23. Изготовление корпусов аппаратов высокого давления

При внедрении передовой технологии, все большее применение находят процессы, протекающие под высоким давлением, которое является мощным фактором ускорения химических реакций. В связи с этим технологические установки ряда химических производств проектируют на высокие рабочие параметры технологической среды: давление (10-250 МПа), температуру более 500 С и нередко весьма агрессивные среды. Это такие производства, как синтез аммиака (32 МПа) и метанола (10-32 МПа), производство удобрений (20 МПа), полиэтилена (250 МПа) и др.

Для проведения указанных процессов применяют автоклавы, колонны, теплообменные аппараты и др. Проектирование, изготовление и эксплуатация таких аппаратов очень ответственно, так как аварии чреваты тяжелыми последствиями. При высоких температурах и давлениях особенно опасны явления ползучести металла.

В соответствии с ГОСТ 11879 «Сосуды стальные высокого давления. Типы, основные параметры и размеры» корпуса сосудов высокого давления могут иметь диаметр 2000 мм и более.

Рисунок 23.1 – Схемы корпусов высокого давления:

а – открытый с двух сторон; б – с суженной горловиной

Корпус аппарата высокого давления представляет собой толстостенный стальной цилиндр, который в зависимости от назначения и способа изготовления может выполняться открытым с одного или с обоих концов. Корпуса колонн синтеза, вмещающие катализаторные коробки и теплообменные устройства, выполняют с верхним отверстием, диаметр которого равен внутреннему диаметру корпуса (рас. 23.1, а). Для аппаратов без сменных внутренних частей или с насадкой малого диаметра применяют корпуса с зауженной горловиной и неотъемным днищем, с тем, чтобы улучшить условия герметизации сосудов (рис. 23.1, б).

Отличительной особенностью корпусов высокого давления является повышенное соотношение между высотой корпуса Н и диаметром Д_ВН, достигающее Н/Д_ВН = 10–16. Уменьшение этого соотношения, при одинаковом объеме, т.е. при увеличении диаметра, приводит к увеличению веса аппарата за счет увеличения толщины корпуса и крышек. Однако при эксплуатации весьма существенным недостатком сосудов вытянутой формы является значительное увеличение аэродинамического сопротивления насадки и теплообменных устройств вследствие роста линейных скоростей при том же расходе газовой смеси.

Одним из направлений развития химического машиностроения является создание аппаратов большой единичной мощности. Это прежде всего приводит к увеличению диаметров аппаратов, а следовательно, и толщины стенки. Например, колонна синтеза аммиака, работающая при давлении 32 МПа, производительностью 70 т/с аммиака имеет диаметр 800 мм, а колонна синтеза аммиака при таком же давлении, производительностью аммиака 1360 т/с – диаметр 2400 мм. Толщина стенки такой колонны в кованом исполнении более 270 мм, а в руллонированном – около 210 мм.

Обечайки сосудов высокого давления можно подразделять на сплошные и составные.

Сплошные обечайки корпусов высокого давления изготовляются литьем, ковкой, штамповкой с последующей сваркой и др.

Первые корпуса сосудов высокого давления были изготовлены литьем. Литые корпуса имеют прочность, на 30–40 % меньше прочности кованых сосудов и в настоящее время почти не применяются. Цельнокованые корпуса (баллоны) представляют собой цилиндры с обжатыми днищами, изготовленными из одного слитка металла.

Технические требования к поковкам, из которых изготавливаются кованые корпуса, фланцы, крышки и другие детали аппаратов высокого давления, определены ГОСТ 8479-70. Поковки не должны иметь трещин, расслоений и других дефектов.

