В химическом аппаратостроении сварка — основной вид соеди­нения металлических частей между собой. В зависимости от приме­няемого материала, вида соединения, способа сварки используют различные варианты подготовки кромок под сварку [5].

При использовании биметаллического листового проката из сталей подготовку стыков под сварку в процессе резки заготовок осуществляют либо применением механического инструмента, кото­рый наряду с разрезкой производит надлежащую подготовку кромок под сварку, либо путем сочетания механической обработки для удаления легированного слоя из зоны реза с последующей разрез­кой кислородно-ацетиленовым пламенем. В последнем случае при­менение плазменного резака предпочтительнее, так как позволяет практически исключить дополнительную механическую обработку.

В различных международных стандартах установлены нормы для рациональной подготовки плакированных листов под сварку (например, DIN 8553, ASTM Standard). При этом учитывают тре­бования несмешиваемости обоих материалов при сварке, удаление плакирующего слоя из зоны, где он может плавиться с учетом, что точка его плавления ниже точки плавления основы, низкоуглеро­дистой или низколегированной стали (рис. 7, а). Очень часто приме­няют несимметричную разделку (рис. 7, б). Однако в этом случае требуется, во-первых, применение специализированных строгальных станков и, во-вторых, обеспечение высокой точности сборки, так как малейшая волнистость листа приводит к образованию некаче­ственных сварных саединений. Опыт показывает, что наибольшее число технологических ошибок возникает именно на стадиях раз-

метки, подготовки кромок и выравнивания листов, и что именно неправильная подготовка стыков к сварке является причиной дефектов сварных соединений. Если, например, при сборке отдель­ных частей оболочки окажется, что кромки смещены (рис. 7, в), то при сварке следует ожидать сильного перемешивания обоих метал­лов, что, естественно, приведет к снижению коррозионной стойкости защитного слоя.

Во избежание перегрева плакирующего слоя первый корневой шов на конструкционном материале выполняется «ниточным» на малом токе с таким расчетом, чтобы не вызвать образования макро - и микродефектов в плакировке и возникновения зоны высокой твердости и трещин. Предусматривается обязательный контроль

Рис. 7. Подготовка кромок (а, б, в) и сечение многослойного шва (а) при двусторонней сварке; подготовка стыка при односторонней свар­ке (д) и варианты соединения плакировки с конструкционной осно­вой сосуда (е)

е)

качества корневого шва конструкционной основы после сварки остальных валиков (методом красок или рентгенопросвечивания).

В'качестве плакировки используют хромистые стали и никеле­вые сплавы, содержащие > 13% Сг. Сварку производят электро­дами с хромистой и хромоникелевой основами. Перемешивание нелегированного основного материала с наплавленным высоколеги­рованными электродами в данном случае не столь опасно, необхо­димо выдержать лишь правильно химический состав наплавленного металла, х что хорошо обеспечивается при многослойной сварке* плакировки (рис. 7, (г).

При сварке плакирующего материала из никелевых сплавов (например, монель-металл) применяют монель-электроды с содер­жанием < 0,5% С. Важнейшим моментом при сварке такой плаки­ровки является недопустимость перемешивания с железом. Макси­мально допустимое содержание железа не должно превышать 8— 10%, что можно обеспечить лишь при многослойной сварке. Сварку ведут электродами малого диаметра с поперечными колебаниями для получения тонких «ленточных» валиков. Чтобы обеспечить

минимальное перемешивание с железной основой листа, применяют малые силы тока.

В тех случаях, когда нет возможности производить сварку со стороны плакировки, например при соединении труб, подготовка кромок перед сваркой производится иначе (рис. 7, д). Сначала производят сварку плакирующего слоя присадочным материалом из хромистых или хромоникелевых сталей. Дальнейшие валики, соединяющие конструкционную основу биметалла, свариваются аустенитными электродами, чем исключается опасность возникно­вения горячих трещин.

