Тонкостенные сосуды

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 (рис. 10.12).

Рис.10.12. Характерные типы тонкостенных сосудов:

а – сферический; б – цилиндрический; в - торовый

Выбор формы может определяться различными соображениями. Сферический сосуд при заданной емкости имеет минимальную массу, который 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. 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 (рис. 10.13 а) имеет обечайку из горячекатаной стали 20кп и два штампованных днища из стали 08кп 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 (рис. 10.13 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.

Рис.10.13. Тонкостенные сосуды:

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

При использовании высокопрочной стали 25ХСНВФА (σ_в =1400 МПа) подкладные кольца у стыковых соединений уже применять нельзя (рис. 10.13 в).

Иногда для понижения рабочих напряжений в зоне сварного соединения увеличивают толщину металла в местах расположе­ния швов (рис. 10.13 г).

Напряжения в продольном шве цилиндрической части радиу­сом R с толщиной стенки s

σ =pR/s, (10.22)

а в поперечном шве

σ₁=pR/(2s). (10.23)

Напряжения в сферической части радиуса R_o с толщиной s_o составляют

σ_o =pR_o /(2s_o). (10.24)

Действительная конструктивная прочность сосудов в результате концентрации напряжений может оказаться ниже предельной. Большое влияние оказывает отношение σ_т/σ_в. В случае если σ_т/σ_в=0,6 - 0,75, конструктивная прочность сосуда приближается к предельной. Если σ_т/σ_в=0,9, то конструктивная прочность может оказаться значительно меньше предельной.

Если в тонкостенном сосуде создается вакуум, то оболочки на­до проверить на устойчивость. Цилиндрические оболочки при дли­не L<10r, где r -радиус цилиндра, проверяются по формуле

σ_кр=0,55Е r (s/r)^3/2 /L, (10.25)

где σ_кр - критическое напряжение; s -толщина оболочки, Е - модуль упругости.

Устойчивость сферической оболочки определяется формулой

σ_кр=0,1 Es/r. (10.26)

Допускаемое напряжение [σ]≤ σ_крm, где m=0,8 - коэффици­ент условий работы.

Тонкостенные сосуды в виде различных тормозных баллонов для наземного транспорта изготовляют крупными сериями, ис­пользуя хорошо свариваемые материалы относительно невысокой прочности. Примером может служить воздушный тормозной ре­зервуар железнодорожного вагона из углеродистой стали. Он име­ет отбортованные днища, приваренные к обечайке стыковым со­единением. Его выполняют либо на остающемся подкладном коль­це (рис 10.14 а), либо с проточкой отбортованной части днища (рис 10.14 6).

Рис.10.14. Воздушный тормозной резервуар железнодорожного вагона

Чем больше диаметр D_H, тем более нагруженными оказываются резервуары; при расчете на прочность учитывают возможность уменьшения толщины стенок в результате коррозии на 0,7-1 мм. Коэффициент запаса прочности n = σ_в/ [σ]_р принимают не менее 3,5.

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. Аппаратуру емкостного типа обычно выполняют в виде цилиндрических сосудов. При избыточном давлении 0,4-1,6 МПа и выше, а также в емкостях, используемых для транспортировки жидкостей, соединения листовых элементов обечаек и днищ выполняют только стыковыми.

Барабаны котлов

В состав котельных агрегатов входят барабан, экономайзеры, пароперегреватели и камеры. Барабаны котлов высокой произво­дительности имеют диаметры 1600-1800 мм, толщина их стенок достигает 100 мм. Барабан по длине состоит из отдельных обечаек; днища барабанов, как правило, штампованные. Все соедине­ния выполняются электрошлаковой и дуговой сваркой.

Для котельных сосудов типа барабанов (рис. 10.15) характер­но большое число штуцеров различного назначения.

Рис.10.15. Общий вид сварного барабана котла

Поэтому при проектировании котельного оборудования большое внимание уделяют определению допустимого размера неукрепленного отвер­стия и расчету укрепления отверстий. Учет ослабления стенки отверстием осуществляют введением коэффициента φ. При про­дольном расположении отверстий

φ_прод = (t - d)/ t, (10.27)

где t - расстояние между центрами отверстий в продольном направлении; d- диаметр отверстия.

Если диаметр отверстия превышает допускаемый (d_пр), то должна быть увеличена толщина стенки сосуда или отверстие должно быть укреплено приваркой утолщенного штуцера или на­кладки (рис. 10.16).

В сосудах, работающих при температуре выше 300 °С при тол­щине обечайки более 40 мм, применение накладок не рекоменду­ется из-за опасности появления значительных температурных на­пряжений. Для них более рационально укрепление от­верстия штуцером (рис. 10.16 б) или вваркой стыко­вым швом элемента боль­шей толщины (рис. 10.16 г). Площадь сечения свар­ных швов f_св. присоединяю­щих штуцера или накладки к укрепляемому элементу, принимают без учета уси­ления.

Рис.10.16. Типы укрепления отверстий сосудов: а – утолщенным штуцером; б – штуцером, не испытывающем давления; в – накладкой; г – вваркой утолщенного листа

Разделка под приварку штуцеров должна обеспечивать соеди­нение их с барабаном или камерой по всей толщине штуцера. Раз­решается приваривать штуцера без разделки, если при ручной дуговой сварке толщина их стенки не более 10 мм и при автома­тической дуговой сварке под флюсом - не более 15 мм.

Рассмотренный метод расчета не учитывает влияния местной концентрации напряжений у отверстий. Полагают, что при высокой пластичности сталей появление местных небольших упругопластических деформаций не снижает работоспособности конструкций. При действии переменных нагрузок прочность сосудов может снижаться, особенно при использовании высокопрочных сталей (σ_в =800 - 900 МПа). Разрушения образуются в зонах концентрации напряжений: в местах приварки фланцев, труб, патрубков, штуце­ров. Вероятность малоциклового разрушения заметно возрастает, когда в зоне концентрации оказываются дефекты.

Для надежной работы котлов и сосудов большое значение име­ют пластические свойства металла и низкий уровень остаточных напряжений. Поэтому сварные конструкции котлов подвергают термической обработке. Для устранения остаточных напряжений в конструкциях из низкоуглеродистой стали достаточно высокого отпуска при T=600 - 650 °С.