Оболочковые конструкции

Конструкции оболочкового типа собирают из листовых заготовок и сваривают герметичными швами. В зависимости от габаритных размеров, конструктивного оформления и характерных особенностей изготовления и эксплуатации оболочковые конструкции можно разделить на негабаритные емкости и сооружения, сосуды, работающие под давлением, трубы и трубопроводы.

Емкостии сооружениянередко имеют размеры, намного превышающие габарит подвижного железнодорожного состава. Такие изделия приходится изготовлять на заводе по частям и отправлять на место монтажа отдельными секциями. Характерные примеры негабаритных емкостей приведены на рисунок 15.

Вертикальные цилиндрические резервуары (рисунок 15, а) чаще всего используют для хранения нефтепродуктов. Высота резервуара обычно не превышает 12-18 м. В нашей стране сооружают такие резервуары вместимостью до 50 000 м³, за рубежом — до 200 000 м³. В географических зонах, где отсутствует снеговая нагрузка, сооружают резервуары с плавающей крышей.

Мокрый газгольдер (рисунок 15, б) для хранения взрывоопасных или ядовитых газов состоит из резервуара 1 и колокола 3 с телескопом 2 или без него. Перемещение колокола и телескопа происходит в направляющих 4, по которым перекатываются ролики 5. Уплотнение в сочленениях достигается водяными затворами.

а — вертикальный цилиндрический резервуар; б — мокрый газгольдер; в — сухой газгольдер; г — сферический резервуар

Рисунок 15 – Негабаритные емкости

Сухой газгольдер имеет неподвижный корпус 3 с днищем 1 и крышей 4 и подвижный поршень 2 (рисунок 15, в). Объем мокрых газгольдеров достигает 50 000 м³, а сухих еще больше.

Сферические газгольдеры (рисунок 15, г) предназначены для хранения газов под давлением до 1,8 МПа. Их собирают из листовых заготовок пространственной кривизны и сваривают стыковыми соединениями. В нашей стране типовыми являются газгольдеры вместимостью 600 и 2000 м³. Термообработка всей конструкции после сварки не производится, поэтому толщина стенок не превышает 36 мм.

К негабаритным сооружениям относят, например, сооружения доменных комплексов (рисунок 16, а), имеющие высоту 40 м и более. К ним предъявляют требования герметичности и прочности. Кожух доменной печи — несущая конструкция; его собирают из листовых элементов толщиной до 60 мм и сваривают стыковыми соединениями. Диаметр кожуха может превышать 15 м. Воздухонагреватели, пылеуловители и скрубберы представляют собой цилиндрические сосуды диаметром 7–11 м со сферическими или коническими куполами. Их собирают и сваривают стыковыми соединениями из листовых элементов толщиной 10–20 мм.

 

а – конструкции доменного комплекса; б – корпус цементной печи;
в –спиральная камера гидротурбины

Рисунок 16 – Характерные примеры негабаритных сооружений оболочкового типа

 

Корпус цементной печи (рисунок 16, б) представляет собой цилиндрическую трубу диаметром 4,5–7 м и длиной 170–230 м. На корпус насаживают бандажные кольца, которыми он опира­ется на роликовые опоры.

Спиральная камера мощной гидротурбины является сложной сварной конструкцией больших размеров (рисунок 16, в).Листовые заготовки, имеющие переменную пространственную кривизну, сваривают стыковыми швами. Необходимость ограничения отклонений от проектных размеров и формы готовой камеры заставляет предъявлять жесткие требования к точности раскроя и монтажа с помощью сварки.

Сосуды, работающие под давлением, целесообразно разделить на следующие группы: тонколистовые, со стенками средней толщины, толстостенные и многослойные. При расчете на прочность Сосуд считают тонкостенным, если толщина его стенки значительно меньше прочих размеров (в 20 раз и более). С позиций конструктивного оформления сварных соединений и технологии изготовления сосуд считают тонкостенным, если толщина стенки не превышает 7–10 мм.

Тонкостенным сосудам обычно придают форму цилиндра, сферы или тора (рисунок 17). Выбор формы может определяться различными соображениями. Сферический сосуд при заданной емкости имеет минимальную массу, торовый можно компактно разместить, например, вокруг камеры сгорания ЖРД, 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 сваривающиеся 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.

 

а – сферический; б – цилиндрический; в – торовый

Рисунок 17 – Характерные типы сосудов

 

Характерная для низкоуглеродистых сталей хорошая свариваемость и малая чувствительность к концентрации напряжений позволяют использовать любые типы сварных соединений. Поэтому при использовании таких материалов главной задачей ставится снижение трудоемкости изготовления изделия. Примером этого служат конструкции тормозных воздушных баллонов грузовых автомобилей, изготовляемых в условиях крупносерийного и массового производства, когда технологичность изделия особенно важна. Такой баллон (рисунок 18, а) имеет обечайку из горячекатаной стали 20 кп и два штампованных днища из стали 08 кп 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 центровку их относительно обечайки при сборке. Ацетиленовый баллон (рисунок 19, б) выполнен из более прочной низколегированной стали 15ХСНД, и нахлесточные соединения при его изготовлении недопустимы. Все рабочие соединения — стыковые, причем кольцевые швы допускается выполнять на подкладках. При использовании высокопрочной стали 25ХСНВФА (σ_в = 1400 МПа) подкладные кольца у стыковых соединений уже применять нельзя (рисунок 19, в).