Часто для снятия напряжений, которые являются одним из основных факторов, стимулирующих коррозионное растрескивание в агрессивных средах, применяют термообработку. При этом необ­ходимо обеспечить такие температурные условия, чтобы не ухуд­шить качество плакирующего слоя. Обычно термообработку сварных стальных конструкций с целью снятия сварочных напряжений проводят при 620—650 °С. Однако для сварных соединений плаки­рованных материалов следует ограничиться 550 °С, так как более высокие области температур являются критическими в отношении снижения коррозионной стойкости (рост зерна, выделение карбидов и т. д.). Если необходимые оптимальные режимы термообработки плакировки и конструкционной основы различны* то термообработку необходимо вести по режиму, принятому для снижения напряжений в сварных соединениях плакировки.

Свободные от превращений плакировочные материалы, такие как никель или медь, не чувствительны к температурам, обычно применяемым при термообработке сварных соединений из стали. Однако необходимо иметь в виду, что уже при температуре 400 °С никель начинает взаимодействовать с серой и выделяется в связан­ном виде по границам зерен. Установлено, что для снятия напряже­ний в медной плакировке должен быть обеспечен нагрев до 900 °С и последующая выдержка при 650 °С в течение 1 ч.

В ряде химических аппаратов (например, реакторы гидрокре­кинга и ядерных установок) применяют такие толщины, которые не дают возможности получить плакированные листы прокаткой, и поэтому плакирование производят сваркой плавлением или взры­вом. Чтобы получить оптимальную коррозионную стойкость в соче­тании с пластичностью, необходимо и в этом случае избегать раз­бавления слоя, нанесенного сваркой, основным металлом.

Технология получения биметаллических листов сваркой основы­вается на способах и технологии с минимальным эффектом разбав­ления путем уменьшения глубины проплавления. Например, при наплавке плавящимся электродом, в дугу подается вторая, электри­чески пассивная проволока; или, если электрод состоит из метал­лической ленты с отношением толщины к ширине 1:100, то подается в дугу вторая лента такого же сечения. Разбавление в этом случае

8 Под ред. Куркина С. А.

составляет вполне допустимую величину (< 10%), причем плаки­рование осуществляется за один проход.

Существенные технологические трудности возникают при изго­товлении сосудов, облицованных изнутри материалом с высокой коррозионной стойкостью, например титан, цирконий, тантал. Сва­риваемость этих материалов с конструкционной основой (сталью) неудовлетворительная, а делать отверстия в облицовке не рекомен­дуется.

Представляется целесообразным для крепления облицовки к кон­струкционной основе в нескольких местах основы сосуда предвари­тельно делать сквозные цилиндрические отверстия с резьбовой нарезкой, в которые после установки облицовки на место вверты­вать втулку из того металла, что и металл облицовки, и сваривать

Рис. 8. Схемы футеровки внутренней поверхности сосудов: а, б, в, е — днища и стенки; г, д — места переходов

впритык с облицовкой по внутреннему диаметру втулки. Во втулку дополнительно может быть ввернут упор, касающийся неподдержан - ной части тонкой облицовки. Вместо нарезных втулок могут быть применены простые конусные втулки конусом наружу (рис. 7, ё).

В толстостенных сосудах тонкий футеровочный внутренний слой нередко изготовляют отдельно, а затем крепят к конструкционной основе. Существует много схем крепления футеровочных листов. При использовании заклепок и винтов их головки необходимо прикрыть привариваемыми колпачками (рис. 8).

Для синтеза аммиака и карбамида применяют сосуды высо­кого давления со сплошной и с многослойной стенкой (см. гл. IX рис. *12).

Наряду с вопросами коррозионной стойкости при проектирова­нии химических аппаратов — сосудов, должны быть по возмож­ности соблюдены требования экономного расходования дефицитных материалов и снижения массы конструкций. С этой целью применяют изменения толщин оболочек, а также увеличение жесткости за счет установки дополнительных ребер, шпангоутов и т. д. как с внут­ренней, так и с наружной сторон сосудов.

