Для отправки ваших публикаций, пожалуйста, зарегистрируйтесь.

Если Вы уже зарегистрированы, то авторизуйтесь на сайте.


  1. Вход или регистрация
  1. Подписка

Новые сосуды и аппараты, работающие под давлением с оболочками типа "слоеный пирог"
16 февраля 2016             

Автор: Мамедов Александр Нусратович. Начальник отдела нестандартизированного и специального оборудования ОАО "УзЛИТИнефтгаз"
 
Вначале, чтобы ввести в описываемую тему, немного истории вопроса. Область производства, о которой написана статья, - сосуды высокого давления, отрасль наибольшего применения - химическое производство, оборудование - технологические аппараты. Когда сталкиваешься с проектированием аппаратов, работающих под высоким давлением, на первое место выходит материальное оформление сосуда с его элементами, которые воспринимают основные нагрузки, связанные с давлением. Там, где существует высокое давление, к сосудам, трубам и шлангам предъявляются самые жесткие требования. Монолитная стальная стенка держит давление неплохо. Чем выше давление, тем толще стенка. Чем толще стенка, тем она прочнее. Так считалось, так заставляет считать житейская логика. Но специалистам давно известна «ахиллесова пята» толстостенного металла - неравномерность его свойств по толщине. Сравнительно просто - это умели еще наши предки - закалить тонкое лезвие клинка; закаленная структура распространится на всю глубину металла. Если же попробовать закалить толстую металлическую болванку, то закаленными окажутся лишь поверхностные слои. Толстую стенку трудно прогреть и охладить так, чтобы создать в ней однородную структуру на всю глубину. Кроме того, в монолитной стенке трещины, как пишут в учебниках материаловедения, «имеют тенденцию распространяться на всю толщину»...
 
Но совершенствование конструкций не прекращается. Сейчас известно несколько способов, с помощью которых можно увеличить сопротивление стальных стенок сосудов сверхвысокого давления разрывающим усилиям. Один иэ таких способов (пожалуй, самый старый) заключается в создании многослойных сосудов. Если надеть друг на друга в нагретом состоянии плотно пригнанные стальные цилиндрические оболочки, то после их охлаждения получается цилиндр, составленный из отдельных колец, надетых с натягом. Оказалось, что такой сосуд способен выдерживать большее давление, чем сплошной стальной цилиндр тех же размеров.
 
Для толстостенных конструкций сосудов высокого давления возникла необходимость многослойных рулонированных конструкций. В многослойном же сосуде трещина не передается с одного слоя на другой: минимальный зазор между слоями мешает.
 
А прочность? Бумага - непрочный материал, но попробуйте, разорвите общую тетрадь. Легко сломать прут, почти невозможно веник...
 
В многослойной конструкции заложены те же принципы, тот же запас работоспособности, что и в рессоре или в тросе. Многослойная стенка по сравнению с монолитной обладает большим запасом пластичности и деформируемости. Поэтому такая стенка очень хорошо противостоит нагрузкам, а если и разрушается, то разрушение идет постепенно, вязко, оно не носит характера взрыва.
 
Идея многослойного высокопрочного сосуда не нова. Артиллеристы с давних времен разработали теорию многослойных стволов для орудий крупного калибра. Лет сорок назад завод акционерного общества «Смит» (США) выпустил первые многослойные сосуды для химии - с концентрически расположенными слоями. «Смитовские скорлупки» - полуцилиндры - надевали сверху на тонкую трубу и сваривали. Затем еще пару «скорлупок» чуть большего размера, потом следующую, и так до нужной толщины. Эта технология изготовления сосудов высокого давления нашла за рубежом довольно широкое распространение.
 
Многослойные сосуды высокого давления используют в химической промышленности как корпуса реакционных колонн, теплообменников, сепараторов, автоклавов и другой аппаратуры. Из всех конструкций многослойных сосудов наилучшие технико-экономические показатели имеет многослойная рулонированная конструкция.
 
Многослойные сосуды высокого давления изготавливаются из листовой и рулонной сталей. Они используются так же, как корпуса теплообменников, сепараторов, автоклавов и другой аппаратуры в химической промышленности. Многослойные сосуды высокого давления более экономичны ввиду меньших потерь металла при изготовлении и меньшей трудоемкости. Кроме того, во многих случаях отпадает необходимость в проведении трудоемкой и дорогостоящей термообработки сварных швов, соединяющих обечайки между собой и с концевыми элементами. Существенным преимуществом многослойных сосудов является их большая безопасность. Наличие контрольных отверстий, проходящих в многослойной стенке до центральной обечайки, позволяет своевременно обнаружить утечки рабочей среды и остановить сосуд для ремонта. Дефекты или трещины локализуются в одном слое и не развиваются на всю толщину стенки. Кроме того, при такой конструкции сравнительно просто можно обеспечить коррозионную защиту внутренней поверхности корпуса благодаря установке центральной обечайки из коррозионно-стойкой стали.
 
