечение.

 

 

 

Рис.89. Технологическая последовательность (1-4) изготовления сосуда со смещенными сварными швами.

 

При изготовлении многослойных сосудов особую специфику имеет приварка патрубков и других деталей со сплошной стенкой. Иногда предлагается каждый слой со­суда приваривать к сплошной детали в отдельности (рис.90, а). Другая технология предусматривает выпол­нение предварительной наплавки металла на стенки сосуда и штуцера, X-образную подготовку кромок и последую­щую вварку штуцера в тело сосуда (рис.90, б).

Рис.90. Приварка штуцера к многослойной обечайке

КОРПУСНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ АЭС

Оболочки реактора и парогенератора энергоблока (рис.91) атомной электростанции (АЭС) изготовляют­ся с помощью сварки и являются примером особо ответ­ственных конструкций, работающих в условиях высоких температур и давлений в течение длительного времени.

 

 

Рис.91. Схема энергоблока АЭС

 

Постоянно увеличиваются масса и размеры корпусов (рис. 92).

 

 

Рис.92.Эволюция размеров корпусов атомных реакторов

 

 

Корпус атомного реактора представляет собой толстостен­ную цилиндрическую обечайку со сферическими днища­ми и большим числом патрубков (рис.93). Расчленение корпуса на отдельные заготовки производят, исходя из возможностей технологического оборудования (рис.94). Поскольку в цилиндрической оболочке при наличии внут­реннего давления продольный шов нагружен растягиваю­щими напряжениями, вдвое превышающими напряжения в кольцевых швах, в России принята технология изготовле­ния бесшовных обечаек, получаемых методом свободной ковки на прессе. Внутренняя поверхность обечаек для по­вышения коррозионной стойкости подвергается авто­матической дуговой наплавке аустенитным ленточным электродом (рис.95).

 

 

Рис.93 Схема Российского водо-водяного реактора

 

 

Рис.94. Заготовки корпуса реактора

 

Рис.95. Наплавка ленточным электродом внутренней поверхности обечайки

 

Отдельные обечайки, имеющие толщину 300мм и бо­лее, соединяют многослойной автоматической сваркой под флюсом. Разделка кромок и сечение кольцевых свар­ных швов показаны на рис.96.

 

 

Рис.96 Разделка кромок (а) и сечение (б) кольцевых швов

 

Конструкция и технология изготовления парогенерато­ра аналогичны, однако стенка имеет меньшую толщину и разделка кромок кольцевых стыков предусматривает одностороннюю многослойную сварку с подваркой корня шва изнутри (рис.97).

 

 

Рис.97. Корпус парогенератора

Вварка патрубков диаметром 250-500мм может производиться по двум схемам (рис. 98, а,б). Схема на рис.98, а, принятая в зарубежной практике реакторостроения, предусматривает применение вварных патрубков сложной формы с ручной дуговой сваркой криволинейно­го стыка.

 

 

Рис.98. Способы варки патрубков в корпус реактора

 

В России используют механизированную много­слойную приварку приставных патрубков (рис.9 8,6). При этом исходное отверстие обечайки (рис.99, а) отбортовывают на прессе фигурным пуансоном (рис.99, б) и далее производят механическую обработку кромок, как пока­зано на рис.9,в. Для исключения ручной подварки корня шва и предотвращения прожогов при первом проходе диа­метр патрубка и отверстие в обечайке делаются меньше расчетного. После приварки патрубка отверстие раста­чивается до расчетного значения.

 

 

Рис.99 Подготовка патрубка к сварке

 

Существенно снизить трудоемкость позволяет применение способа электрошла­ковой выплавки патрубков (рис.100). В просверленное отверстие заводят металлическую пробку 2, на которой начинают электрошлаковый процесс. Форму и размеры пат­рубку придают медным охлаждаемым кристаллизатором 1. После выплавки в патрубке сверлят и растачивают отвер­стие.

