§ 10. Котлы и сосуды, работающие под давлением

КОТЛЫ

В котельные агрегаты, работающие под давлением, входят "'Лрпбан, экономайзеры, пароперегреватели и камеры.

Барабаны котлов высокой производительности имеют диамет­ры 1600—1800 мм, толщина их стенок достигает 100 мм, длина бывает различной. Барабан состоит из отдельных обечаек; дни-Шн барабанов, как правило, штампованные. Все соединения барабанов выполняются электрошлаковой и дуговой сваркой.

На рис. 19-20 изображен барабан котла ТП-80. Его длина — 16.2 м, толщина стенок — 89 мм. Все соединения сварены встык, продольные швы — вразбежку.

539

Рис. 19-20. Общий вид сварного барабана котла ТЛ-80

На рис. 19-21 изображены; некоторые типичные узлы ба-^ рабана котла ТП-42 с боль­шим количеством штуцеров.' Они изготовляются из отрез­ков труб п обвариваются по контурам.

При температуре стенок котла 7<450°С применяют трубы из углеродистых ста­лей, при Г> 450° С целесооб­разнее применять трубы из. низколегированной стали,

При давлении в барабане ;?<60 кГ/см² применяют ста­ли марок I5K, 20К, а при р!>60 кГ/см²— сталь марки 22К. Ниже приведены некото­рые рекомендации по выбору сталей в зависимости от экс­плуатационных условий. Ма­териалы, применяемые для. изготовления элементов кот-' лов, пароперегревателей, эко­номайзеров, приведены в табл. 19.3.

Рис. 19-21. Сварные узлы

барабайй котла ТП-4'2;

приварка штуцеров

540

Таблица 19.3

Рекомендуемые стали

^lapKa CTj;m	ГОСТ	Предельная температу­ра стенки Г", С	Предельное давление среды, кПся*
Ст. ->КЛ	3380-60
Ст. ЗКП	гр. А, Б	150	6
Ст. ->СП
RCT. ЗСП	То же	200	8
15К	5520-62	450	не ограничено
20 К	То же	То же	То же
22 К	»	»	»
09Г2С	5520-62	450	не ограничено
ьгчм	4543-61	550	не ограничено
XI Ml 10T	5632-61	565	не ограничено

Примечание

Для необог-

реваемых

элементов

Допускаемое напряжение в конструкциях котлов, испытыва­ющих внутреннее давление, определяют по следующей фор­муле;

[а] 7] кГ/СМ²,

(19.26)

^IJi' [<т]ро — номинальное допускаемое напряжение для ста­лей.

Значения коэффициента т) снижения допускаемых на­пряжений в зависимости от формы конструкций приведе­ны в табл. 19.4, а номинальных допускаемых напряже­нии [о)_ро— в табл. 19.5.

Для промежуточных значений температуры допускаемые на­пряжения следует определять с учетом линейной интерполяции между ближайшими значениями.

Толщины стенок элементов котла определяются по следую-¹¹иш формулам:

цилиндрической части барабана

- P^d**

>^ТР 2U0=pia]_p-^

■j- As [мм],

(19.27)

541

Значение коэффициента ri

Таблица 19,

Виды элементов и особенности работы

Барабаны . ............

Камеры не обогреваемые (прямоугольные)

То же, обогреваемые.........

Круглые днища и заглушки:

рнс. 19-24, а - , . 1........

рис. 19-24, б .... ,......

Глухие днища :..........