При изготовлении кованых корпусов используют гидравлические ковочные прессы мощностью 10000–15000 т. Вес слитка в 2 и более раз превышает вес готового корпуса и достигает 250 т. Ковку производят при температуре, близкой к температуре плавления слитка металла, в несколько приемов. При первом нагреве проводят округление слитка и обрубку концов. Затем слиток снова нагревают и подают под пресс для прошива отверстия трубчатым дорном. После нагрева заготовки, на оправке производят ковочные операции – раскатку по диаметру и разгонку по длине. Затем следует механическая обработка, а после нее – обжатие днищ. Обжатие проводят под прессом в специальных разъемных штампах – бойках, для этого каждый конец заготовки нагревают. Во избежание получения складок и гофр обжатие проводят последовательно в двух–трех штампах, имеющих переходные формы. Производство кованых сосудов очень сложно, трудоемко, металлоемко и требует больших затрат.

Сосуды высокого давления можно изготавливать совмещенными способами ковки и прокатки на специальных радиально-вальцовочных станках. Этот способ заключается в том, что стенка нагретой заготовки, откованной из слитка с предварительно оформленным отверстием, раскатывается за несколько проходов несколькими парами радиально расположенных роликов, которые повернуты под небольшим углом к оси заготовки или расположены по спирали. Одновременно с раскаткой осуществляется вытяжка заготовки до необходимого диаметра и толщины стенки.

Применение сварки позволило значительно упростить технологию изготовления сплошных обечаек и корпусов высокого давления.

Создание институтом электросварка им. Патона электрошлаковой сварки позволило разработать технологию изготовления ковано-сварных и штампо-сварных обечаек.

Ковано-сварные сосуды отличаются от кованных только тем, что изготавливаются из двух или нескольких царг одним из указанных выше способов, а затем их сваривают электрошлаковой сваркой по кольцевым швам.

Штампо-сварные обечайки изготавливаются из двух полуобечаек. Полуобечайки с небольшой высотой цилиндрической части можно вальцевать на специальных мощных вальцах, однако после вальцовки всегда приходится проводить калибровку незавальцованных концов, что для листов большой толщины делать чрезвычайно трудно. Прогрессивным способом является горячая штамповка полуобечаек на мощных гидравлических прессах.

Технология штамповки таких полуобечаек состоит в следующем: сначала под прессом загибают один торцевой край полуцилиндра, затем лист штампуют по частям, пропуская его через пресс. Такой способ штамповки позволяет изготавливать полуобечайки любой длины. Сварка полуобечаек – электрошлаковая.

Составные обечайки. Напряженное состояние цилиндрической оболочки, нагруженной внутренним давлением, характеризуется тремя главными напряжениями: кольцевым или тангенциальным _t, осевым _z и радиальным _r (рис. 23.2) . Радиальные напряжения сжатия у внутренней поверхности равны давлению и затухают у противоположной стороны стенки, т.е. у наружной поверхности.

Рисунок 23.2 – Схема напряжений, действующих в стенке обечайки

от внутреннего давления

Осевые напряжения, равномерно распределенные по поперечному сечению стенки, возникают от действия осевого усилия (давления среды), воспринимаемого площадью поперечного сечения цилиндра.

Наибольшие, тангенциальные (кольцевые) напряжения, в значительной степени являются определяющими.

Общее напряженное состояние материала распределено весьма неравномерно по сечению стенки. Радиальные и кольцевые напряжения распределяются по гиперболическому закону.

Задача по определению напряжений была решена Лямэ, и для случая, когда Р_в  Р_н, будут следующие значения _t, _z и _r:

для внутренней поверхности ;

для наружной поверхности .

Совместное действие этих трех главных напряжений может быть заменено эквивалентным действием растягивающего напряжения _э, по энергетической теории прочности

.

