Тонкостенные сосуды и аппараты

Сосуд считают тонкостенным, если толщина его стенки значительно меньше прочих размеров (в 20 раз и более). Тонкостенным сосудам с толщиной стенки до 10 мм обычно придают форму цилиндра, сферы или тора. Выбор формы сосуда может определяться различными соображениями. Сферический сосуд при заданной емкости имеет минимальную массу; торовый сосуд можно компактно разместить, например, вокруг камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя (цилиндрическая форма сосуда обеспечивает наиболее технологичное конструктивное оформление). Соединения осуществляют продольными, кольцевыми и круговыми швами.

Тонкостенные сосуды обычно являются конструктивными элементами различных транспортных установок. В тех случаях, когда не требуется экономия массы, используют хорошо свариваемые материалы невысокой прочности. В зависимости от свариваемости металла и его чувствительности к концентрации напряжений представления о технологичности одного и того же конструктивного оформления могут оказаться различными.

Характерные для низкоуглеродистых сталей хорошая свариваемость и малая чувствительность к концентрации напряжений позволяют использовать любые типы сварных соединений. Поэтому при использовании таких материалов главной задачей технолога является снижение трудоемкости изготовления изделия. Примером этого служат конструкции тормозных воздушных баллонов грузовых автомобилей, изготовляемых в условиях крупносерийного и массового производств, когда технологичность изделия особенно важна. Такой баллон имеет обечайку из горячекатаной стали 20кп и два штампованных днища из стали 08кп толщиной 2,5 мм. К днищу дуговой или рельефной сваркой приварены бобышки. Соединение днища с обечайкой — нахлесточное. Такое решение облегчает механизацию сборки путем одновременной запрессовки обоих днищ в обечайку. Для этого отбортованной части днищ придают коническую форму, обеспечивающую их центровку относительно обечайки при сборке.

Ацетиленовый баллон выполнен из более прочной низколегированной стали 15ХСНД. При его изготовлении применять нахле- сточные соединения недопустимо, поэтому все рабочие соединения — стыковые. Кольцевые швы допускается выполнять на подкладках.

При изготовлении сосудов приходится выполнять прямолинейные, кольцевые и круговые стыковые швы. В зависимости от толщины стенок приемы выполнения каждого из них и применяемая оснастка разнообразны.

Швы тонкостенных сосудов, как правило, выполняют в среде защитных газов. Сборку рекомендуется производить с помощью зажимных приспособлений — надежное прижатие свариваемых кромок к подкладке позволяет выполнять одностороннюю сварку в приспособлении без прихватки. При сборке и сварке прямолинейных швов между листами и продольных швов обечаек равномерное и плотное прижатие кромок к подкладке осуществляется зажимными приспособлениями клавишного типа. Усилие прижатия обычно составляет 300…700 Н на 1 см длины шва и создается гидравлическим или пневматическим устройством (рис. 8.5). На верхнем основании жесткого каркаса закреплен ложемент 6 с подкладкой 5. Прижим свариваемых кромок осуществляют раздельно для каждого листа через набор клавиш 3, укрепленных на балках /. Давление на клавиши передается пневмошлангами 2 и регулируется редуктором. Установка и прижатие листов производятся в такой последовательности: поворотом эксцентрикового валика 7 из подкладки выдвигаются фиксаторы 4, после чего до упора в них (справа по рисунку) заводится листовая заготовка и зажимается подачей воздуха в шланг. Затем фиксаторы убираются и до упора в кромку заготовки устанавливается другая заготовка и зажимается подачей воздуха в шланг 2.

При сборке и сварке продольных стыков обечаек основание приспособления выполняют в виде консоли; прижимные балки с клавишами прикрепляют к ним одним концом жестко, а другим концом — посредством откидных болтов.

Продольные швы вызывают нарушение прямолинейности образующих тонкостенных обечаек и уменьшение кривизны в зоне шва в поперечном сечении. Для исправления таких сварочных деформаций широко используют прокатку роликами.

