Сварные котельные конструкции проектируют и изготовляют пре­имущественно в блочном исполнении с целью выполнения макси­мального объема сварочных работ на заводе.

6) г) Рис. 7. Типы стыковых соединений толстостенных сосудов и трубопро­водов:

Выбор метода сварки (табл. 2) определяется типом узла, его габаритами, степенью ответственности и производительностью про­цесса. Так, при сварке основных продольных и 'кольцевых швов сосудов при толщине стенки до 30 мм наиболее перспективной является автоматическая сварка под флюсом. Если толщина обе­чаек превосходит 30 мм, то по условию производительности за­служивает предпочтение елек­трошлаковая сварка продольных швов, а при толщине свыше 90 мм она целесообразна и для кольцевых швов.

а —- разделка. под сварку с подваркой кор­ня шва; б — стык трубопровода на под­кладном кольце при S ^ 25 мм; в — то же при S > 17 мм; г — стык трубопровода со сваркой корневого слоя в защитных газах

Для стыков трубопроводов целесообразно использовать ав­томатическую сварку под флю­сом; при малых диаметрах и толщине труб (в экранных по­верхностях) самым производи­тельным методом является кон­тактная стыковая сварка. В условиях монтажа труб по­верхностей нагрева наиболее высокое качество обеспечивает аргоно-дуговая сварка стыков. При большой их толщине этот метод используют для сварки корневого сечения.

Основным типом сварных соединений котельных установок являются стыковые. Они обязательны для продольных и кольцевых швов обечаек сосудов, стыков труб и камер и приварки к ним днищ. При приварке штуцеров, плоских днищ и фланцев к обечайкам и камерам допускаются также угловые и тавровые соединения.

Стыковые швы должны иметь полное и гарантированное проплав­ление. При сварке сосудов этого достигают подваркой корня шва изнутри (рис. 7, а); если доступ к внутренней стороне шва отсутст­вует (в кольцевых стыках трубопроводов), то применяют сварку на подкладных кольцах (рис. 7, б, в), а для наиболее ответственных стыков из теплоустойчивых и жаропрочных сталей — сварку кор­невого слоя в защитных газах, гарантирующую полное проплавле­ние с внутренней стороны трубы (рис. 7, г).

К расположению стыковых швов сосудов предъявляют ряд осо­бых требований. Продольные швы обечаек, выполненные ручной дуговой сваркой должны смещаться один относительно другого на величину двукратной толщины более толстого листа, но не менее чем на 100 мм. Это требование следует выдерживать и для швов, выполненных электрошлаковой сваркой. На швы, выполненные автоматической сваркой под флюсом, оно не распространяется.

Не должно быть чрезмерной концентрации основных сварных швов. С этой целью расстояние между осями поперечных швов бара­банов камер и труб должно быть не менее трехкратной толщины стенки свариваемых элементов, но не менее 100 мм.

Особое внимание при проектировании сварных узлов уделяют расположению сварных швов вне зоны действия значительных на­пряжений изгиба и принятию дополнительных мер по их снижению. Для этого в стыковых соединениях элементов с разной толщиной стенок должен быть обеспечен плавный переход от одного элемента к другому путем постепенного утонения стенки более толстого эле­мента под углом не более 15° и за счет плавного перехода сварного шва.

Привариваемые днища должны иметь гарантированную отбор - товку, обеспечивающую вывод сварного стыка из зоны действия значительных напряжений изгиба. Поперечные стыки трубопрово­дов на гнутых участках труб не допускаются; расстояние от начала гиба до шва на трубах поверхностей нагрева должно составлять не менее 100 мм, а на трубах с наружным диаметром ^ 100 мм не менее наружного диаметра трубы, на трубопроводах — не менее 100 мм. Стыковые соединения располагают вне опор сосуда.

Надежность сварных стыков трубопроводов, изготовленных из жаростойких и жаропрочных сталей и работающих при высоких температурах в условиях ползучести, повышается при снятии уси­ления сварных швов и обработки их наружной поверхности до плавного сопряжения с основным металлом. Эту операцию реко­мендуется вводить:

в сварных стыках трубопроводов при толщине стенки труб из хромомолибденованадиевых сталей свыше 45 мм, а из высокохроми­стой и аустенитной стали свыше 20 мм;

при расположении сварных стыков в зоне действия высоких напряжений изгиба (сварные соединения тройников, стыки в при­соединениях корпусов и т. д.) при толщине стенки труб из хромо­молибденованадиевых сталей свыше 20 мм.

