7.1 Особенности проектирования технологии изготовления

7. СОСУДЫ, РАБОТАЮЩИЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

7.1. Особенности проектирования технологии изготовления

Сосуды, работающие под давлением, предназначены для хранения, переработки или перевозки жидких и газообразных продуктов. Обычно они имеют цилиндрическую, коническую, сферическую или тороидальную форму. Это барабаны котлов, теплообменники, газовые баллоны, аппараты нефтяной и химической промышленности. Характерной особенностью эксплуатации этих конструкций являются воздействие внутреннего давления (свыше 0,07 МПа), высоких температур, коррозионно-активных сред. Их разрушение может сопровождаться большими материальными потерями или человеческими жертвами, что является основанием для того, чтобы отнести эти конструкции к категории опасных технических устройств, изготовление, монтаж и ремонт которых выполняют при неукоснительном соблюдении требований нормативных документов и Правил, утвержденных государственными органами технического надзора, в частности, органами Ростехнадзора России.

Основными нормативными документами, регламентирующими требования к проектированию и изготовлению сосудов, являются ПБ 03-584-03 – Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных; ОСТ 26-291-94 – Сосуды и аппараты стальные сварные. В зависимости от величины расчетного давления, температуры стенки и характера рабочей среды Правилами ПБ 03-584-03 сосуды разделены на шесть групп (табл.7.1). Требования к технологии изготовления и нормы качества сварных соединений различных сосудов, относящихся к различным группам могут существенно отличаться.

Таблица 7.1

Группы сосудов

Группа	Расчетное давление МПа (кгс/см²)	Температура стенки, °С	Рабочая среда
1	2	3	4
1	Более 0,07 (0,7)	Независимо	Взрывоопасная или пожароопасная или 1-го , 2-го классов опасности
2	Более 0,07 (0,7) до 2,5 (25)	Выше 400	Любая за исключением указанной для 1-ой группы сосудов
	Более 2,5 (25) до 5,0 (50)	Выше 200
	Более 5,0 (50)	Независимо
	Более 4,0 (40) до 5,0 (50)	Ниже минус 40
3	Более 0,07 (0,7) до 1,6 (16)	Ниже минус 20 От 200 до 400
	Более 1,6 (16) до 2,5 (25)	До 400
	Более 2,5 (25) до 4,0 (40)	До 200
	Более 4,0 (40) до 5,0 (50)	От минус 40 до 200
4	Более 0,07 (0,7) до 1,6 (16)	От минус 20 до 200
5а	До 0,07 (0,7)	Независимо	Взрывоопасная или пожароопасная или 1, 2, 3-го классов опасности
5б	До 0,07 (0,7)	Независимо	Взрывобезопасная или пожаробезопасная 4-го класса опасности

Существует ряд других отечественных отраслевых [20,22,27,28], национальных и международных нормативных документов, регламентирующих технологию изготовления сварных сосудов, работающих под давлением. Организации аналогичные Ростехнадзору РФ, осуществляющие государственный надзор за изготовлением, монтажом, ремонтом и эксплуатацией сосудов имеются во всех промышленно развитых странах.

Следует заметить, что требования к качеству и, как следствие, к технологии изготовления определяется экономическими соображениями и допустимой степенью риска достижения желаемого результата. Поэтому цель, которую ставит перед собой инженер при разработке технологии изготовления сварной конструкции, созвучна с выражением: «Лучшее – это всего лишь достаточно хорошее», т.е. соответствующее требованиям нормативных документов.

Благодаря более высокой технологичности наибольшее распространение получили сосуды цилиндрической формы с полусферическими, сферическими, полуэллиптическими и, реже, плоскими днищами. В некоторых случаях, когда определяющим фактором являются вес конструкции, предпочтение отдают сосудам сферической формы.

При сварке обечаек и приварке днищ к обечайкам следует применять только стыковые швы с полным проплавлением.

На корпусе сосуда имеются штуцеры, патрубки, люки, лазы, опорные стойки и другие элементы крепления. Внутри корпуса могут располагаться детали и механизмы для осуществления технологического процесса.

При приварке штуцеров, люков, труб, трубных решеток, плоских днищ и фланцев допускается применять угловые и тавровые швы. Их также следует выполнять с полным проплавлением, но в некоторых случаях, например при малом диаметре труб, допускаются соединения с конструктивным непроваром.

Допускается применять нахлесточные швы для приварки укрепляющих колец и опорных элементов.