Особую группу конструкций представляют теплообменные аппа­раты. Для аппаратов с коррозионной рабочей средой в качестве защитного материала может быть применен тантал или другой металл, не сваривающийся с конструкционной основой. В отличие от цельносварных закрытых аппара­тов в теплообменниках имеются разъемные соединения и полости.

Рис. 9. Узел теплообменника со стальным корпусом (/*) и облицов­кой из тантала (2)

Это позволяет несущий сварной корпус надевать на предварительно сваренные между собой полости, например из тантала, которые при­крепляют к нему винтами и за - вальцовкой. Конструкция сочле­нения трубной доски, труб и корпуса такого, теплообменника показана на рис. 9.

В теплообменниках, в кото­рых трубы и трубные доски изго­товляют из меди, а корпус из стали, соединяют сталь с медью

прочноплотным швом. При этом возможны решения, показанные на рис. 10. Сварка осуществляется в следующем порядке. Сначала медь соединяют с проставкой из никеля с применением электродов

Рис. 10. Узлы сочленения медной трубной доски (1) со стальным корпусом (2):

а — фланцевое сочленение; б — сварное через ироставку (3) из никеля

с высоким содержанием никеля и сопутствующем подогреве. Сварка же проставки со сталью трудностей не представляет (рис. 10, б).

Большое количество конструктивно-технологических решений по сварке труб с трубными досками в теплообменных аппаратах поставило эту проблему в число дискуссионных. Появившиеся, особенно в последние годы, многочисленные работы дают в основном частные решения, которые не везде могут быть успешно применены. Рассмотрим наиболее интересные варианты конструкций и техно­
логии, исходя из условий эксплуатации соединений, удобства их монтажа, сварки и ремонтных работ.

Соединения труб в трубных досках находятся при эксплуатации в условиях высоких переменных напряжений, связанных с термо­динамическим изменением давления и температуры. Поэтому при проектировании и выборе технологии сварки нужно заботиться не только о том, чтобы получить качественное сварное соединение при наименьших производственных затратах, но и обеспечить надежную долговременную его эксплуатацию. Как правило, в большинстве стран стандарты на такого рода соединения отсутствуют. Это объяс­няют в основном самыми разнообразными условиями нагружения соединений.

Конструирование сварных соединений производят все же исходя из соображений рационального технологического выполнения сое­динений без тщательного анализа условий их работы. Обращают внимание на то, что для обеспечения необходимой работоспособ­ности теллообменников следует контролировать химический состав шва, производить тщательную очйстку кромок перед сваркой, выби­рать конструкцию из условий наиболее простого. выполнения сое­динений. Большое значение придают выбору основного и присадоч­ного металлов, чтобы при сварке избежать образования трещин и пористости в сварных швах. Для изготовления труб используют низкоуглеродистые нержавеющие стали, а также хромоникелевые и никелево-медные сплавы.

Трубные доски изготовляют из углеродистой стали, часто плаки­рованной нержавеющей сталью. В подавляющем большинстве слу­чаев трубы пропускают через отверстия в трубных досках и прива­ривают круговым швом с наружной стороны. При этом, как уже было сказано,~шов оказывается в зоне наибольших рабочих. напряжений (растяжение или сжатие), действующих в трубной доске. Самым неприятным является то обстоятельство, что основные рабочие нагрузки при этом действуют в плоскости трубной доски, т. е. в направлениях действия наибольших остаточных напряжений от сварки. Изготовителей, естественно, привлекает такой вариант конструкционного оформления сварного соединения, так как его технологическое выполнение' связано с наименьшим количеством трудностей. Попытки выделить зону сварного соединения из жест­кого комплекса с трубной доской (рис. 11, а, в, г) имеют в своей основе технологические корни, так как сварка по отбортовке — проточке (рис. 11, а) или с расплавлением специально оставлен­ного в доске выступа (рис. 11, г) является более простой и надежной.