При выполнении кольцевых швов тонкостенных сосудов из материалов, малочувствительных к концентрации напряжений, используют остающиеся подкладные кольца, которые облегчают центровку кромок и их одностороннюю сварку. Для высокопроч-

Рис. 8.5. Приспособление для сборки и сварки прямолинейных стыков тонколистовых элементов

ных материалов такой прием оказывается неприемлемым. В этом случае кольцевые стыки собирают и сваривают на съемных подкладках разжимных колец. Однако надо учитывать, что из-за подогрева кромок впереди сварочной дуги стыки расширяются и отходят от подкладного кольца в радиальном направлении, что может привести к смешению кромок или образованию «домика». В тонкостенных сосудах, работающих под давлением, смещение кромок в стыковом шве является опасным концентратором напряжений, поэтому при изготовлении необходимо принимать меры по предотвращению или устранению таких смешений. Для прижатия кромок применяют наружные стяжные ленты, однако их приходится располагать на некотором расстоянии от оси стыка, смещения предотвращаются лишь частично. Более эффективным оказывается прижатие кромок к подкладкам роликом, перекатывающимся по поверхности стыка непосредственно перед сварочной дугой. Прижим не дает возможности кромкам оторваться от поверхности подкладного кольца в месте образования сварного соединения. Приспособление для прижатия кромок обечаек закрепляют на консоли сварочной головки. Прижимные ролики опираются на обе свариваемые кромки, выравнивая и прижимая их к подкладному кольцу с помощью пружины.

Для сварки стыка обечаек также используют схему, при которой стык выполняют изнутри обечайки. В этом случае зона кольцевого шва охватывается жестким бандажом, вращающимся при сварке вместе с изделием, а сварка первого прохода выполняется изнутри обечайки. Напряжения сжатия, возникающие в зоне нагрева, стремясь увеличить длину свободной кромки стыка, прижимают ее к наружному кольцу бандажа.

Деформации от кольцевого шва для большинства материалов уменьшают диаметр обечайки. Такое сокращение зоны шва хорошо поддается исправлению прокаткой роликами. При сварке алюминиевых сплавов диаметр обечайки в зоне кольцевого шва, выполненного на подкладном кольце, может оказаться не только не меньше, но даже больше первоначального размера. Рассмотренный ранее прием прижатия кромок к подкладному кольцу роликом, расположенным перед сварочной головкой, позволяет практически полностью предотвратить такое увеличение диаметра при сварке стыков обечаек из алюминиевых сплавов.

Если элементы, свариваемые кольцевыми швами, имеют криволинейные очертания и значительные размеры при малой толщине стенок, а требования точной сборки и однопроходной сварки кольцевых стыков дополняются запрещением использовать прихватки и подкладные кольца, то изготовление герметичных корпусов существенно усложняется.

Соединение элементов арматуры (фланцы, штуцеры) со стенкой сосуда обычно делают стыковым, допуская соединение угловыми швами или рельефной сваркой только для материалов, малочувствительных к концентрации напряжений. Стыковые круговые швы выполняют односторонней сваркой на подкладке с канавкой. Вид сборочно-сварочной оснастки и конструктивное оформление стыка определяются необходимостью плотного прижатия кромок к подкладке, предотвращения их перемещений в процессе сварки и устранения сварочных деформаций, приводящих к местному искажению формы оболочки в зоне шва.

В зависимости от формы поверхности стенки сосуда (сферической или цилиндрической), материала и толщины свариваемых элементов конструктивно-технологические решения могут быть различными. Так, например, при вварке фланца в сферический сосуд из алюминиевого сплава АМгб целесообразно использовать соединение с буртиком (рис. 8.6). Технологический буртик предназначен для передачи усилия прижатия фланца на оболочку, обеспечения их соосности и повышения жесткости кромки фланца. Наличие буртика позволяет упростить конструкцию прижимного приспособления, так как усилие прижатия прикладывается только к фланцу, а также предотвратить смещение кромок в процессе сварки и уменьшить местные искажения формы оболочки, возникающие в результате усадки кругового шва.

