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,аиспользовано 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,гпреимуществен­но 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.98,6).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.