Согласно этой теории отношение эквивалентных напряжений _э на внутренней и наружной поверхности цилиндра обратно пропорционально квадрату отношения радиусов цилиндра:

поскольку _t  _z  _r, то после соответствующих подстановок и преобразований и с учетом _э ≤ _доп., то получим:

,

где

Если исходить из условия, что напряжения нигде не должны превосходить _э ≤ _доп, то этому условию будут отвечать лишь напряжения у внутренних слоев стенки, все остальные слои будут недогруженными. Более того, увеличение нагрузки однослойного толстостенного цилиндра ограничено прочностью данного материала. Из уравнения видно, что при . В этих условиях увеличением наружного диаметра нельзя предотвратить недопустимый рост напряжений на внутренней поверхности. Задача увеличения допустимого рабочего давления или уменьшения толщины стенки цилиндра решается созданием начальных напряжений в толстостенных цилиндрах.

Существует два метода создания этих напряжений: метод составных цилиндров, разработанный академиком А.В. Гадолиным и автофреттажа (автоскрепления) инженера А.С. Лаврова. Эти методы позволяют для тех же условий (давлений) иметь значительно меньшую толщину стенки, что значительно снижает металлоемкость аппарата.

Метод автофреттажа заключается в предварительной нагрузке цилиндра, чтобы во внутренних слоях стенки цилиндра возникли пластические деформации, а в наружных – остались упругие деформации (рис. 23.3). После снятия давления во внешних слоях цилиндра сохраняются упругие напряжения, а во внутренних – сжатия.

В дальнейшем при нагрузке такого цилиндра давлением среды остаточные напряжения суммируются с рабочими, разгружая внутренние слои и равномерно распределяясь по толщине стенки. Этот метод основан на действии закона Гука (рис. 23.4) при предварительной нагрузке внутренних слоев до пластического состояния разгрузка идет по линейно-упругому закону. Таким образом, остается деформация  внутренних слоев, создающая напряжение сжатия.

Рисунок 23.3 – Схема напряжений

Рисунок 23.4 – График зависимости напряжения от удлинения  = f()

Для автоскрепленных цилиндров предельное рабочее давление не должно превышать давления автоскрепления, величина которого зависит от материала и безразмерного радиуса  границы упругой и пластической областей деформаций. Эта величина устанавливается из опытных наблюдений за эксплуатацией автоскрепленных цилиндров. Давление автоскрепления Р_а может быть определено из уравнения

где Р_а – давление автоскрепления (внутреннее);

_т – предел текучести материала цилиндра;

– коэффициент толстостенности;

при  = 1, r_S = r в цилиндре возникают пластические деформации на внутренней стенке; при этом давление автоскрепления Р_а = Р_т – 0,503 _Т; при  = 0, r_S  r цилиндр работает в упругой деформации.

Упругая область в цилиндре исчезает полностью, если  = , причем Р_а = Р_т = 1,28 _Т (режим перегрузки).

Пример: Вычислим давление автоскрепления, если по уравнению Р_а = 1,1 _Т; _Т = 476 МПа, то

при  = 1 Р_а = 0,503 _Т = 0,503  476 = 240 МПа;

при  = 1,954 Р_а = 1,1_Т = 1,1  476 = 524 МПа.

Следовательно путем автофреттажа удалось повысить предельное давление с 240 МПа до 524 МПа.

Способ автофреттажа применим для сплошных обечаек и позволяет увеличить рабочее давление при той же толщине стенки или уменьшить толщину стенки при том же давлении.

Метод составных цилиндров А.В. Гадолина. При замене сплошного цилиндра двумя концентрическими на горячей посадке с натягом  во внутреннем цилиндре возникает сжимающее кольцевое напряжение (_Т), а во внешнем – растягивающее (рис. 23.5).

Рисунок 23.5 – Напряжение в двухслойной оболочке

Рисунок 23.6 – Напряжение в многослойной оболочке

С приложением внутреннего давления Р (в рабочем состоянии) появляются напряжения (_Т)_Р и суммарные напряжения (_Т)_ распределяются более равномерно. Увеличивая число цилиндров, и выбирая величину натягов в соответствии с радиусами цилиндров, можно добиться равномерного распределения напряжений по толщине стенки в рабочем состоянии (рис. 22.6).