Многослойные сосуды высокого давления более экономичны по сравнению с монолитными при необходимости обеспечения водородной стойкости. Корпуса таких конструкций могут изготавливаться из обычных материалов с центральной трубой из высоколегированной водородостойкой стали. Устройство дренажных отверстий в стенке обеспечивает удаление диффундирующего водорода и позволяет осуществлять контроль за состоянием внутреннего слоя.
 
Импульсные методы позволяют создавать многослойные конструкции с гарантированным зазором, беззазорные и с гарантированным натягом. Это обеспечивается соответствующим выбором размеров заготовок и схемой нагружения слоев оболочек при раздаче. Взрывная раздача является единственным методом получения беззазорных многослойных конструкций, удовлетворяющих самым высоким требованиям проектировщиков. Применение энергии взрыва при изготовлении крупногабаритных сосудов цилиндрической формы является более проблематичным. Прежде всего, из-за необходимости вести технологический процесс в штамповой оснасткой, которая для процессов раздачи слоев сосудов и диаметром свыше 10 м в настоящее время не может быть выполнена металлической. Однако можно использовать армированную железобетонную оснастку, которая удовлетворительно работает на сжатие. Ее необходимо изготавливать секционной из радиальных сегментов большой массы, жестко закрепленных на основании - фундаменте, в которых предусмотрены элементы, обеспечивающие после раздачи возможность извлечения оболочек из матрицы. Наиболее вероятной схемой получения днища будет сварка из пакетов лепестков, которые предварительно откалиброваны на штамповой оснастке из металла с помощью энергии взрыва. Получение куполов из слоев, отштампованных вытяжкой, практически исключаются как из-за низких предельных возможностей процесса вытяжки (для таких относительно тонких заготовок fiID <С < 0,001 коэффициент вытяжки Кв < 1,2-1,25), так и из-за трудностей, обусловленных изготовлением уникальных (диаметром порядка 15 м) металлических матриц.
 
В многослойных сосудах с гарантированным натягом между слоями несущая способность конструкции повышается как за счет автофреттажа, так и соответствующего распределения остаточных деформаций в слоях (внутренние, наиболее нагруженные слои, в процессе импульсной раздачи подвергаются наименьшей деформации). Более того, можно создавать многослойные сосуды и конструкции, у которых несколько слоев, как бы пакет, может иметь гарантированный зазор (в этом случае несколько слоев раздаются за один взрыв), а последующие слои - гарантированный натяг - раздаются последовательно, причем у наружных - деформации больше, чем у внутренних.
 
Проведенный анализ схем штамповки показывает, что применение энергии взрыва при изготовлении многослойных сосудов является перспективным направлением исследования и внедрения прогрессивной технологии.
 
Иногда стальные сосуды сверхвысокого давления помещают внутрь других, больших по размеру сосудов, в которых создают давление, накачивая в них жидкость. В этом случае разрыву стенок внутреннего сосуда под действием создаваемого в нем давления противодействует не только сопротивление самих этих стенок, но и «поддерживающее» давление жидкости, находящейся во внешнем сосуде.
 
Идея многослойности присутствует и при создании современных бронемашин. Их броня является компаундом с многослойной структурой. Стремление получить броню с твёрдой поверхностью и вязкой подложкой и при этом хорошо поддающуюся обработке привело к появлению компаундной брони. Первую эффективную технологию её производства предложил Уилсон Кэммел (Wilson Cammel): на поверхность горячей плиты из кованого железа выливалась стальная лицевая сторона, полученная в открытой печи. Известна также компаундная плита Эллиса Брауна (Ellis Brown), в которой стальная лицевая плита припаивалась к железной подложке бессемеровской сталью. В обоих этих процессах, разработанных в Англии, плиты прокатывались после спайки. В последующие 10 лет процесс производства брони не претерпел никаких изменений, за исключением небольших улучшений технологии производства, но весь этот период был ознаменован острым соревнованием и противостоянием между цельностальной и компаундной бронёй. Цельностальная броня представляла собой обыкновенную сталь с содержанием углерода 0.4-0.5%, тогда как стальная поверхность компаундной брони имела 0.5-0.6% углерода. Эти два типа брони, чья сравнительная прочность во многом зависела от качества изготовления, были приблизительно на 25% прочнее брони из кованого железа, т.е. 10-дюймовая цельностальная или компаундная плита выдерживала те же ударные нагрузки, что и 12.5-дюймовая плита из кованого железа.
 