Улучшение условий работы таких соединений, отмеченное в ряде работ, объясняется, вероятно, не только более качественным выпол­нением швов, но главным образом некоторой разгрузкой их от рабо­чих напряжений изгиба трубной доски. В этом случае Сварные швы находятся как бы над плоскостью максимальных напряжений
растяжения-сжатия, возникающих при изгибе доски и не работают уже как элемент трубной Доски, воспринимающий полную рабочую нагрузку. Кроме того, более мягкими становятся условия охлажде­ния металла шва и переходной зоны, что способствует устранению трещин. Для обеспечения качественного формирования шва необ­ходимо производить обязательную предварительную развальцовку вставленных в отверстие трубной доски концов труб (рис. 11, б).

Рис. И. Варианты соединения труб с трубными досками

Развальцовка устраняет совсем или делает минимальными и рав­номерными зазоры между трубой и трубной доской в месте форми­рования будущего сварного соединения. Целесообразно также произ­водить развальцовку и после сварки. Эта операция способствует уплотнению металла шва и приводит при незначительном увеличении диаметра отверстия в месте развальцовки к существенному сниже-

нию сварочных остаточных напряжений, что весьма важно для повышения работоспособности соединений в условиях переменных нагружений.

Еще более предпочтительны с точки зрения повышения работо­способности варианты, показанные на рис. 11, д—ж. Здесь сварные швы выносятся из зон действия максимальных рабочих напряжений. Наложение шва по средней линии трубы (рис. 11, 5) разгружает его от растяжения-сжатия, возникающего при изгибе доски. Рабочие напряжения в этом случае оказываются наименьшими из всех воз­можных вариантов, так как сохраняется лишь действие напряжений растяжения-сжатия, действующих вдоль трубы в результате перемещения точек трубной доски.

Целесообразно. сварные швы варианта на рис. 11, д располагать не в одной плоскости для разных труб, а ступенчато, что приводит к уменьшению концентрации напряжений в околошовной зоне и обеспечивает возможность сварки теплообменников высокого давле­ния с малыми перемычками между свариваемыми трубами.

Интересен вариант приварки к трубной доске кольцевым швом изнутри путем сквозного проплавления стенки трубы без присадоч­ного металла (рис. 12). Как и в случае на рис. 11, д, происходит
существенная разгрузка сварных швов от действия эксплуатацион­ных нагрузок (вибрация, термические напряжения при теплосменах, перепады давлений и др.) путем удаления их из зоны максимальных напряжений. Приведенная рядом эпюра напряжений изгиба трубной

Рис. 12. Ступенчатое расположение швов при сварке труб с трубными досками:

	■ а* і
	Г
4
& max

доски свидетельствует о том, что расположение швов на разной глубине от зеркала трубной доски приводит к ик разгрузке от рабо­чих напряжений. Кроме того, воз­можен достаточно простой ремонт соединения при выходе последнего из строя в процессе эксплуатации наложением ремонтного шва ниже уровня переднего шва. Сварку швов (рис. 12) производят с по­мощью специальной сварочной го­ловки, вводимой внутрь трубы на необходимую глубину.

1 — трубная доска; 2 — труба; сварной шов

3 —

Несмотря на явные конструк­тивно-прочностные преимущества способов соединения труб в глу­бине трубных досок и при сварке с выступом, в большинстве случаев, в особенности в массовом произ­водстве, находят применение наиболее простые виды соединений, т. е. когда торцы труб располагают заподлицо с трубными досками или несколько выше или ниже поверхности доски с тем, чтобы иметь возможность получения углового шва. В зависимости от толщины

8*2мм Рис. 13. Соединение трубной доски с трубами различной толщины

трубы в этих случаях могут быть рекомендованы различные ва­рианты соединения (рис. 13). Представляет интерес технологическое решение (рис. ’14) получения выступа посредством ступенчатой за - сверловки в месте вварки трубы (рис. 14, а) с последующей выштам - повкой более узкой части отверстия над поверхностью зеркала труб­ной доски, как это показано на рис. 14, б (ФРГ).