В сосудах, работающих под давлением, применяют выпуклые днища (эллиптические или сферические) при отношении высоты выпуклой части днища к внутреннему диаметру не менее 0,25. Это условие обеспечивает плавную передачу усилия на обечайку в рай­оне установки днищ. Для неответственных сосудов могут допус­каться конические днища без отбортовки, центральный угол кото-

		Метод сварки
Тип свар ного узла	оптимально-рекомендуемый	допускаемый	ограниченно-допу- скаемый
Сварка сосудов при толщине обечаек, мм:	Сосуды, работающие	і под давлением
есеЗО	АДСФ продольных и кольцевых швов, РДС штуцеров	РДС продольных и кольцевых швов и штуцеров
30—90	ЭШС продольных швов, АДСФ продольных швов и штуцеров	1. АДСФ продольных и кольце­вых швов, РДС штуцеров 2. РДС продольных, кольцевых и штуцеров	Автоматическа я и полуавтоматиче­ская сварка в уг­лекислом газе
>90	1. ЭШС продольных и кольцевых швов, АДСФ щтуцеров 2. ЭШС продольных швов, АДСФ кольцевых швов и штуцеров	1. ЭШС продольных и кольце­вых швов, РДС штуцеров 2. ЭШС продольных швов, АДСФ кольцевых швов, РДС штуцеров	—
Создание защитных сло - ев на внутренней поверх­ности сосудов	1. Двуслойный прокат 2. Ленточная наплавка	Сварка взрывом	Ручная дуговая наплавка

Котлы и толстостенные сосуды

С Стыки труб поверхно­стей нагрева и экономай­зеров	'варные конструкции кот 1. Контактная стыковая сварка 2. АДС корневого слоя, запол­нение основной разделки РДС или АДС	лов и трубопроводов РДС на подкладных кольцах	Газовая сварка
Сварка газоплотных па­нелей	АДСФ на специальных установ­ках	РДС (для вварки гарнитуры и на монтаже)	—
Стыки труб паропрово­дов и питательной воды: углеродистые и низколе­гированные стали Хромомолибденована­диевые, высокохромистые и аустенитные стали	1. АДС корня шва, заполнение основной разделки АДСФ 2. АДСФ на подкладном кольце	1. АДС корня шва, заполнение основной разделки РДС 2. РДС на подкладном кольце	РДС без под­кладного кольца
АДС корня шва, заполнение ос­новной разделки АДСФ	1. АДСФ на подкладном кольце 2. РДС на додкладном кольце	Сварка в среде СО2
Приварка шипов Условные обознг •сварка под флюсом; АДС — а	Контактная приварка на ав­томатах ічения методов сварки: ЭШС ргонодуговая сварка; РДС — ручная дуго	Полуавтоматическая сварка под флюсом и в защитных газах — электрошлаковая сварка; АДСФ — аві вая сварка.	РДС ’оматическая дуговая

Конструктивное оформление и технологичность

рых не должен быть более 45°. Днища сосудов высокого давления с толщиной стенки до 120 мм должны быть цельноштампованными, в сосудах низкого и среднего давления допускаются штампованные днища, сваренные из листов.

Для сосудов с внутренним диаметром менее 500 мм допускаются плоские днища, широко применяемые в камерах котлов. Варианты их конструктивного оформления показаны на рис. 8.

Предпочтительны днища, показанные на рис. 8, а и б, сварные швы которых вынесены за пределы торцевой части, что обеспечи­вает снижение в них рабочих напряжений изгиба. Днища таких типов могут подвергаться контролю неразрушающими методами (просвечиванием или ультразвуковой дефектоскопией). Для устра-

Рис. 8. Типы плоских днищ: а — с отбортовкой на замке; б — с отбортовкой на подклад- ном кольце с зыточкой; гв ^ 5 мм; $2^0,31£>в V Гош; б —без отбортовки

нения опасности перерезания волокон металла днища штампуют, а не вырезают из более толстого листа.

Непосредственную вварку плоского днища в обечайку (рис. 8, в) можно допустить лишь в неответственных сварных соединениях, работающих при сравнительно умеренных температурах и изготов­ленных из низкоуглеродистой стали. Контроль качества этих соединений неразрушающими методами затруднителен.

В сосудах различного назначения, камерах котлов и трубопро­водах присоединение сваркой или вальцовкой труб малого диаметра (поверхностей нагрева, перепускных труб, дренажных линий и т. д.) выполняют сваркой или вальцовкой.