Рис. 8.6. Сборка фланца с оболочкой при наличии технологического буртика

на фланце

При небольших размерах сосуда или того элемента, в который вваривается деталь арматуры, сварку кругового шва целесообразно осуществлять неподвижной сварочной головкой при вращении приспособления с закрепленным свариваемым стыком. При вварке арматуры в узел значительных размеров круговой шов более удобно выполнять сварочной головкой, перемещающейся по поверхности элемента оболочки, закрепленного неподвижно.

В крупносерийном производстве тонкостенных сосудов (тормозные резервуары, пропановые баллоны) для проведения сборочно-сварочных операций применяют специальные полуавтоматические установки, в которых для сборки продольного стыка обечайки необходимо выполнять следующие действия: приемку обечайки; ориентирование стыка; прижатие его к подкладке симметрично относительно формующей проплав канавки; выполнение шва; освобождение обечайки от зажатия и ее сброс.

Сосуды со стенками толщиной 10…40 мм широко используются в химическом машиностроении, а также в качестве емкостей для хранения и транспортирования жидкостей и сжиженных газов. Нередко требуется защита рабочей поверхности аппарата от коррозионного воздействия среды и сохранения вязкости и пластичности материала несущих конструктивных элементов при низкой температуре. Поэтому используемые материалы весьма разнообразны: углеродистые и высоколегированные стали, медь, алюминий, титан и их сплавы. Так как для обеспечения необходимого срока службы аппарата достаточно иметь слой коррозионно-стойкого материала толщиной всего несколько миллиметров, то при изготовлении аппарата обычно используют двухслойный прокат (плакированные стали).

Аппаратуру емкостного типа обычно выполняют в виде цилиндрических сосудов. При избыточном давлении 0,4… 1,6 МПа и более, а также в емкостях, используемых для транспортировки жидкостей, соединения листовых элементов обечаек и днищ выполняют только стыковыми. Примером таких сосудов служат железнодорожные цистерны различного назначения. Для перевозки нефтепродуктов выпускают цистерны вместимостью 60 и 120 т, диаметром до 3 м со сферическими или эллипсоидными днищами, изготавливаемыми из стали ВСтЗсп или 09Г2С. При изготовлении цистерн для перевозки кислот применяют двухслойную сталь, алюминиевые сплавы и различные защитные покрытия.

Сосуды для хранения и транспортирования жидких газов выполняют двухстенными. Внутренний сосуд цистерны для жидкого азота выполняют из сплава АМц. Внутренний сосуд крепится цепями к наружному, выполняемому из стали 20. Межстенное пространство заполняют теплоизолирующим веществом и выкачивают воздух.

Цилиндрические сосуды обычно собирают из нескольких обечаек и двух полусферических или эллиптических днищ. Обечайки вальцуют из одиночного листа или из сварной заготовки при расположении швов вдоль образующей. Днища либо сваривают из отдельных штампованных лепестков, либо штампуют целиком из листа или из сварной заготовки. Сборку и сварку цилиндрической части сосуда производят на роликовом стенде. Продольный стык обечайки собирают на прихватках с помощью простейших стяжных приспособлений. Сборка кольцевого стыка между обечайками является наиболее трудоемкой операцией.

Сварку продольных и кольцевых швов с толщиной стенки

10…40 мм выполняют чаще всего под слоем флюса с двух сторон. Выполнение первого слоя на весу требует тщательной сборки и ограничения величины зазора по всей длине шва. Поэтому роликовые стенды обычно оборудуют флюсовыми подушками, позволяющими производить сварку первого слоя шва без жесткого ограничения размера зазора в стыке. Флюсовая подушка для продольных швов представляет собой жесткий короб, закрепленный на тележке. Пневмоцилиндры поднимают короб до упора в изделие. Плотное прижатие флюса к стыку происходит за счет подачи сжатого воздуха в шланг. Поджатие флюса при сварке кольцевых швов может осуществляться с помощью подушки ременного типа.