1,0

1,0

0,9

0,85

0,75

0,75ч 1,05

Таблица

Значения [<г]_ро для различных сталей, кГ\мл&

			АЪарка	сталей
Расчетная температу-
ра стенки 7", РС	Ст. 2	Ст. 3	20, 20К	22К	09Г2С	X18HI0T
20	13	14	14,7	17	17	14,6
250	10,9	12	13,2	15	14,5	12,5
300	9,8	10,8	11,9	14	13,4	12
340	—	_	10,9	13	12,5	11,6
380	_	_	9,7	—	11,5	11,2
420	—	_	8,6	_	—	11
460	-	—	5,0	—	-	10,6
500	—	—	3,4	—	—	10,4
550	_	__	—	—	—	10,1
600	-	—	—	—	__	7,4
650	—	—	-	_	~~	4,8 ,
700	.....	—	_	-	—	3,0

542

стенки круглой камеры

стенки трубы

^р=-2эВД+7 + ^ЛМ*л].

(19.28)

рй

^230?Hp-/> ^{+ US [MM]}

(19.29)

где d_aH —внутренний диаметр барабана и трубы; d„ — наружный диаметр камеры; р — давление, кГ1см²;

Ф — коэффициент прочности сварного шва ср, определяе­мый по табл. 19.6. В формулах (19.28) и (19.29)

As = 1 мм при s < 20 и As — 0 при s > 20;

[а]_р измеряется в кГ/мм².

Таблица 19.6 Коэффициенты прочности швов

Способы сварки

Швы бстык, сваренные любым допустимым способом с полным проваром, по мере необходимости с термической обработкой и конт­ролем физическим методом по всей длине ............

Швы встык, сваренные любым допустимым способом ярн односто­ронней и двухсторонней укладке швов с надлежащим проваром . .

При прочих способах сварка . .

1,0

0,85 0,70

При наличии отверстий (рис. 19-22) коэффициент прочности в продольном направлении

t — d

ПрОД

(19.30)

543

где * —расстояние между центрами отверстий в продольное направлении; rf —диаметр отверстия; в поперечном направлении

d

19.31

_где /i —расстояние между центрами отверстий в поперечно^ направлении. Если расстояние между опорами барабана значительно; ■следует проверить его прочность на изгиб

/И,

w_v •

(19.3L,

^;где M_mt —изгибающий момент, определяемый от нагрузки па барабан, как в двухопорной балке; W — момент сопротивления кольцевого сечения бара--^;

бана; tp — коэффициент прочности (табл. 19.6).

<^--^Ф

Рис. 19-22. К определению коэффи­циента ослабления поперечного сече­ния барабана

Рис. 19-23. Эллиптическое днище барабана

Толщина штампованного эллиптического днища барабана вычисляется по формуле

pd_m

>тр

400* [в|р......р

2ft_n

- ~f As [мм]

где р — давление, кГ/см²;

d_B„ —внутренний диаметр, мм (рис. 19-23); z — коэффициент; d — диаметр лаза; h_R—высота выпуклой части днища.

19.33)

544

Коэффициент z, учитывающий ослабление днища неукреп­ленным отверстием, принимается равным

¹ "PVd-o-о^<0'^{4; (19Л4)}

-^---------------------------- _при 0,4 <-====<2; (19.35)

z------------^----------- при - ^d > 2; (19.35')

■/rf_BH (^s — c) 4- 2

с может быть принято равным 1 мм.

Часто днища в котлах делают сферическими. Соединение днищ с корпусом должно быть плавным (см. рис. 19-7,г). Радиу­сы переходных кривых г должны быть > 5s. Переходные кри­вые соединяются с основными кривыми, определяемыми радиу­сами сфер Rq. Минимальное расстояние а от кольцевого шва до начала переходной кривой зависит от толщины листов днища. При толщине s_fl отбортованного элемента до 10 мм а = 25 мм; при 50=10-^ 20 мм а=40 мм; при s₀ = 20 мм а=50 мм.

Соединения патрубков с корпусами бывают разнообразны по форме (см. рис. 19-12,а—в). Во время эксплуатации котла при высоких рабочих напряжениях, значительной величине от­верстий для патрубков производят усиление корпуса кольцом, как показано на рис. 19-12, с.

Наиболее прочны соединения патрубков, изображенные на рис. 19-12, г. В этих соединениях отсутствуют угловые швы, по­этому концентрация напряжений в них имеет наименьшие возможные величины.