Вальцовочные соединения труб поверхностей нагрева с бараба­нами и камерами правилами Горгостехнадзора допускаются при диаметре труб до 102 мм и рабочей температуре стенки не выше 400° С. В котлах малой производительности массового выпуска такие соединения применяют наряду со сварными. Для систем вы­сокого давления они оказались ненадежными и поэтому практически полностью заменены на сварные.

В сварном исполнении трубы поверхностей нагрева присоеди­няют к камерам с помощью штуцеров и без штуцеров — приваркой. При бесштуцерной приварке заметно сокращается число сварных стыков, однако этот способ допускается лишь при соблюдении сле­дующих требований:

свободного доступа к сварных стыкам, обеспечивающего каче­ственное выполнение сварки;

выполнения при необходимости термообработки в печах, индук­ционным нагревом или другими методами, обеспечивающими надеж­ность ее проведения и тщательный контроль равномерности нагрева;

Рис. 9. Типы штуцерных и тройниковых соедине­ний камер котлов, барабанов и трубопроводов: а — без разделки кромок; б — без разделки кромок шту­цера с проточкой стенки сосуда; в — с разделкой стенки штуцера; г — с разделкой стенки штуцера и проточкой стенки сосуда; д — с выштамповкой стенки сосуда; е — с пропуском штуцера через стенку сосуда

возможности надежного контроля качества сварных соединений.

Присоединение труб к сосудам с помощью штуцеров позволяет осуществлять сварку угловых швов в наиболее удобных условиях, надежно контролировать швы и их термически обрабатывать в пе­чах. В этом случае утолщение стенки штуцеров по сравнению с при­вариваемой трубой, обеспечивает большую надежность угловых соединений в условиях ползучести на трубах из теплоустойчивых и жаропрочных сталей. Варианты конструктивного оформления штуцерных соединений показаны на рис. 9.

Соединение по типу рис. 9, а рекомендуется использовать при толщине штуцеров до 10 мм с применением ручной дуговой сварки и до 15 мм при автоматической сварке под флюсом. Такое соедине­ние широко применяют в барабанах низкого и среднего давления и камерах. Соединение по типу рис. 9, б используют в барабанах и камерах высокого давления при тех же толщинах. Для всех типов штуцерных соединений число валиков шва не должно быть меньше двух по условию гарантированного проплавления начального и кратерного участков. Соединения по типу рис. 9, в и г используют.

преимущественно в системах высокого давления. В трубах из хромомолибденованадиевых и аустенитных сталей подкладное кольцо после сварки удаляют.. Для этих типов соединений можно рекомендовать также выполнение корневого шва в среде защитных газов без подкладного кольца.

шттшшм

а — переходный; б — равнопроходный

Наиболее технологичным по условиям выполнения сварки и бла­гоприятным по условиям работы шва является соединение типа рис. 9, д с высадкой стенки основной трубы. Его целесообразно использовать в тройниках и камерах высокого давления, работаю­

щих в наиболее тяжелых условиях. Контроль этого типа соединения неразрушающими методами более надежен по сравнению с дру­гими типами.

Штуцерное соединение с пропуском через стенку сосуда (рис. 9, е) целесообразно применять при большом диаметре штуцера и необ­ходимости усиления отверстия. Из-за высокой жесткости соедине­ния сварка и контроль требуют особой тщательности. Это соеди­нение применимо лишь при возможности доступа к внутренней по­верхности с целью вырубки и подварки корня шва. Рекомендуется обработка наружной и внутренней поверхностей швов до плавного сопряжения с основным металлом.

Штуцерные соединения типа (рис. 9, в) широко применяют в сварных тройниках (рис. 10), получивших широкое применение в котельных установках и в основном заменивших литые тройники, оказавшиеся эксплуатационно-ненадежными. Подготовку кромок трубы штуцера выполняют на станке проточкой по цилиндрической
поверхности (сечение А — А), что обеспечивает высокое качество сварного соединения при отношении диаметра штуцера к диаметру основной трубы до значения 0,7. При необходимости получения равнопроходного тройника основную трубу берут большего диа­метра (рис. 10, б), у нее обсаживают концы, а сварное тройниковое

соединение выполняют при отношении ті~- — 0,7. Сварку произ-

Uо. тр

водят на подкладном кольце, которое затем удаляют расточкой.

Недостатком этих тройников является трудность контроля нераз­рушающими методами. Поэтому получают распространение трой­ники с высаженной горловиной по типу рис. 9, д.