Изготовление многослойных обечаек корпусов высокого давления

Дву- и трехслойные обечайки корпусов высокого давления впервые были изготовлены в Чехословакии. На внутреннюю бесшовную трубу (гильзу) предварительно проточенную снаружи под посадку на горячо запресовывают расточенный по внутреннему диаметру цилиндр или короткие, до 3 м, царги, которые затем сваривают между собой. Однако такой способ очень трудоемок и металлоемок и не исключает использования тяжелого прессового оборудования. Этим способом изготавливают небольшие обечайки сосудов лабораторного типа.

Более полное выравнивание рабочих напряжений в результате предварительного натяга достигнуто в составных обечайках (сосуды Смитта). На центральную трубу последовательно накладывают и приваривают полуобечайки. Натяг создается тросами гидродомкрата, охватывающими сосуд одним витком. Расстояние между витками тросов 300–400 мм. При сварке необходимо следить, чтобы расстояние между смежными швами было не менее 200 мм. Во избежание диаметрального расположения швов длины дуг полуобечаек делают неравными. Толщина полуобечаек 4–5 мм. После накладки последней пары полуобечаек подрезают торцы и приваривают фланцы или днище.

Оплеточные обечайки

В 1938 году в Германии, а позже в Чехословакии был разработан способ получения обечаек сосудов высокого давления из металлических профильных лент (рис. 23.7). При этом способе (рис. 23.8) из толстостенной трубы, внутренний диаметр которой равен внутреннему диаметру аппарата, отрезают гильзу. На внешней стороне сердечника протачивают спиральные канавки с размерами, равными ширине и высоте выступов на профильной ленте, а к его торцам приваривают крышки для закрепления в них технологического вала.

Рисунок 23.7 – Профильная лента

Рисунок 23.8 – Схема изготовления оплеточных обечаек: 1 – ролики направляющие; 2 - лента; 3 – ролик прижимной; 4 – гильза; 5 – форсунка

Ленту на сердечник наматывают на крупных токарных станках с помощью специальных роликовых устройств, обеспечивающих направление и прижим ленты. Ленту, предварительно приваренную одним концом к гильзе, наматывают с натягом, который обеспечивают нагревом ленты до температуры 600–800 С и последующим охлаждением на барабане. Нагрев производится электрическим током, имеющим напряжение 12–24 В, и силу 4000–5000 А. Контактами служат направляющие 1 и прижимной 3 ролики.

При остывании материал ленты сжимается, создавая напряженное состояние. Навитой ряд ленты приваривают на конце. Таким образом, наматывают необходимое количество слоев. Охлаждение ленты осуществляют воздухом или водой из форсунок. Для соединения с днищами и крышками концы обечайки обрабатывают на цилиндр, и на них в горячем состоянии насаживают фланцевые бандажи. Затем торцы обечайки с закрепленными на них выступающими концами лент и технологическими крышками отрезают. Последняя операция заключается в закреплении на бандажах фланцев, которые также как и бандажи насаживаются в горячем состоянии. Число слоев, до 50, обеспечивает равномерное распределение напряжения по толщине стенки. Однако требуется большая точность проката.

Рулонированные обечайки

На заводе Уралхиммаш совместно с институтом Иркутскхиммашем была разроботана технология изготовления рулонированных обечаек. На эти обечайки разработаны ОСТ 26-01-221-80 и ОСТ 26-01-2211-80.

Рулонированные многослойные обечайки следует изготавливать по ОСТ 26-01-1341-75. Обечайка образуется намоткой рулонной листовой стали на сердечник (гильзу) толщиной 16–20 мм. К сердечнику предъявляются весьма строгие требования по точности изготовления: овальность не более 0,5 % номинального внутреннего диаметра, отклонение образующей от прямолинейности не более 1 мм, отклонение по длине окружности не более 3 мм. На рабочей поверхности сердечников не допускаются риски, царапины, вмятины и другие дефекты, если их глубина превышает требования на поставку листа.