Сварка котлов со значительной толщиной стенок (свыше 60—80 мм) вызывает в них образование трехосных остаточных напряжений. Эксперименты, проведенные в последние годы, показали, что остаточные трехосные напряжения в котлах лишь п редких случаях могут угрожать их прочности.

Для хорошей работы конструкций большое значение имеют пластические свойства. В целях их повышения, а также улучше­ния структуры металла многие сварные конструкции котлов подлежат термической обработке. Для устранения остаточных напряжений достаточно термически обработать малоуглероди­стую сталь при Т=600-^650°С. Особенно полезной является термическая обработка котельных конструкций из низколегиро­ванных сталей.

35 ш

545

Котлы, пароперегреватели, экономайзеры подлежат освиде* тельствованию и контролю качества сварных соединений физи­ческими методами: рентгеновскими или гамма-лучами радиоак­тивных элементов. Просвечи­вание швов часто' заменяется их прозвучиванием ультразву­ковыми колебаниями.

При изготовлении прямо­точных котлов сваривают ме­таллические каркасы. Трубча­тые элементы котлов хорошо свариваются контактной сты­ковой сваркой. В заводских условиях стыки труб сварива­ют стационарными контактны­ми машинами, при монтаже — переносными.

В цилиндрических камерах котлов донышки делают пло­скими. Способы соединения донышек камер с цилиндриче­скими частями показаны на рис. 19-24, а—в. Для этих кон­струкций толщины плоских до­нышек определяются по фор­муле

1

■ fa

S,

W\W\K\\4W\

«о¹

52

Рис. 19-24. Соединения плоских донышек в камерах

/crf_E

I

100 \?]_р0

(19.36)

где 5₁ — толщина плоского днища;

d_Bll — внутренний диаметр донышка; Ир₀ — допускаемое напряжение, кГ/мм²; р — давление, кГ/см²;

K = 0,4(l -0,23-^-) Д. б. > 0,31,

(19.37)

где s — толщина стенки барабана.

Для днищ без отверстия ко = 1; Для днищ с отверстием

1 -0,43-^- при -^-<0,35;

к₀ = 0,85 при 0,35 < -г- < 0,75.

«нн

(19.38) (19.39)

546

Каркасы котлов большой производительности представляют собой сварные металлические конструкции, состоящие в основ­ном из балок, поддерживающих обмуровку, площадки и колоп-цьг. Каркасы изготавливают из углеродистой стали. Для умень­шения веса применяют низколегированную сталь. Элементы, не испытывающие значительных нагрузок {обвязка, настил, площадки), изготавливают нередко из немаркированной стали.

Б большинстве случаев применяют прокатные или сварные элементы двутаврового или коробчатого профиля с непрерыв-пымк поясными швами.

Расчет прочности каркаса котла производится с учетом пол­ной нагрузки, состоящей из собственного веса каркаса, собствен­ного веса барабана, весов поверхностей нагрева, обмуровки, обшивки, камер, трубопроводов, арматуры, гарнитуры, газо-и воздухопроводов, пылепроводов, площадок с эксплуатацион­ным аагружением и др. При расчете каркасов котлов открытых установок учитываются также ветровые и снеговые нагрузки в зависимости от района.

Нагрузка передается непосредственно на балки, а с балок — па колонны. Расчет балок производится на изгиб.

Колонны каркаса передают на грунт большие нагрузки в не­сколько сот и тысяч тонн. Колонны состоят из элементов двутав­рового профиля, но применяются и трубчатые конструкции. Колонны проверяют на прочность и на устойчивость. Общий вид каркаса котла приведен на рис. 19-25. Колонны опираются на специальные башмаки.