Рис. И. Конструктивно-технологические варианты газоплотных панелей: а — из гладких труб с приваренными перемычками; б — из гладких труб с приваренными плавниками; в — из гладких труб с заплавленными перемычками; г — из плавниковых труо

Одной из тенденций развития котлостроения является переход к котлам, работающим под наддувом путем создания герметичных экранных поверхностей, состоящих из труб, сваренных одна с дру­гой непрерывными швами через проставки. Изготовление таких газоплотных (мембранных) панелей возможно лишь с широким применением сварки; протяженность продольных сварных швов таких панелей для мощных котлов составляет десятки километров. В котельной практике получили распространение несколько вари­антов изготовления панелей (рис. И). Каждый из вариантов имеет свои области применения. Наиболее универсальным и дешевым является первый из них. При его использовании можно в наиболее широких пределах менять шаги труб, а производительность свароч­ных работ за счет использования двух головок та же, что и при одном среднем шве. Если' панели изготовляют из труб хромомолиб­денованадиевых сталей, разупрочняемых при сварке (ср = 0,8), то стенку трубы приходится соответственно утолщать или проводить дополнительный расчет для оценки возможности сохранения тол­щины стенки бесшовной трубы, так как обычно температура в рай­оне приварки плавников ниже, чем на лобовой поверхности трубы.

Вариант мембранных панелей с заплавленными перемычками (рис. 11, в) может быть использован при относительно малой ширине последних (до 12 мм), поскольку при большей ширине не удается получить стабильное качество перемычки. Этот метод получил огра­ниченное применение и лишь для низкоуглеродистых труб из-за склонности наплавок к растрескиванию при сварке, резко возра­стающем при их легировании.

Наиболее дорогим из-за высокой стоимости плавниковых труб является вариант на рис. И, г. Он имеет, однако, преимущество перед другими способами при использовании в качестве материала труб хромомолибденованадиевых сталей, так как сварной шов выне­сен за пределы трубы и не требует утолщения ее стенки. При трубах, сварные соединения которых равнопрочны основному металлу, использование плавниковых труб экономически нецелесообразно.

Изготовление панелей должно обязательно ориентироваться на автоматизированные методы сварки и использование специализиро­ванных стендов, в которых осуществляется постепенное наращи­вание панели. Возможна такая последовательность сварки труб в панель: 2—4—8—16—32 или 3—7—15—31. В первом случае одновременно сваривают две трубы между собой, а во втором — три. С точки зрения получения минимального коробления панели заслуживает предпочтение первый вариант. Полная сборка всей панели с помощью прихваток и далее сварка ее в собранном виде недопустима из-за трудности автоматизации сварочных процессов и значительных деформаций сварной панели.

Наиболее распространена автоматическая сварка панели под флюсом. При толщине стенки труб менее 3 мм возможно использо­вание автоматической сварки в защитных газах. Для варианта сварки панелей по типу рис. 11,6 целесообразно применение высокопроизводительной радиочастотной приварки плавников. Руч­ную дуговую сварку можно допускать лишь для кольцевых стыков труб и вварки различной гарнитуры (горелок, люков и т. д.).

Крупные' сосуды для работы при очень высоких давлениях изго­товлять со сплошной стенкой затруднительно и дорого в связи с боль­шой стоимостью цельнокованых обечаек. Все большее применение для работы в таких условиях получают многослойные сосуды (рис. 12) диаметром до 5 м при общей толщине стенки 200—400 мм. Днища и фланцы таких сосудов делают сплошными и приваривают стыко­выми швами к проточенным торцам многослойной обечайки.

Имеются три основных метода получения обечаек многослойных сосудов. По первому из них предварительно собирают и сваривают продольными швами обечайки разного диаметра с толщиной стенки 20—50 мм. После зачистки усиления швов и калибровки обечайки последовательно надевают одну на другую до получения требуемой суммарной толщины. Для осуществления необходимого натяга между слоями насаживаемая обечайка перед посадкой нагревается до

600° С, что обеспечивает соприкосновение до 95% сопрягаемой поверхности.

Второй способ состоит в том, что на внутреннюю обечайку — трубу толщиной 10—40 мм последовательно насаживают полуобе - чайки толщиной 5—8 мм, обтягивают с помощью гидравлических устройств и сваривают двумя продольными швами между собой. После зачистки швов последовательно надевают следующие полу - обечайки до получения нужной толщины.

По третьему способу к центральной трубе толщиной 20—40 мм приваривают продольным швом конец стальной ленты, которую затем с помощью натяжного устройства навивают на трубу. После на­вивки наружный конец ленты приваривают к корпусу продольным швом.