 

 

Рис.100. Электрошлаковая выплавка патрубка

За рубежом корпуса мощных реакторов изготовляют из поковок, соединяемых не только кольцевыми, но и продольными швами. Толстые заготовки металла для кор­пусов получают прокаткой или ковкой с последующей формовкой на прессе. Так, у корпуса реактора, показанно­го на рис.101 (ФРГ), элементы нижнего сферического поя­са и нижнего днища сделаны из проката, фланцы, обечайка патрубковой зоны и другие обечайки -из поковок. Про­дольные швы выполняют в основном электрошлаковой сваркой с последующей закалкой и отпуском. Однако в связи с тем, что соединения при многослойной автоматической сварке под флюсом имеют более высокую проч­ность и пластичность, а также в связи с возросшей произ­водительностью дуговой сварки ее применили для сварки продольных швов при толщине металла заготовок до 400мм.

 

 

Рис.101. Корпус реактора АЭС

 

 

Характерная форма разделки кромок и схема на­ложения слоев показаны на рис. 102, а. Такая технология требует частой кантовки изделия, чтобы чередовать запол­нение разделки с внутренней и наружной стороны.

 

 

Рис.102 Разделка кромок продольных швов

Этих недостатков не имеет способ сварки под флюсом вертикальных швов в нижнем положении, называемый спо­собом "сабверт". Разделка кромок приведена на рис. 12,6. Кромки свариваемого стыка располагают вертикально, как и при электрошлаковой сварке. Отдельные слои нак­ладывают в разделке перпендикулярно к оси обечайки вдоль толщины ее стенки, начиная от нижнего края стыка. Первые два валика выполняют на подкладке. Сверку ве­дут по узкому зазору. В каждом слое накладывают два ва­лика толщиной по 4 мм в направлении от оператора. Коль­цевые швы выполняют автоматической сваркой под флю­сом. Разделка кромок предусматривает или применение стальных подкладок (рис.103, а, б), или подварку корня шва (рис.103,в).

 

 

Рис.103. Разделка кромок кольцевых швов

 

При сварке сферической крышки с фланцем корпуса реактора (рис.104) толщина свариваемого металла состав­ляет 670мм. Шов выполняют дуговой сваркой под флю­сом в узкий зазор сварочным аппаратом, обеспечивающим раскладку в каждом слое по три валика. После сварки ко­рень шва удаляют механической обработкой.

 

 

Рис.104. Конструкция соединения сферической крышки с фланцем корпуса реактора

11.ТРУБЫ

Спиральношовные трубы

Сборка и сварка труб из рулонной стали спиральным швом, позво­ляет получать трубы большого диапазона диаметров из по­лосы одной ширины. При использовании такого метода про­цесс изготовления идет непрерывно, обеспечивая требуемую точность размера и формы трубы без последующей ка­либровки. Непрерывность процесса сварки спирального шва при смене рулонов и стыковке их концов обеспечи­вается наличием компенсационной петли или летучей ус­тановки. Полоса из рулона с помощью валков подается в правильные вальцы и летучий агрегат, обеспечивающий механизацию обрез­ки, сборки и сварки концов полос после замены рулона без остановки процесса формовки и сварки трубы. Концы полос и последовательно проходят обрез­ку на ножницах и закрепляются прижимами калибровоч­ных ножниц. После выполнения калибровоч­ного реза обоих концов сразу передвижением суппорта до упора задний конец полосы устанавливает­ся по оси канавки подкладки сварочной установки. Соот­ветственно перемещением до упора гильотинных ножниц передний конец полосыподается в сварочную установку с обеспечением требуемого зазора в стыке, концы полос зажимаются, и производится сварка. При выполнении всех этих операций агрегат движется вместе с полосой, а затем отпускает ее и возвращается в исходное поло­жение.