ТОНКОСТЕННЫЕ СОСУДЫ

По назначению, толщине листовых элементов, применяемым материалам и приемам сварки сосуды, работающие под давле­нием, весьма разнообразны. Общим для такого типа конструк­ции является требование обеспечить возможно более равномер­ное распределение напряжений. Этого достигают применением соединений встык, плавным сопряжением стыкуемых элементов и обеспечением падежного проплавления всей их толщины при Условии всемерного исключения дефектов сварки.

Тонкостенные сосуды обычно являются конструктивными элементами различных транспортных установок, в том числе современных летательных аппаратов. Быстрый рост размеров Ракет для космических полетов вызывает соответственное увели­чение размеров емкостей. Это можно видеть на примере семей­ства ракет «Сатурн» с двигателями жидкого топлива (рис, 19-26).

547

35600

Ось симметрии Рис. 19-25. Сварной каркас котла

Апдлпои"

Так, цилиндрические баки со сферическими днищами, входящие р состав стартовой ступени s— 1С ракеты «Сатурн-5», имеют диаметр 10 м. Один из них предназначен для жидкого кислоро­да, другой —для керосина. При работе двигателей эти емкости испытывают внутреннее давление, так как топливо и окислитель вытесняются принудительно путем подачи в кислородный бак _газообразпого кислорода, а в топливный бак- гелия. Кроме того, такие емкости нередко входят в состав несущей части кон­струкции и во время полета могут испытывать дополнительно к внутреннему дав­лению также сжи­мающие и изгибаю­щие нагрузки. Оче­видно, что техноло­гия изготовления таких баков долж­ен быть безупреч­ной, так как любой дефект может при­вести к гибели все­го космического ко­рабля.

Для транспорт-пых установок од­ним из основных по­казателей совер­шенства конструк­ции является ее минимальный вес. Поэтому при изго­товлении тонко­стенных сосудов ши­рокое применение

получили листовые материалы, обладающие высокой удельной прочностью,— алюминиевые и магниевые сплавы, стали высокой прочности и сплавы титана. Так, например, при изготовлении ракетных емкостей в зависимости от типа двигателей применяют ^пбо алюминиевые сплавы, если двигатели работают на жидком топливе, либо высокопрочные стали или титановые сплавы в слу­чае использования двигателей на твердом топливе.

Известно, что с повышением прочности металла его чувстви­тельность к наличию концентратора, как правило, возрастает. Как было показано в главе XII, дополнительное возрастание чувствительности к концентрации напряжений может происхо­дить из-за наличия двухосного поля напряжений, возникающего при нагружении тонкостепного сосуда внутренним давлением. В этих условиях использование высокопрочных материалов при

Рис. 19-26. Семейство рэкет «Сатурн»

549

низком запасе прочности предъявляет к конструкции и к техно-логин ее изготовления особенно высокие требования, причем наибольшие трудности связаны с необходимостью широкого использования сварки.

Наличие сварных соединений вызывает, во-первых, концент­рацию напряжений от дефектов формы или несовершенства вы­полнения сборочно-сварной операции, во-вторых, неоднородность механических свойств в зоне сварного соединения.

Концентрация напряжений, определяемая конструктивными формами сопряжений и узлов сосуда, может быть сведена к минимуму в результате умелого проектирования. Труднее предотвратить или устранить концентрацию напряжений, вызы­ваемую технологическими дефектами и отклонениями от приня­тых проектом форм. Технологические дефекты могут быть как в основном металле изделия в виде царапин и других поверх­ностных повреждений, так и в сварных соединениях в виде от­дельных несплошностей (поры, микротрещииы, непровары), нарушений формирования шва и смещения кромок. В сосудах из высокопрочных материалов такого рода дефекты крайне опасны. Однако в процессе изготовления полностью исключить их появ­ление не удается. Поэтому большое внимание приходится уде­лять мероприятиям по их предотвращению, обнаружению и ис­правлению.