Рис. 12. Конструктивное оформление многослойного сосуда: а — общий вид; б — штуцер с пропуском через стенку и полной об­варкой; в — штуцер с пропуском через стенку и приваркой к внутрен­ней трубе

Полученные обечайки длиной до 4 м протачивают по торцам для создания разделок под сварку и сваривают кольцевыми швами между собой и с цельноковаными концевыми частями.

Использование тонкостенных обечаек позволяет обеспечить опти­мальные прочность - и пластичность материала и надежно проконтро­лировать его качество. Многослойные сосуды в ряде случаев не подвергают отпуску, что дает возможность изготовлять нетранспор­табельные сосуды по частям и затем сваривать в монтажных усло­виях. Испытания многослойных сосудов под внутренним давлением показало, что разрушение их всегда носит пластичный характер с значительным продольным раскрытием обечайки. Если требуется на внутренней поверхности сосуда коррозионностойкий слой, то центральную трубу изготовляют из аустенитной стали. Это резко упрощает технологию получения плакированных сосудов большой толщины и снижает стоимость наплавочных работ, оставляя на­плавку только на днище и фланцах.

Расчет многослойных сосудов можно производить по действую­щим нормам для сосудов со сплошной стенкой той же общей тол­щины. Коэффициенты прочности сварных соединений могут быть приняты теми же. Благоприятное распределение остаточных на­пряжений расчетом не учитывается.

В большинстве случаев штуцера в многослойных сосудах разме­щают в сплошных днищах. Вывод их на обечайку нежелателен, так как при этом нарушается основное условие работы многослойного сосуда — свободное перемещение отдельных обечаек для обеспече­ния их совместной работы. Поэтому штуцера на обечайке допускаются лишь как единичные. Это затрудняет использование многослойных сосудов в конструкциях, с большим числом штуцеров, как напри­мер, в котельных барабанах.

При необходимости размещения единичных штуцеров на обе­чайке рекомендуется их пропускать через обечайку и обваривать по всей толщине, как показано на рис. 12, б. При большом числе штуцеров возможно размещение их на сплошном кольце, которое затем вваривают поперечными швами в многослойные обечайки. Возможным вариантом крепления штуцера на обечайке, подлежа­щим экспериментальной проверке, является приварка его лишь к внутренней трубе (рис. 12, в).

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

Ответственность работы котельных и других элементов под внут­ренним давлением и при высоких температурах определяет высокие требования к контролю качества на всех стадиях изготовления и эксплуатации и проведению дополнительных приемочных испы­таний. Объем контроля и виды приемочных испытаний определяются требованиями Госгортехнадзора и другими нормативными мате­риалами.

На стадии проектирования надежность контроля обеспечивают расположением сварных швов в доступных участках и возможностью полного удаления выявленных дефектов и последующего ремонта.

Правилами котлонадзора [8] предусмотрено использование разных методов неразрушающего контроля сварных соединений и исследо­вания их качества и свойств на образцах контрольных проб.

Объем контроля определяется ответственностью изделий и преж­де всего рабочими давлением и температурой. Так, применение мето­да ультразвуковой дефектоскопии является обязательным для всех швов сосудов, работающих под давлением свыше 50 кгс/см2 при температуре стенки свыше 200° С и ниже —70° С. В сосудах же для работы под давлением до 16 кгс/см2 при температуре стенки от —40° С до +200° С контролируют лишь 25% от общей длины швов. Обязательному контролю подлежат все места пересечения сварных швов.

Правилами предусмотрено проведение механических испытаний образцов контрольных сварных соединений. Важнейшим условием получения достоверных результатов по свойствам сварных соедине­ний является выполнение контрольных проб на всех стадиях изго­товления и термообработки в условиях, полностью идентичных
реальному изделию. В исключительных случаях может быть преду­смотрена вырезка контрольных проб непосредственно из изделия.

Основным видом приемочного испытания элементов, работающих под давлением, является гидравлическое испытание, которому под­вергают все сосуды, трубопроводы и другие элементы после их изго­товления. При рабочем давлении р ^ 5 кгс/см2 пробное давление составляет 1,5 р если р> 5 кгс/см2, то пробное давление обычно берут 1,25 р. Литые элементы независимо от рабочего давления подвергают испытанию при пробном давлении 1,5 р.

Если сосуды работают при температуре свыше 200° С, то пробное давление рИ определяют по формуле

(16)

Для испытания используют воду с температурой не ниже 5° С. В отдельных случаях, например при испытаниях барабанов высокого давления, могут предъявляться дополнительные требования к повы­шению температуры воды до+40 +60° С, чтобы устранить опас­

ность хрупкого разрушения изделия.