После обрезки продольных кромок дисковыми но­жами полоса правится в вальцах и калибрует­ся по ширине обкаткой роликами. Заталкивающие валкиподают полосу в формующее уст­ройствос обоймами роликов, работающими по схеме трехвалковых гибочных вальцов, что обес­печивает правильную форму трубы и возможность ее сбор­ки с плоской полосой практически без смещения кромок. Однако смещение отсутствует только в том случае, если кромки стыка собираются с зазором, обеспечивающим свободу перемещения каждой из них. Для качественного выполнения шва наличие зазора также желательно, но при условии жесткого допуска на его величину. Величина за­зора фиксируется специальным датчиком в виде роли­ков, перекатывающихся по стыкуемым кромкам. В случае отклонения величины зазора от заданной автоматически включается механизм перемещения люнета, задающего поворот вокруг оси всего устройства, поддерживающего сформованную часть трубы. Датчик положения кромок од­новременно используют для направления по шву свароч­ной головки, накладывающей технологический прихваточный шов. Рабочие швы выполняются при визуальной коррекции направления сварочных головок по стыку. В процессе выполнения спирального шва осуществляется непрерывный ультразвуковой контроль с автоматической маркировкой краской мест обнаружения дефектов.

Спиральный шов выполняется сваркой под флюсом тремя сварочными головками. Головки крепятся на штанге, вводимой внутрь трубы. Внутренний шов, приваривающий кромку полосы к сформованной трубе, имеет малое сечение и является технологическим. Его назначение устранить возможность взаимного переме­щения кромок и предотвратить вытекание сварочной ван­ны при сварке наружного рабочего шва. Внутренний рабочий шов варит двухэлектродная головка, обеспе­чивая хорошее формирование и полный переплав техно­логического шва. Такая технология позволяет гарантиро­вать отсутствие кристаллизационных трещин при сварке низколегированных сталей со скоростями около 110 м/ч.

Выходящая из стана непрерывная труба летучим устрой­ством разрезается на трубы мерной длины.

Увеличение давления в магистральных трубопроводах требует увеличения толщины стенки. Так как толщина полос рулонной стали обычно не превышает 14мм, то воз­никла необходимость спиральношовные трубы диаметром 1420мм и более изготовлять или из рулонной стали в нес­колько слоев, или из отдельных листов требуемой тол­щины.

Каждая из двух последовательно расположенных линий подготовки поло­совой рулонной стали аналогична рассмотренной выше линии и отличается только верхним у внутренней полосы и нижним у наружной полосы расположением ско­са кромок под спиральные швы, а также технологией выполнения поперечных стыков полос из-за необходи­мости обеспечения плотного прилегания слоев друг к другу. В линии подготовки наружного слоя трубы необ­ходимо удалять усиление шва, а провар всей толщины не обязателен. Напротив, в линии подготовки внутреннего слоя проплавление всей толщины необходимо, удалять усиление шва не требуется.

Также в отличие от стана, все операции по стыковке концов полосы при замене рулонов выполняются с остановкой ленты. Непрерывный процесс формовки трубы и сварки спиральных швов обеспечивает­ся благодаря компенсационной петле, которая при раз­мотке рулонов накапливается постепенно и к моменту окончания размотки достигает длины, достаточной для работы стана во время смены рулона и стыковки полос. После прохождения компенсационной петли обе полосы подающими валковыми устройствами заталкиваются сов­местно в формовочное устройство таким образом, чтобы спиральные стыки наружного и внутреннего слоев оказа­лись сдвинуты на шаг, равный 100мм. Сварку трубы на стане осуществляют только технологическими прихваточными швами, выполняемыми в углекислом газе. Рабочие швы выполняют на отдельном рабочем месте после разрезки непрерывной трубы. Сварку ве­дут под флюсом двумя дугами с полным переплавом тех­нологических швов. Концы двухслойных труб замоноличивают укладкой кольцевого шва, устраняюще­го зазор между слоями, после чего на торце делают раз­делку кромок под сварку стыковых швов на монтаже.