Днища и обечайки изготавливают из листового проката, путем гибки или штамповки в холодном или горячем состоянии в зависимости от толщины металла. С целью сокращения трудоемкости сварочных работ рекомендуется выбирать листовой прокат максимально возможной ширины. Например, отношение ширины заготовки к диаметру днища находится в пределах 1,25…1,45. Если при изготовлении полуэллиптического днища для обечайки из металла толщиной 12 мм, диаметром 1800 мм взять в качестве исходной заготовки лист шириной 1250 мм, то потребуется две заготовки, которые будет необходимо соединить между собой сварным швом по диаметру. При выборе листа шириной более 2300 мм днище можно выполнить без сварных швов. Максимальная ширина листового проката, предусмотренная сортаментом для толстолистовой стали, 3600 мм, что позволяет изготовить без сварки днище диаметром не более 2600 мм. Поэтому необходимость укрупнения заготовок с помощью сварки при производстве сосудов возникает достаточно часто. Расположение сварного шва на заготовке может существенно повлиять на качество выполнения операции штамповки, поэтому ПБ 03-584-03 и ОСТ 26-291-94 накладывают ограничения на допустимое расположение сварного шва на заготовке днища (рис.7.1).

Рис.7.1. Допустимое расположение сварных швов на заготовке днища (l и l₁ не более 1/5 внутреннего диаметра днища)

В зависимости от назначения и условий эксплуатации сосуды изготавливают из сталей (малоуглеродистых, низколегированных, легированных), сплавов на основе железа и никеля, сплавов алюминия, титановых сплавов, медных сплавов и других конструкционных материалов, но наиболее широкое применение находят стали.

При выборе материалов для изготовления сосудов (сборочных единиц, деталей) следует учитывать: расчетное давление, температуру стенки (минимальную и максимальную), химический состав и характер среды, технологические свойства и коррозионную стойкость материалов.

Для сосудов, устанавливаемых на открытой площадке или в не отапливаемом помещении, при выборе материалов также следует учитывать:

· абсолютную минимальную температуру наружного воздуха данного района, если температура стенки сосуда, находящегося под давлением, может стать отрицательной от воздействия окружающего воздуха;

· среднюю температуру воздуха наиболее холодной пятидневки данного района, если температура стенки сосуда, находящегося под давлением, положительная.

Для сосудов и аппаратов нефтяного и химического машиностроения рекомендуются двухслойные стали с основным слоем из углеродистой или низколегированной стали, плакирующим из легированной стали со специальными свойствами. Например, в следующих сочетаниях: сталь 20К+сталь 08Х13; сталь 12ХМ+сталь 08Х13; Ст3+1Х18Н9Т; сталь 20К+сталь 1Х18Н12М2Т. Двухслойные стали изготавливаются толщиной от 5 мм до 50 мм с облицовочным слоем 0,5…5,0 мм.

Поскольку сосуды, работающие под давлением, относятся к оборудованию опасных технических устройств, их производство должно соответствовать Руководящим документам Органов государственного надзора, в частности, удовлетворять требованиям РД 03-613-03 [24]; РД 03-614-03 [25]; РД 03-615-03 [26], предписывающим порядок применения сварочных технологий, сварочных материалов и сварочного оборудования.

В соответствии с этими документами сварочные материалы, оборудование и технологии, применяемые при производстве сосудов, работающих под давлением, должны пройти аттестацию с целью подтверждения возможности обеспечения качества сварных соединений при их применении. К выполнению сварочных работ, а также к руководству и техническому надзору за выполнением работ, допускаются только сварщики и специалисты сварочного производства, аттестованные в соответствии с ПБ 03-273-99 [21], РД 03-495-02 [23].

Изготовление сосудов, работающих под давлением и их элементов должны выполнять специализированные организации, располагающими техническими средствами, необходимыми для качественного выполнения работ, по технологии, разработанной до начала работ организацией, их выполняющей.

При изготовлении должна применяться система контроля качества, включающая входной, операционный и приемочный контроль, обеспечивающая выполнение работ в соответствии с требованиями нормативной документации.

Сосуды и их элементы из углеродистых, а также низколегированных марганцовистых и марганцово-кремнистых сталей, изготовленные с применением сварки, штамповки или вальцовки, подлежат обязательной термообработке, если:

· толщина стенки цилиндрической обечайки, днища, фланца или патрубка сосуда в месте их сварного соединения более 36 мм для углеродистых сталей и более 30 мм для сталей низколегированных марганцовистых, марганцово-кремнистых;

· номинальная толщина стенки цилиндрических сосудов (патрубка), изготовленных из листовой стали вальцовкой (штамповкой), превышает величину s_кр, вычисленную по формуле:

s_кр = 0,009(D + 1200),

где D - минимальный внутренний диаметр, мм;

· сосуды предназначены для эксплуатации в средах, вызывающих коррозионное растрескивание;

· днища и другие элементы штампуются (вальцуются) при температуре окончания штамповки (вальцовки) ниже 700°С;

· днища сосудов и их элементы независимо от толщины изготовлены холодной штамповкой.