Для изготовления гильзы применяют двухслойный прокат. При его отсутствии заготовку гильзы получают соединением основного листа с плакирующим коррозионно-стойким слоем методом взрыва или другим способом.

Перед рулонированием к листу толщиной 5–6 мм и шириной 1500–1800 мм приваривается клиновая вставка, изготовленная из листовой стали такой же марки и толщины. Тонкий конец вставки должен быть не более 0,3 мм. Клиновую вставку подгибают по диаметру сердечника и прихватывают к нему ручной дуговой сваркой. Зазор по торцам обечайки между клиновой вставкой и первым слоем намотки не должен превышать 0,3 мм.

Рисунок 23.9 – Технологическая линия для изготовления рулонированных обечаек

сосудов высокого давления.

Технологическая линия для изготовления рулонированных обечаек сосудов высокого давления включает в себя следующие операции: размотку рулона, правку полосы, стыковку рулонов, контроль, навивку обечайки, обтяжку наружного кожуха.

В состав линии (рис. 23.9) входят следующие машины и механизмы, обеспечивающие выполнение указанных операций: разматыватель 1, падающие валки 3, роликовые конвейеры 2 и 4, правильные вальцы 5, стыковочная машина 7, отклоняющие валки 8, машина для навивки обечаек 9, склизы 6 и проводки полос.

Основной составной частью технологической линии является машина для навивки многослойных обечаек из полосы (рис.23.10). Именно на ней формируется необходимое качество навивки стальной полосы.

Рисунок 23.10 – Стенд для намотки многослойных рулонированных обечаек

Намотку обечайки осуществляют по схеме (см. рис. 23.10).

Стенд предназначен для изготовления толстостенных обечаек аппаратов высокого давления. Стенд имеет станину 1, рабочие ролики 2, на которые предварительно устанавливают обечайку 6, а к ней приваривают стальную полосу 4 с применением переходного клина 7. Намотку выполняют с использованием натяжного устройства 5. Нажимной валик 3 предназначен для создания требуемого усилия для обеспечения плотного прилегания соседних слоев ленты.

Предварительный натяг создается натяжным механизмом и укатыванием прижимным роликом. После намотки необходимого количества витков к концу листа приваривают клиновую вставку с соблюдением тех же требований, которые предъявляются к начальной клиновой вставке. Овальность рулонированной обечайки после приварки замыкающей клиновой вставки не должна превышать допуск на диаметр обечайки.

Перед сваркой кольцевые швы на рулонированных царгах (обечайках) подвергают механической обработке и наплавке торцов с толщиной наплавляемого металла не менее 5 мм. Отклонение от перпендикулярности торцов к образующей внутреннего диаметра не должно превышать 1 мм на метр длины. Для создания дренажной системы и выхода диффундирующих газов до плавки должны быть равномерно по окружности просверлены отверстия на расстоянии 50–100 мм от торцов и глубину до первого слоя. Сверление и механическую обработку торцов следует выполнять без охлаждающей жидкости. Торцы наплавляют рекомендуемыми присадочными материалами.

Перспективным является способ одновременной навивки двух рулонов. Этот способ навивки позволяет получать обечайки с одинаковой толщиной стенки в продольном направлении, исключив при этом влияние клиновидности полосы (уплотненная кромка одной полосы компенсирует утолщение смежной кромки другой полосы), и повысить производительность труда за счет ускорения навивки.

С целью улучшения качества рулонированных обечаек, снижения трудоемкости их изготовления был разработан способ производства рулонированных обечаек из бандажированных труб. При этом трубы, бандажированные рулонированными многослойными обечайками, можно рассматривать и как готовые элементы сосудов высокого давления [А.с. 618167 (СССР)].

При данном способе вначале сваривают центральную трубу. Отдельно от нее по спирали навиваются многослойные заготовки бандажей, внутренний диаметр которых больше наружного диаметра центральной трубы. Заготовки бандажей надевают на центральную трубу свободно, с зазорами между торцами; сопряжение бандажей с центральной трубой производится обкаткой заготовок вместе с трубой между валками до плотного прилегания слоев друг к другу и к стенке центральной трубы.