Нарушения проектной формы сосуда являются результатом суммирования погрешностей заготовительных, сборочных и сва­рочных операций. Как показывает опыт, получение требуемой точности размеров и формы отдельных заготовок особых затруд­нений не вызывает. Погрешности сборки элементов под сварку также можно жестко ограничить путем использования хорошо продуманных и тщательно выполненных приспособлений. Нару­шения формы, вносимые процессом сварки, являются основными. Под действием остаточных сварочных напряжений тонколисто­вые элементы теряют устойчивость, и деформация коробления может достигать недопустимо большой величины. Поэтому меро­приятия по ограничению и исправлению сварочных деформаций обычно составляют существенную часть технологического про­цесса изготовления сварных тонколистовых конструкций.

Нередки случаи, когда устранение коробления производят ручной правкой ударами, которая может сопровождаться изме­нением механических свойств металла в отдельных зонах с рез­ким возрастанием их чувствительности к концентрации напря­жений. Опасность такой операции особенно велика, если изделие не проходит последующей термообработки. Поэтому особого внимания заслуживает метод исправления сварочных деформа­ций путем прокатки зоны шва роликами, позволяющий механи­зировать процесс и строго регламентировать его влияние на изменение механических свойств сварного соединения.

550

Помимо концентрации напряжении, прочность сосуда зави-_с1[Т от механических свойств металла в зоне сварного соедине­ния, Чтобы предотвратить понижение конструктивной прочности, стремятся либо разгрузить зону сварного соединения, либо уст­ранить неоднородность механических свойств, приблизив их _к свойствам основного металла.

Разгрузка всего соедниепня может достигаться за счет кон­структивного оформления изделия, например, путем увеличения _то,~йнппы металла в местах сварных соединений {рис. 19-27). Такой прием при правильном его использовании может быть полезен. Широкое применение он получил при изготовлении со­судов из алюминиевых сплавов, используемых в иагартоваином или термообработаппом состоянии. Прочность сварного соедине­ния становится ниже прочности основного металла, прошедшего упрочняющую операцию. Для увеличения толщины металла ~в зоне соединения листовые заготовки или элементы кон­струкции подвергают размер­ному химическому травлению

(химическому фрезерованию), ^р,,с- ¹⁹"²⁷- Поперечное сечепие ^{v J} ^^ ^l сварпого соединения

удаляя металл по всему полю листа, кроме кромки, подле­жащей или подвергнутой сварке. Естественно, такой прием су­щественно усложняет технологию и увеличивает стоимость сосу­да, по зато позволяет создавать конструкции минимального веса с надежно работающими сварными соединениями.

Приближение свойств сварных соединений к свойствам основ­ного металла достигается выбором метода сварки и последую­щей обработки. Для соединения тонколистовых элементов встык используют преимущественно сварку в среде защитных газов. В зависимости от материала приемы сварки могут быть различ­ны: в один или несколько проходов, плавящимся или неплавя-Шимся электродом, с присадочным или без присадочного ме­талла и т. п. Например, при сварке высокопрочных сталей целе­сообразно с помощью специального устройства создавать колебания электрода поперек шва. При этом достигается благо­приятное изменение характера кристаллизации металла шва и уменьшение перегрева в околошовной зоне, а также улучшение формы сварпого соединения с плавным переходом от основного металла к наплавленному.

Для стыковых соединений тонкого металла существенное Улучшение качества может быть достигнуто при пластическом Деформировании зоны шва. Наиболее просто такая операция выполняется путем прокатки шва между двумя роликами или Между роликом и жесткой подкладкой. Пластические деформа­ции при этом развиваются своеобразно: металл шва испытывает °садку по толщине и сдвигается в плоскости листа (рис. 19-28),

55!

