Сосуды и аппараты, работающие под давлением
Сварные машиностроительные конструкции и трубопроводы имеют чрезвычайно большое многообразие видов, типоразмеров, форм и назначений.
В данном разделе рассматриваются преимущественно листовые, оболочковые конструкции, как наиболее ответственные и насыщенные сварными соединениями. Из всего разнообразия трубопроводов рассматриваются технологические, как наиболее характерные и наиболее сложные при изготовлении и монтаже.
Эти объекты представляют потенциальную опасность для окружающих, так как либо работают под давлением и при высокой температуре рабочего тела, и разрыв материала или сварного соединения может привести к серьезным последствиям; либо давление может быть и не столь высоким, однако разрушение конструкции может привести к взрыву (газопровод) или к отравлению персонала (хлоропровод); либо объект несет грузы, падение которых может привести к несчастным случаям (монтажный стреловой кран), или людей (лифт).
Сварные конструкции можно разделить на три группы:
паровые котлы, пароперегреватели и экономайзеры с рабочим давлением более 0,07 МПа и водогрейные котлы с температурой воды свыше 115 °С.
сосуды, работающие под давлением свыше 0,07 МПа, цистерны и бочки для перевозки сжиженных газов (давление паров, в которых при температуре до 50 °С превышает 0,07 МПа), сосуды и цистерны для хранения, перевозки сжиженных газов, жидкостей и сыпучих тел, без давления, но опорожняемые под давлением газа свыше 0,07 МПа, а также баллоны, предназначенные для перевозки и хранения сжатых, сжиженных и растворенных газов под давлением свыше 0,07 МПа.
трубопроводы пара и горячей воды, а также трубопроводы горючих, токсичных и сжиженных газов.
Проектные и конструкторские работы должны осуществляться инженерно-техническими работниками, изучившими и знающими в совершенстве всю нормативную документацию по этим объектам и прошедшими проверку знаний в установленном порядке.
Сосуды, работающие под давлением. Требования к ним, принципы расчета
Сосуды, работающие под давлением - герметически закрытые емкости, предназначенные для ведения химических и тепловых процессов, а также для хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворенных газов и жидкостей под давлением. Сосуды могут быть пустотелые, используемые преимущественно для хранения и перевозки, а также с внутренними устройствами (тарелками, мешалками, диффузорами и т. д.), предназначенные для ведения химических процессов или тепловых (если в качестве внутреннего устройства используются трубные пучки).
Наиболее часто встречающиеся типы пустотелых сосудов - сферические резервуары, которые изготовляются монтажными организациями из заводских заготовок непосредственно на строительной площадке, а также горизонтальные емкости постоянного объема (так называемые «лежаки» или «буллиты»), автоклавы и др.
К сосудам с внутренними устройствами относится много видов нефтехимаппаратуры: колонны ректификационные, абсорберы, десорберы, реакторы, фильтры и пр., а также теплообменная аппаратура.
Сосуды, работающие под давлением, встречаются практически на предприятиях всех отраслей народного хозяйства.
Рабочее давление в сосуде - максимальное избыточное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса к устанавливающееся расчетом сосуда на прочность.
Расчетное давление сосуда является наименьшим из расчетных давлений отдельных его элементов, работающих под давлением.
Испытательное давление сосуда - давление, при котором сосуд испытывают на прочность и плотность (герметичность).
Конструкция сосудов должна быть достаточно надежна, безопасна в эксплуатации и предусматривать возможность внешнего и внутреннего осмотра, промывки, продувки и ремонта. Для этого внутренние устройства, которые не дают возможности производить внутренний осмотр сосуда, должны быть съемными; сосуды с внутренним диаметром более 800 мм снабжены достаточным числом лазов, расположенных в местах, доступных для обслуживания; сосуды диаметром 800 мм и менее иметь в доступных местах стенок круглые или овальные люки. Исключение составляют сосуды с трубными пучками и решетками (теплообменники), которые независимо от диаметра сосудов разрешается изготавливать без лазов.
При внутренних осмотрах сосудов особое внимание должно уделяться состоянию сварных швов для выявления дефектов, в первую очередь трещин. Осмотры производятся периодически.
Днища сосудов должны иметь эллиптическую форму, исключения составляют сосуды диаметром не более 500 мм, где могут быть применены приварные плоские днища.
Сварные швы сосудов, работающих под давлением, должны быть только стыковыми, допускается применение тавровых сварных соединений для приварки плоских днищ, плоских приварных фланцев, а также штуцеров-врезок труб в стенки сосуда. При вварке штуцеров в целях повышения надежности соединения устанавливают накладку, называемую иногда «воротником». В стыковых сварных соединениях сосудов с различной толщиной стенок должен быть обеспечен плавный переход от одного элемента к другому.