Итак, мы рассмотрели различные случаи многослойной структуры стали, в которых выигрыш достигнут за счет того, что монолитная структура заменена на многослойную. Рассмотрим те же сосуды, работающие под давлением газа, но содержащего сероводород. Устоявшаяся международная практика проектирования и изготовления таких сосудов предусматривает применение углеродистых и низколегированных качественных сталей, очищенных от серы и фосфора до низких концентраций, специальную прокатку листов ,сварку специальными электродами, термическую обработку после сварки т.д. Вместе с тем, эксплуатация сосудов для сероводородсодержащих сред разрешается при напряжении стенок ниже, нежели для обычных сред. Толщина стенок у этих сосудов на 15-20 процентов выше.
 
Новые сосуды и аппараты, работающие под давлением с оболочками типа "слоеный пирог"Перед вами колона абсорбера, диаметром 3600 мм высотой 18 метров, ее вес составляет около 240 тонн. Проектирование проводил отдел ОАО «УзЛИТИнефтгаз». Толщина металла в утолщенной, кубовой части достигает 110 мм! Изготовление такой колонны, ее доставка, монтаж уникальны. Листы прокатаны из чистой стали 09Г2С по спецзаказу на заводе «Азовсталь», автоматическая сварка и термообработка проведена в Екатеринбурге (см. рис.1).
 
В ходе проектирования конструктора старались уйти от столь трудоемкой и дорогостоящей конструкции, было предложено стальныой сосуд высокого давления из нержавеющей стали, стойкой к сероводороду, без каких-то условий, поместить внутрь другого, большего по размеру сосуда из обычной стали. Однако условием их совместной эксплуатации под давлением является беззазорный контакт их оболочек. Как этого достичь? Обычно делается доработкой поверхностей по выявленным пятнам контакта. Но эта ручная пригонка, очень трудоемкая и квалифицированная, пригодна только для малогабаритных деталей. Здесь это явно неприемлемо. А если не совмещать, а наоборот оставить зазор между двумя сосудами. И не заботиться о размерах зазора, его равномерности по объему детали. Затем заполнить зазор компаундом на основе металла, который бы заполнил бы все промежутки. Далее, чтобы гарантировать расчетную совместную работу сосудов в эксплуатации, необходимо создать равномерный натяг в зоне их контакта с компаундом. Это достигается принудительным нагнетанием компаунда в зазор, созданием и фиксацией созданного предварительного напряжения. Если у нас это получилось, попробуем посмотреть преимущества нашего нового сосуда:
  • описание такого сосуда не встречается ни в одной нормативной литературе по сосудам;
  • толщина стенок не больше, а даже ниже обычного сосуда;
  • термообработку готовых сосудов производить нет необходимости как для повышения стойкости от растрескивания, так и обычных сосудов, т.к. толщина стенок всегда ниже допускаемых по требованиям стандартов, т.е. ниже 36 мм для углеродистых сталей и 30 мм для низколегированных;
  • при необходимости можно производить набор сосудов из различных материалов в зависимости от требования эксплуатации, причем дорогостоящие кислотостойкие жаростойкие жаропрочные стали могут иметь расчетную толщину ниже по сравнению к аналогичным стандартным сосудам;
  • появляется возможность контролировать утечки из основного сосуда путем замера давления в зазоре между сосудами.
 
Любой конструктор сосудов и аппаратов скажет, что преимущества просто огромные! Новая технология открывает массу других перспектив.
 
Из книги Гоникберг М.Г. «Высокие и сверхвысокие давления в химии Издание 2»: «Иногда стальные сосуды сверхвысокого давления помещают внутрь других, больших по размеру сосудов, в которых создают давление, накачивая в них жидкость. В этом случае разрыву стенок внутреннего сосуда под действием создаваемого в нем давления противодействует не только сопротивление самих этих стенок, но и «поддерживающее» давление жидкости, находящейся во внешнем сосуде. Если во внешнем сосуде давление жидкости составляет 10 000 ат, то можно ожидать, что во внутреннем сосуде удастся получить давление 25 000-30 000 ат. В действительности же в указанных условиях удается создать еще более высокое давление. Объясняется это тем, что высокое всестороннее давление повышает прочность металлов и сплавов. Так, давление 100000 ат было достигнуто погружением аппаратуры в жидкость, сжатую до 30 000 ат. Этот способ называется «гидравлической поддержкой».
 