V

про£

причем сдвиг происходит не только в шве, но и в околошовно| зоне по обе стороны от шва, вызывай упрочнение всей зо!щ деформации. 1

При сварке листов, нагартованных холодной прокаткой использование приема прокатки шва роликами позволяет npid ближать прочность сварного соединения к прочности основног| металла, однако пластические свойства в зоне деформации сш жаются. Поэтому 'применительно к сварным соединениям coq дов, нагруженных внутренним давлением, использование таког метода упрочнения целесообразно только при наличии высокое запаса пластических свойств и низкой чувствительности металл! к концентрации напряжений. Если же после прокатки роликам! сварное соединение проходит термообработку, то предшествую^

щая деформация может способствоз вать общему улучшению формы] механических свойств и структуру сварного соединения. Улучшение формы соединения выражается в сглаживании неровностей поверх! ности шва, осадке (заглаживании^ усиления и проплава, устранении депланации листов в стыковом col единении, т. е. в устранении ochobj ных концентраторов стыкового сварного соединения. Особенно це| лесообразна прокатка шва в слу чае, когда возникает необходимости снятия усиления или проплав; шва. Обычно, в условиях производ­ства эту операцию выполняют с noi мощью наждачного круга, хотя го* раздо проще ее можно осуществит* прокаткой роликами. Применительно к сварным соединениям высокопрочных ма­териалов недостаточная пластичность шва и околошовной зоны часто не позволяет производить прокатку непосредственно после сварки. Для устранения опасности появления трещин и умень­шения необходимого усилия на ролик используют смягчающук термообработку.

Сосуды, предназначенные для работы при очень высокой давлении, выполняют многослойными, так как при сплошное стенке напряжения на внутренней ее поверхности оказываются значительно большими, чем на внешней, и прочность материал* стенок использовать полностью не удается. Формируя стенку и; отдельных слоев, можно путем предварительного натяжения каждого слоя создать такое распределение напряжений, которое при рабочем нагружепии сосуда внутренним давлением обеспе-§

Рис. 19-28. Схема прокатки усиления шва между ролика­ми

552

_т относительно равномерную работу всех слоев. За рубежом многослойные сосуды изготавливают для работы под давлением _д0 2000 кГ/см² и выше.

Конструктивное оформление таких сосудов и способы созда­ния начальных напряжений при изготовлении многослойных обечаек могут быть различными.

Так, один из способов предусматривает изготовление отдель­ных обечаек толщиной 6—10 мм с продольным швом. Обечайки последовательно вставляют одну в другую и «раздают» так, что­бы напряжение во внутренней трубе превысило предел текуче­сти, а по внешней не превышало его. Такая раздача производится гидравлическим давлением в приспособлении, предусматриваю­щем уплотнение торцов обечаек. Полученная многослойная обе­чайка подвергается дополнительному перенапряжению в этом же приспособлении.

Рис. 19-29. Конструктивное оформление много­слойного сосуда

При другом способе изготовления к центральной обечайке толщиной 25—30 мм приваривают край стальной ленты, шов зачищают и ленту с натяжением навивают на обечайку в не­сколько слоев. После окончания навивки свободный конец лен­ты приваривают к корпусу продольным швом.

Третий способ также предусматривает наличие центральной обечайки толщиной 20 мм, вокруг которой механическим путем обтягивают необходимое число слоев. Каждый слой представля­ет собой обечайку толщиной 8 мм, концы которой после обтялл<и свариваются встык продольным швом. Для равномерного рас­пределения напряжений от сварки стыки располагают в шахмат­ном порядке, усиление шва предыдущего слоя зачищается запод­лицо с основным металлом.

Изготовленные одним из этих трех способов многослойные обечайки сваривают между собой встык кольцевыми швами, к обоим концам цилиндрической части сосуда приваривают дпи-Ща или кованые фланцы для крепления крышек (рис. 19-29).

553

Цилиндрическую часть многослойного сосуда можно таклц получить, насаживая толстостенные обечайки и концевые флаЫ цы с натягом на общую относительно тонкостенную труб^ и сваривая их между собой кольцевыми швами. Для сохранения полезных предварительных напряжений, созданных натягом или механической обтяжкой слоев и усадкой от продольных и коль­цевых швов, многослойные сосуды после сварки термообработке не подвергаются.