Крестообразные пересечения сварных швов, выполненных ручкой дуговой сваркой, не допускаются. В этом случае сварные швы должны быть смещены по отношению друг к другу на расстояние, равное двукратной толщине наиболее толстого свариваемого элемента, но не менее 100 мм. Это требование не распространяется на сварные швы, выполненные механизированной или автоматизированной сваркой.
Если днище сосуда является составным из нескольких листов, то расстояние от оси шва до центра днища не должно превышать 0,2 диаметра днища.
В целях возможности проведения эффективного осмотра сварных швов сосуда не разрешается располагать продольные сварные швы в горизонтальных сосудах в пределах центрального угла нижней части корпуса сосуда, равного 140°.
Сварные швы должны быть расположены вне опор сосудов, в случае приварки опор или других конструкций к корпусу или днищу сосуда. Расстояние между краем сварного сосуда и краем шва приварки должно быть не менее толщины стенки сосуда. Во всех случаях сварные швы сосуда должны быть доступны для контроля при изготовлении, монтаже и эксплуатации сосуда.
Материалы, применяемые при изготовлении сосудов, работающих под давлением, должны обладать хорошей свариваемостью, а также прочностными и пластическими характеристиками, обеспечивающими их достаточную надежность и долговечность.
Для изготовления сосудов применяют широкий диапазон различных марок сталей. К основным из них относятся:
сталь углеродистая обычного качества. Кипящие стали этой группы сталей используют для изготовления сосудов, работающих при температуре стенки от 10 до 200 °С и давлении не более 1,6 МПа. Стали полуспокойные - для сосудов с температурой стенки от -20 до 200°С и давлении не более 5 МПа и спокойные - для сосудов с температурой стенки от -20 до +425°С и давлении не более 5 МПа;
стали низколегированные, которые используют для изготовления сосудов с температурой стенки от -70 до 475 °С;
стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. В зависимости от марки стали температура стенки изготавливаемых сосудов может меняться от -269 до +700 °С, а рабочее давление в сосудах может либо ограничиваться 5 МПа, либо не ограничиваться;
стали углеродистые качественные конструкционные (стали 10, 15, 20) для температуры стенки от -20 до 475 °С и давления не более 5 МПа.
Кроме сталей для изготовления сосудов могут применяться также цветные металлы в виде листового проката или труб:
медь и латунь используют для изготовления сосудов с температурой стенки от -269 до 250 °С и давлением до 4 МПа;
алюминий и его сплавы применяются при температуре стенки от -269 до 160 °С и давлением до 4 МПа;
титан и его сплавы соответственно при температуре от -269 до 500°С без ограничения давления.
Качество и свойства материалов должны удовлетворять требованиям соответствующих стандартов и технических условий, которые подтверждаются сертификатами заводов-поставщиков.
Особые требования предъявляют к производству сборочных и сварочных работ при изготовлении, монтаже и ремонте сосудов.
Сварка сосудов и их элементов должна производиться в соответствии со специально разработанными и утвержденными в установленном министерством порядке инструкциями, любое отступление от инструкции должно быть обосновано и согласовано с головной научно-исследовательской организацией.
К сварке сосудов могут быть допущены только сварщики, прошедшие аттестацию на право допуска их к ответственным сварочным работам и имеющие удостоверения установленного образца. Сварщики могут выполнять только те работы, на которые они аттестованы и на которые имеется соответствующая запись в удостоверении.
Перед началом сварки должно быть проверено качество сборки соединяемых элементов, а также качество подготовленных кромок и состояние поверхности свариваемых элементов. Не допускаются: подгонка кромок, которая может вызвать дополнительные внутренние напряжения в металле; ведение сварочных работ при изготовлении сосудов, если температура окружающего воздуха ниже 0 °С.
При выполнении монтажных и ремонтных работ может быть разрешено производство сварочных работ и при отрицательных температурах окружающего воздуха, а также при дожде, ветре или снегопаде, если выполнены все требования, предусмотренные техническими условиями или инструкциями, а также сварщик и место сварки защищены соответствующими ограждающими устройствами.
Во избежание появления в сварных соединениях и швах значительных внутренних напряжений, могущих снизить прочностные качества сосуда, технология сварки должна быть детально разработана с тем, чтобы возникающие в соединениях внутренние напряжения были бы минимальны.
Для снятия внутренних напряжений в сварных соединениях и стенках сосудов, а также для повышения прочности сосудов вследствие структурных превращений в металле, из которого изготавливается сосуд, производят термическую обработку. Термическая обработка в зависимости от конкретных условий производства и конструкции сосуда может быть: местной (когда, например, снимаются внутренние напряжения в сварных соединениях); поэлементной, при которой термообработка сосуда в целом невозможна и производится по частям (узлам, элементам), или общей, когда сосуд подвергается термообработке целиком.
Завод-изготовитель сосудов, а также монтажные и ремонтные организации, которые выполняют сварочные работы, обязаны осуществлять контроль сварных соединений, подтверждающий их высокое качество и надежность.