а – тормозной резервуар грузового автомобиля; б – ацетиленовый баллон; в – сосуд высокого давления; г – шар-баллон из титанового сплава

Рисунок 19 – Тонкостенные сосуды

 

Иногда для понижения рабочих напряжений в зоне сварного соединения увеличивают толщину металла в местах расположения швов (рисунок 19, г).

Сосуды со стенками средней толщины (до 40 мм) широко используются в химическом аппаратостроении, а также как емкости. Для хранения и транспортирования жидкостей и сжиженных газов. Нередко требуется защита рабочей поверхности аппарата от коррозионного воздействия среды и сохранение 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 нередко используют двухслойный прокат.

Толстостенные сосуды (s>40 мм) обычно собирают из вальцованных или штампованных листовых заготовок, свариваемых продольными и кольцевыми стыковыми швами. На рисунок 20 изображена конструкция гидравлического баллона из стали 22 К с толщиной стенок 150 мм, соединения выполнены электрошлаковой сваркой. Угловые швы использованы только для крепления основания к нижнему днищу. Для котельных сосудов характерно большое число штуцеров, к которым стыковыми швами приваривают трубы. Как правило, днища делают выпуклыми с отбортовкой, обеспечивающей вывод сварных соединений из зоны действия значительных напряжений изгиба. Сосуды с внутренним диаметром менее 500 мм, например камеры котлов, допускается изготовлять с плоскими днищами. Особо ответственные сосуды, как, например, корпуса атомных реакторов с толщиной стенки до 200 мм и выше, изготовляют из цельнокованых обечаек, свариваемых между собой кольцевыми швами.

 

Рисунок 20 – Баллон гидравлический вместимостью 10 м³

 

У крупных сосудов высокого давления, применяющихся в химической промышленности, толщина стенки достигает 200–400 мм. Наряду с технологическими трудностями изготовления толстостенных монолитных обечаек возрастает опасность их хрупкого разрушения. Поэтому все чаще применяют многослойные сосуды, диаметр которых может превышать 5 м (рисунок 21, а, б). Днища и фланцы таких сосудов делают сплошными и приваривают к торцам многослойной обечайки стыковыми швами. В зависимости от рабочей среды внутренняя обечайка может быть двухслойной или из коррозионно-стойкой стали, а наружные части корпуса — из низколегированной стали. В зависимости от метода получения многослойной обечайки отдельные слои либо плотно прилегают друг к другу, либо между слоями возможны зазоры. В последнем случае вваривать штуцера в стенку обечайки нецелесообразна так как это нарушает основное условие надежной работы такой стенки – свободное перемещение слоев друг относительно друга в процессе нагружения. Штуцера стремятся размещать в сплошных днищах или в сплошном кольце, вваренном между многослойными обечайками. Это ограничивает использование многослойности применительно к конструкциям барабанов котлов.

 

а – общий вид; б – вварка штуцера

Рисунок 21 – Конструктивное оформление многослойного

Сосуда

 

Изготовление труб

В условиях крупносерийного производства, используя различные методы сварки, выпускают сварные трубы с внешним диаметром от 6 до 1420 мм. Трубы диаметром от 6 до 529 мм изготовляют из рулонного материала с прямым швом, а трубы больших диаметров — из рулонного материала со спиральным швом или из отдельных листов с прямыми швами. Так как рулонный материал имеет ограниченную толщину (до 14 мм), то при выпуске труб большого диаметра (до 2520 мм) для работы под высоким давлением их приходится выполнять либо из непрерывной ленты, полученной наращиванием листов требуемой толщины, либо в два слоя. Использование многослойных труб при строительстве магистральных трубопроводов позволит существенно повысить их стойкость против протяженного разрушения. В связи с этим уже начат выпуск двухслойных спиральношовных труб большого диаметра. В дальнейшем должно быть организовано производство труб, получаемых свертыванием относительно тонкого листа (порядка 4 мм) в несколько слоев с расположением продольных нахлесточных швов начала и конца листа соответственно внутри и снаружи трубы вдоль образующей. Полученные таким образом короткие трубы предполагается укрупнять в длинномерные (12 м) с помощью многослойных кольцевых швов.

При монтаже заводских трубопроводов кроме стыков труб приходится сваривать главным образом отводы, компенсаторы, фланцы, развилки, патрубки, штуцера и другие фасонные детали (рисунок 22).Сварочные работы в котлостроении и аппаратостроении включают стыковку труб экранов и змеевиков, соединения труб с трубными досками в теплообменниках, приварку к трубам продольных или спиральных ребер, изготовление газоплотных панелей из труб, свариваемых одна с другой непрерывными швами через проставки.

 

Рисунок 22 – Схемы сварных узлов заводских трубопроводов