Большое количество сварных соединений в трубных досках и высокие требования к их качеству требуют автоматизации приме­

няемых процессов. Большое повышение производительности дает способ, при котором конец каждой трубы пропускают через отвер­стия в трубной доске так, чтобы торец трубы находился примерно в плоскости трубной доски. Торцы труб закрывают пробками, а за­тем на поверхности трубной доски наплавляют прямолинейные сварные швы, проходящие через торцы закрепленных труб и покры­вающие полностью площадь каждой трубы. Пробки выполняют из стекла типа «пирекс» или из аналогичного материала, который не прилипает к металлу трубной доски и трубы при сварке. После сварки пробки легко удаляют при незначительном ударе или разру­шают, а концы приваренных труб прочищают. Этот процесс легко автоматизируется, при этом возможно значительное повышение

а) д)

б)

Рис. 14. Вариант выполнения соединения труб над зеркалом трубной доски:

а — сверление; б — выштамповка отбортовки; в — сварка

производительности по сравнению со способами индивидуальной обварки каждой трубы.

Перспективным процессом является сварка цилиндрической ду­гой, управляемой магнитным полем. Наилучшие результаты в этом случае могут быть получены при наличии на трубной доске 3—4 мм отбортовки.

Изготовление тонких спиралей из труб, змеевиков различных поперечных сечений производят на поточных линиях, где отдельные трубы торцуют, сваривают в плети, которые затем сворачивают. Трубы круглого и квадратного поперечного сечения сваривают в основном на контактных стыковых машинах ввиду того, что этот способ сварки имеет ряд известных преимуществ перед способами сварки плавлением. Грат удаляют путем проталкивания специального шарика внутри труб сжатым воздухом под давлением 20—30 кгс/см2.

Присоединение трубопроводов и штуцеров к поверхности обо­лочки осуществляют обычно путем взаимного расплавления металла оболочки и штуцера. В этом случае, как было показано ранее, наблюдается весьма неблагоприятное взаимодействие концентрации напряжений, поля местных внутренних напряжений с напряжени-
ями рабочими — главным образом от избыточного давления внутри оболочки.

Конструкция соединения толстостенной оболочки со штуцером пвказана на рис. 15, а, б. Формирование соединения за счет штуцера

Рис. 15. Конструкции штуцерных соединений и соединений труб с фланцами: а — до сварки; б — после сварки; в — нерационально; г — рациональ­ный вид соединения

при сварке с присадкой переносит круговой шов на внешнюю поверх­ность оболочки. Для качественного формирования сварного соедине­ния и равномерного проплавления пользуются съемными формирую­щими подкладками, которые после сварки удаляют. Повышение коррозионной стойкости таких швов по сравнению с обычными круго­выми со сквозным проплавлением листа или оболочки отмечается рядом исследователей.

При конструировании соединений, работающих при переменных напряжениях, следует избегать в зоне сварных швов резких перемен сечений, нахлесточных соединений и других конструктивных реше­ний, приводящих к концентрации рабочих напряжений. В этом отно­шении весьма показательны примеры, приведенные на рис. 15, я, г.

Рис. 16. Соединение трубы с оболочкой: а — без промежуточного элемента; б — с промежуточным переходником

Плавный переход от фланца к трубе и применение кольцевого шва вместо двух круговых сва­ренных в угол практически из­бавляют соединение от опасно­сти появления эксплуатацион­ных трещин.

