АППАРАТОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

ИЗГОТОВЛЕНИЕ КОРПУСОВ

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 s_t, осевым s_z и радиальным s_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 s_t, s_z и s_r:

 

для внутренней поверхности ;

для наружной поверхности .

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

.

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

поскольку s_t > s_z > s_r, то после соответствующих подстановок и преобразований и с учетом s_э ≤ s_доп., то получим:

,

где

Если исходить из условия, что напряжения нигде не должны превосходить s_э ≤ s_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 D внутренних слоев, создающая напряжение сжатия.

Рисунок 23.3 – Схема напряжений

Рисунок 23.4 – График зависимости напряжения от удлинения s = f(e)

Для автоскрепленных цилиндров предельное рабочее давление не должно превышать давления автоскрепления, величина которого зависит от материала и безразмерного радиуса a 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);

s_т – предел текучести материала цилиндра;

– коэффициент толстостенности;

при a = 1, r_S = r в цилиндре возникают пластические деформации на внутренней стенке; при этом давление автоскрепления Р_а = Р_т – 0,503 s_Т; при a = 0, r_S < r цилиндр работает в упругой деформации.

Упругая область в цилиндре исчезает полностью, если b = a, причем Р_а = Р_т = 1,28 s_Т (режим перегрузки).

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

при a = 1 Р_а = 0,503 s_Т = 0,503 × 476 = 240 МПа;

при a = 1,954 Р_а = 1,1s_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 D во внутреннем цилиндре возникает сжимающее кольцевое напряжение (s_Т)D, 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 (s_Т)_Р и суммарные напряжения (s_Т)_S 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).