После обкатки заготовок бандажей производится их затормаживание, а центральной трубе сообщается контрольный крутящий момент в противоположном направлении. По его величине определяют силу сцепления бандажей с центральной трубой и плотность прилегания слоев бандажей друг к другу, после чего замыкающие концы стальной полосы заготовок бандажей приваривают к их наружной поверхности.

На рис.23.11 показана центральная труба со свободно надетыми на нее бандажами, на рис.23.12 – обкатка бандажей с центральной трубой.

Рисунок 23.11 – Центральная труба со свободно надетыми бандажами

Рисунок 23.12 – Обкатка бандажей с центральной трубой.

По стоимости рулонированные корпуса в два раза дешевле кованых. Недостатком их является то, что по высоте обечайка имеет переменную жесткость. Этот недостаток устранен в спирально рулонированных обечайках.

Спирально рулонированные обечайки

Рисунок 23.13 – Схема намотки спирально рулонированных обечаек

1 – фланец ; 2 –гильза; 3 – лента; 4 – днище.

Технология изготовления спирально рулонированных обечаек разработана на заводе Уралхиммаш совместно с Иркутским НИИХиммаш. Запатентована в ряде стран, в том числе в США, Японии и ряде др.

Технология изготовления корпусов со спирально рулонированной обечайкой следующая. Откованные фланцевая часть и днище приваривают к гильзе толщиной 16–20 мм в соответствии с требованиями ОСТ 26-01-1341-75. Затем на токарном станке на фланце и днище протачивают уступы по толщине листа 5–6 мм, равные количеству витков. К уступу днища приваривают лист шириной 200–400 мм и под углом наматывают на гильзу (рис. 23.13). Конец листа приваривают к уступу фланцевой части. Слои наматывают коаксиально. Предварительный натяг создается натяжным механизмом. После намотки необходимого количества витков с внешней стороны обечайки устанавливают кожух из двух полуобечаек. Гильза изготавливается так же, как и при изготовлении рулонированных обечаек. Такая технология изготовления обеспечивает равную жесткость по высоте, меньшее количество сварочных работ, лучшее распределение кольцевых и осевых усилий.

ОСТ 26-01-1341-75. Качество наплавки контролируют внешним осмотром с применением лупы, увеличивающим размеры дефектов не менее чем в 4 раза.

Сварка царг между собой и приварка днищ, фланцев и других деталей выполняется электродуговой или электрошлаковой сваркой с соблюдением всех правил Госгортехнадзора. Смещение кромок по внутреннему диаметру не должно превышать 3 мм. Отклонение длины корпуса от номинального размера допускается в пределах 0,3% от общей его длины, но не более 75 мм. Искривление внутреннего цилиндра корпуса должно находиться в пределах 0,6 мм на 1 м длины, но не более 6 мм на всю длину – для корпусов, в которых устанавливают внутренние устройства; 2 мм на 1 м длины, но не более 30 мм на всю длину – для корпусов, не имеющих внутренних сопряженных устройств.

С внешней стороны на рулонированную обечайку устанавливают наружную обечайку (кожух), которая состоит из двух полуобечаек, радиус вальцовки которой должен быть равен или меньше начальной. Наружную обечайку с помощью стяжных приспособлений и оборудования медным молотком плотно прижимают к последнему слою намотки и сваривают продольный шов электродуговой сваркой. На кожух крепится бандажи, лестницы, площадки и пр.

После сборки, доустановки внутренних устройств корпус опрессовывают горячей водой давлением в 1,5 раза превышающим расчетное (рабочее). При этом давлении сосуд выдерживают в течение 3 часов, после чего давление постепенно снижают до расчетного, затем дополнительно выдерживают еще 1 час.