При соединении труб с обо­лочкой рациональным является соединение через штампованный

переходник (рис. 16, б) вместо соединения с высокой концент­рацией напряжений конструктивного и технологического харак­тера (рис. 16, а). Применение переходника позволяет'использовать в узле только стыковые соединения и увеличить диаметр кругового шва. Это уменьшает радиальные напряжения, оказывающие боль­шое влияние на эксплуатационную прочность таких соединений малых диаметров при переменных тепловых и механических нагруз­ках, возникающих в химических аппаратах.

■ При соединении труб с оболочками большой толщины усталост­ная трещина может развиться из корня шва, расположенного внутри области стыковки, особенно при наличии непровара в корне. В связи с этим при соединении трубных переходников может оказаться рациональным решение, показанное на рис. 17. В оболочке 2 в центре установки трубчатого переходника сверлят центровочное отверстие d, в которое вставляют заготов­ку 1 переходника с разделкой кромок под сварку. После свар­ки просверливают отверстия диаметром D (рис. 17, а). Окон­чательно соединение имеет вид, показанный на рис. 17, б. Оно не избавлено от концентрации напряжений вследствие резких изменений сечения на внешней поверхности трубы и оболочки, но гарантирует хорошее качест­во поверхности и металла во внутренней полости. Кроме того, при высверловке в связи с удалением части шва и зоны термического влияния происходит снижение остаточных сварочных напряжений.

Рис. 17. Вариант изготовления соеди­нения трубы или штуцера с оболоч­кой с удалением корневой части шва высверловкой

Рассмотренные примеры не исчерпывают больших возможностей, которые имеются в части создания рациональных конструктивных и технологических решений сварных узлов в различных конструк­циях химических аппаратов. Они лишь показывают, что на основа­нии анализа имеющихся решений, выявления их положительных качеств и недостатков, изучения последствий, вносимых сваркой, а также взаимодействий рассматриваемого узла или элемента кон­струкции с рабочими нагрузками, можно прийти к более опти­мальному решению с позиций повышения работоспособности кон­струкции.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

На сварку листовых и оболочковых конструкций химического аппаратостроения распространяется отраслевая нормаль ОН-26-01- 71—68. Нормаль регламентирует конструктивные элементы подго­товки кромок различных типов сварных соединений из углероди­стой, низколегированной, высоколегированной, коррозионностойкой и двуслойной сталей, алюминия и его сплавов, меди, латуни, никеля и титана, задает рекомендуемую технологию различных способов сварки и соответствующие присадочные металлы, электроды, флюсы, инертные газы и пр. Параметры сварки, рекомендуемые нормалью, геометрические и физические величины, определяющие качественное протекание процесса, подлежат контролю как перед сваркой, так и в процессе сварки. Все 100% длины стыков проверяют непосред­
ственно перед сваркой на соответствие качества подготовки кромок рекомендациям нормали. При этом никаких отклонений от реко­мендаций не допускается. Присадочные материалы и электроды должны отвечать требованиям, установленным нормалью. Замена их не допускается.

Большое значение придают контролю в процессе сварки. При сварке аппаратов высокого давления, особо ответственных трубных стыков рекомендуется непрерывная регистрация на диаграммах параметров режима сварки, а также текущий отбор проб для про­верки установленных параметров.

Для контроля качества сварных соединений аппаратуры ем­костного типа, работающей под давлением, применяют различные методы, основными из которых являются 100%-ный визуальный осмотр швов, выборочный контроль рентгенопросвечиванием и ультразвуком. Готовые изделия проходят испытания внутренним давлением, превышающим в 1,2—1,5 раза рабочее, а также проверку герметичности. Ультразвуковой контроль может быть использован не только для выявления дефектов, но и для контроля толщины антикоррозионного слоя, нанесенного сваркой. При этом исполь­зуют раздельно-совмещенный искатель, устанавливаемый со сто­роны основного материала. Он позволяет получать на экране два сигнала, отраженные от наружной поверхности и границы раздела. При толщине наплавленного слоя более 0,5 мм точность определения составляет ±1%.