Движение ремня и подача флюса к месту горения дуги происходят вследствие сил трения. Конструкция флюсовой подушки для кольцевых швов представлена на рис. 8.7. При подаче воздуха в пневмоцилиндр 3 диск флюсовой подушки / поднимается до упора в изделие, а сам цилиндр благодаря пружинной подвеске опускается и упирается траверсой 6 в рельсы, фиксируя положение тележки 7. При вращении изделие увлекает за собой диск / с ложементом 4 и, поворачивая его вокруг наклонной оси 2, прижимает резиновую камеру 5 с флюсом к стыку.

Рис. 8.7. Флюсовая подушка с эластичным лотком для сварки кольцевых швов:

1 — диск флюсовой подушки; 2 — ось; 3 — пневмоцилиндр; 4 — ложемент; 5 — резиновая камера; 6 — траверса; 7 — тележка

Первый слой шва выполняют изнутри обечайки, а второй сваривают снаружи по ранее уложенному первому с полным проплавлением всей толщины стенки. При толщине стенки сосуда более 25 мм автоматическую сварку под слоем флюса обычно выполняют в несколько слоев.

При серийном изготовлении сосудов днища часто выполняют штамповкой целиком, причем листовая заготовка может быть сварной. В мелкосерийном и индивидуальном производстве днища обычно собирают и сваривают из отдельных штампованных элементов.

В некоторых случаях емкости имеют эллиптическую или овальную форму поперечного сечения (бензовозы, автоцистерны для перевозки молока и др.). При автоматической сварке под флюсом стыков обечаек с днищами вращение сосуда необходимо осуществлять так, чтобы скорость сварки была постоянной, а сварка проходила в нижнем положении.

Станок, схема которого показана на рис. 8.8, в полной мере удовлетворяет этим требованиям. Копирующий диск 4 имеет две беговые дорожки: наружную, по которой катится ведущий ролик приводного механизма 2, и внутреннюю — для опорного холостого ролика 8. Под действием пружинящего упора 7 копирующий диск оказывается зажатым между ведущим и опорным роликами.

Рис. 8.8. Схема станка для автоматической сварки овальных сосудов:

/ — рельсы; 2 — приводной механизм; 3 — копирующие ролики; 4 — копирующий диск; 5 — плавающая скоба; 6 — рычаг; 7 — упор; 8— опорный ролик; 9 — центрирующее приспособление; 10— противовес

Его крайние положения ограничиваются копирующими роликами 3. Наружная беговая дорожка копирующего диска 4 повторяет внешний контур изделия. Цистерна, предварительно собранная на прихватках, подается на станок тележкой по рельсам / и закрепляется в плавающей скобе 5 зажимным центрирующим приспособлением 9, жестко связанным с копирующим диском. Масса изделия уравновешивается противовесом 10 с помощью подвижных рычагов 6. Наличие двух сварочных головок позволяет одновременно выполнять сварку обоих швов.

Рис. 8.9. Варианты соединения люков и штуцеров с корпусами аппаратов: а — с дополнительным кольцом; б — с утолщенным патрубком; в — с вытяжной горловиной; г — с торовым воротником

В стенки сосудов и аппаратов приходится вваривать штуцера и патрубки, при этом сварные соединения не должны снижать прочности сосуда. Примеры конструктивного оформления штуцером в аппаратах химического производства показаны на рис. 8.9. Варианты с дополнительным усиливающим кольцом (рис. 8.9, а) и утолщенным патрубком (рис. 8.9, б) технологически просты, но при нагружении в зонах расположения угловых швов возникает значительная концентрация напряжений, что может служить причиной появления трещин в процессе эксплуатации. Варианты с вытяжной горловиной (рис. 8.9, в) и с вварным торовым воротником (рис. 8.9, г) более сложны в изготовлении, зато исключение соединений с угловыми швами и плавный переход от стенки корпуса к штуцеру повышают надежность сосуда в эксплуатации.