Как видим из вышеизложенного, указанное «поддерживающее» давление нами может быть создано накачкой компаунда между стенками.
 
А какой предлагается компаунд? Компаунд предлагается необычный: эта композиция стальные «шарики-графит» является новым рабочим телом в гидравлических системах, как псевдожидкость и паста-смазка для уменьшения трения, для идеального заполнителя пустот и зазоров. Шары стальные хромированные AISI 52100 (ШХ-15). Шары, сделанные из материала ШХ-15, отличает превосходная полировка поверхности, значительная твердость и способность нести большую нагрузку наряду с отличной износоустойчивостью и сопротивляемостью деформациям. Стальные хромированные шары ШХ-15 закалены насквозь для получения максимальной механической прочности. Диаметр: 0,5 мм. Наполнителем является графитовый сорбент СТРГ в качестве смазки.
 
Текучесть псевдожидкости «шарики-графит» позволяет ей беспрепятственно перемещаться в зазорах и создавать под давлением жесткие прослойки.
 
Новую псевдожидкость характеризуют следующие свойства:
  • текучесть, независимая от любой температуры эксплуатации;
  • несжимаемость;
  • невысокое объемное температурное расширение;
  • высокий - до +500 градусов Цельсия и низкий - до -60 градусов Цельсия температурный порог применения;
  • нет ограничений по долговечности, а значит, система обладает надежностью и безотказностью во времени;
  • непожароопасна;
  • нет зависимости изменения свойств от повышения и понижения температуры;
  • нет насыщения растворенным газом при контакте с газовыми средами при повышенных давлениях.
 
Система, разработанная на основе такого рабочего тела в качестве передаточного органа, имеет ряд преимуществ перед системами с традиционным рабочим телом - гидравлической жидкостью или гидропластмассами. Давление в зазорах между сосудами создается посредством сжатия компаунда винтовым прессом.
 
Предложение относится к области машиностроения и может быть использовано при создании оболочечных конструкций из стали и других материалов, работающих на устойчивость при действии наружного давления и сжимающей силы. Многослойная оболочка содержит наружную цилиндрическую, внутреннюю обечайки, между которыми размещен композит.
 
Оболочки, например, межступенчатых отсеков баллистических ракет подводного старта подвергаются целому комплексу эксплуатационных нагрузок: растяжение, сдвиг, изгиб, кручение, сжатие (от наружного давления и осевой сжимающей силы).
 
Для повышения жесткости оболочки (при работе на сдвиг, кручение, сжатие) можно увеличить ее толщину, но это приводит к увеличению ее массы. Более эффективным решением является применение многослойных (чаще всего трехслойных) оболочек.
 
Известна конструкция трехслойной оболочки из КМ, содержащая наружную и внутреннюю обечайки, между которыми помещен легкий заполнитель. Ее конструкция приведена в сборнике: Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе, под общ. ред. Л.Н.Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993, стр.71, вариант «и». Рассматривая обе конструкции, можно увидеть преимущества предлагаемой конструкции в особенности при более успешной совместной работе всех оболочек.
 
Итак, есть новая идея многослойной конструкции оболочки, ее дальнейшее совершенствование, опробование на практике - дело ближайших лет. В свое время автор долгое время вынашивал идею создания многослойных тройников для трубопроводов до 25МПА. Тройники на такое давление - это очень дорогое и ответственное изделие. В один прекрасный день, когда появилась крайняя необходимость, была предложена на рассмотрение вышеописанная конструкция, и заказчик, после испытания, принял новое изделие.

Обсудить статью на Форуме Машиностроителей






Комментариев пока нет
{c_navigation}

Написать комментарий

Другие публикации по теме





Автоматизация промышленных предприятий Автоматизация промышленных предприятий
Диспетчеризация производства, идентификация и прослеживаемость, управление КПЭ (KPI)...
(495) 662-43-70
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси). Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Промышленное оборудование и инструмент
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Chicago Pneumatic (Чикаго Пневматик), Fuji (Фуджи), Desoutter, Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси), Korloy (Корлой), Seco tools, SGS tools, Onsrud, Fette, Guhring и пр. Оборудование для маркировки. Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Фаскосниматели (фаскорезы, кромкорезы), ручные фрезеры по металлу. Пневмодвигатели (пневматические двигатели, пневмомоторы).
(495) 668-13-58
ИРОК-2М. Купить. Инструкция.
Инструмент ИРОК-2М от производителя. Купить. Скачать инструкцию и другие документы. Прочий электромонтажный инструмент и электрокомпоненты.
(495) 668-13-58 доб. 4
Реклама на сайте и-Маш Реклама на сайте и-Маш      
pr()i-mash.ru