Сосуды и их элементы из сталей низколегированных хромомолибденовых, хромомолибденованадиевых, сталей мартенситного класса и двухслойных с основным слоем из сталей этого типа и класса, изготовленные с применением сварки, должны подвергаться термической обработке независимо от диаметра и толщины стенки.

Завершающим этапом изготовления сосудов является контроль качества сварных соединений. К основным методам контроля стыковых, угловых, тавровых и других сварных соединений сосудов и их элементов днищ, обечаек, штуцеров, люков, фланцев, включая соединения люков и штуцеров с корпусом сосуда, относятся ультразвуковая и радиографическая дефектоскопия. Объем контроля зависит от группы сосудов (табл.7.1.). Сварные соединения сосудов первой и второй групп подлежат 100 % контролю, у сосудов третьей группы контролируют 50 %, а четвертой – 25 % длины каждого шва.

Места сопряжений (пересечений) сварных соединений подлежат обязательному контролю.

Для сосудов 3-й и 4-й групп места контроля устанавливают по результатам внешнего осмотра после окончания сварочных работ.

Все сосуды после их изготовления подлежат гидравлическому испытанию давлением, превышающим номинальную величину на 25 %.

Технология выполнения заготовительных, сборочных и сварочных операций, выбор способов сварки и оборудования зависят от вида конструкционного материала, размеров сосуда и в значительной мере от толщины металла.

Для удобства дальнейшего рассмотрения типовых технологических процессов целесообразно выделить три группы сосудов: тонколистовые (тонкостенные) сосуды, сосуды из металла средней толщины и толстолистовые (толстостенные) сосуды. Это деление условное. Оно не соответствует принятому делению на тонколистовой и толстолистовой металл, где границей является 3,9 мм, не совпадает также с делением на тонкостенные и толстостенные сосуды, где в качестве границы принимают отношение диаметра к толщине равное 10.

К тонкостенным по технологическим признакам относят сосуды с толщиной стенки до 5 мм. Как правило, для таких сосудов цилиндрическую часть и днище можно изготовить из одного листа без укрупнения заготовки. Сварные швы выполняют с одной стороны и, обычно, за один проход, что вызывает необходимость предусматривать специальные меры предотвращения непровара корня шва. Сварку выполняют в среде защитных газов плавящимся или неплавящимся электродом. Из-за малой толщины стенки при сварке могут появляться большие временные деформации кромок и для их предотвращения должны быть приняты специальные меры.

К сосудам из металла средней толщины относятся сосуды с толщиной стенки от 8 мм до 30…40 мм. Основным способом сварки при их изготовлении является автоматическая сварка под флюсом. Их размеры по диаметру превышают 1000 мм, а по длине 2000 мм. Размеры заготовки для их изготовления превышают размеры сортамента листового проката, поэтому требуется либо произвести укрупнение заготовки, либо вначале изготовить отдельные части сосуда, затем произвести сборку и сварку их. Сварку соединений обычно выполняют с двух сторон.

К толстостенным относятся сосуды с толщиной стенки более 30…40 мм. Большая толщина стенки обусловливает необходимость выполнять операции гибки в горячем состоянии металла, нередко сварку требуется выполнять с подогревом, а после сварки назначать термическую обработку для снижения уровня остаточных напряжений и улучшения структуры металла шва. Для продольных швов обечаек и заготовок днищ применяют электрошлаковую сварку, обеспечивающую большую производительность. Для кольцевых стыков – автоматическую сварку под флюсом. В последнее время все чаще используют сварку стыка со щелевой или узкой разделкой кромок, с углом раскрытия менее 15°. Эти способы позволяет уменьшить объем наплавленного металла и, вследствие малой погонной энергии сварки, исключить необходимость термической обработки после сварки.

Существует несколько разновидностей способов сварки соединений деталей с углом разделки кромок менее 15°: под флюсом, в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродом с подачей присадочной проволоки. Следует обратить внимание на то, что применение разделки с углом раскрытия кромок менее 15° значительно повышает требования к технологической культуре производства, качеству сварочных материалов и стабильности работы сварочного оборудования. Например, чтобы исключить появление непровара и несплавления кромок, требуется обеспечить точное направление электрода по стыку, в связи с чем предъявляются более высокие требования к точности подготовки кромок, точности сборки стыка обечаек, слежение за стыком в процессе сварки, более высокие требования к качеству работы механизма правки и подачи проволоки. При сварке под флюсом требуется применение флюсов, обеспечивающих хорошее отделение флюсовой корки от поверхности шва, чтобы не допустить появление шлаковых включений.

Несмотря на определенные технологические сложности, необходимо стремиться к расширению применения узкой разделки при сварке металла большой толщины, т.к. этот значительно сокращает трудоемкость изготовления.

Далее: 7.2. Типовые технологии для тонкостенных сосудов