Все сосуды после их изготовления с целью подтверждения их прочностных показателей подвергают гидравлическому испытанию, а если необходимо проверить их герметичность - еще и пневматическому испытанию на плотность.
Гидравлическое испытание производят пробным давлением, которое рассчитывают по следующим правилам:
а) если рабочее давление сварного сосуда менее 0,5 МПа, то пробное давление =1,5К, но не менее 2 МПа (К - отношение допускаемого напряжения для материала сосуда при температуре 20 °С к допускаемому напряжению этого материала при рабочей температуре; если сосуд работает при комнатной температуре;
б) если рабочее давление сварного сосуда 5 МПа и выше, то пробное давление =1,25К, но не менее Рр+3 МПа (Рр - рабочее давление, МПа).
Сосуд выдерживают под пробным давлением определенное время в зависимости от толщины стенки. Для сварных сосудов:
при толщине стенки до 50 мм время выдержки не менее 10 мин;
при толщине стенки 50-100 мм время выдержки не менее 20 мин;
при толщине стенки свыше 100 мм - 30 мин.
Пневматическому испытанию на плотность подвергаются сосуды, работающие с горючими, взрывоопасными или токсичными газами или жидкостями, о чем должна быть соответствующая запись в паспорте сосуда. Вновь смонтированные или прошедшие ремонт сосуды предварительно испытывают на прочность гидравлическим давлением.
Пневматическое испытание производится сухим воздухом, очищенным от масла, или азотом, причем давление в сосуде должно повышаться плавно, по специальному графику, с остановками на промежуточных давлениях.
Испытание на плотность осуществляется испытательным давлением, при этом падение давления в сосуде должно происходить в течение не менее 24 ч для вновь устанавливаемых сосудов.
Сосуд признается выдержавшим испытание на плотность и пригодным к эксплуатации, если падение за 1 ч не превышает 0,1 % при токсичных и 0,2 % при пожаро- и взрывоопасных средах для вновь устанавливаемых сосудов.
Дефекты, обнаруженные в процессе изготовления, монтажа и испытания, должны быть устранены с последующим контролем исправленных участков.
Для того чтобы не произошло разрыва сосуда или его элементов в процессе эксплуатации при внезапном повышении рабочего давления вследствие тех или других причин, на сосуды, работающие под давлением, устанавливают предохранительные клапаны различной конструкции. Принцип действия предохранительного клапана любой конструкции заключается в том, что при достижении в сосуде определенного давления клапан открывается и соединяет полость сосуда либо с окружающей атмосферой, либо с другим сосудом или трубопроводом, в которых нет избыточного давления или имеется давление, которое значительно ниже, чем в сосуде. В любом случае при срабатывании предохранительного клапана давление в сосуде резко снижается до величины допустимого.
Число предохранительных клапанов, их размеры и пропускную способность выбирают таким образом, чтобы в сосуде не могло образоваться давление, превышающее рабочее на следующую величину: для сосудов с давлением до 0,3 МПа - не более чем на 0,05 МПа; от 0.3 до 6 МПа - на 15 %; свыше 6 МПа - на 10 %.
Предохранительные клапаны размещают таким образом, чтобы имелась возможность их осмотра и регулировки. В тех случаях, когда вследствие характера рабочей среды или по другим условиям нельзя гарантировать надежную работу предохранительных клапанов, на сосуде устанавливают разрывную пластину (мембрану), которая разрывается при достижении в сосуде критического давления.
Конструкция и принцип расчета сферического резервуара
Сферические резервуары применяют во многих отраслях народного хозяйства благодаря своему главному преимуществу - минимальному весу конструкции на единицу объема по сравнению с любыми другими конструкциями. Объем сферических резервуаров может быть самым различным, однако в химической, нефтехимической и газовой промышленности обычно применяются сферические резервуары емкостью 600 и 2000 м3, рассчитанные на давление до 1,8 МПа.
Конструкция сферического резервуара емкостью 600 м3. Корпус, иногда называемый оболочкой, устанавливают на фундамент при помощи шести опорных стоек. Оболочку резервуара собирают из лепестков, число которых зависит от объема резервуара, и двух донышек. Лепестки и донышки свариваются между собой стыковыми меридиональными и кольцевыми швами. Для периодического осмотра внутренней поверхности оболочки и сварных швов служит внутренняя смотровая поворотная лестница, ось вращения которой совпадает с вертикальной осью резервуара. В корпус резервуара вварены двухсторонними угловыми швами два люка - верхний и нижний, а также верхние и нижние штуцеры для подключения к резервуару трубопроводов и установки запорной и предохранительной арматуры, причем число штуцеров определяется проектом в зависимости от назначения резервуара.
Напряжение в сферическом резервуаре в два раза меньше, чем в цилиндрическом при одинаковых радиусах и толщинах стенок. При одинаковых материалах, из которых изготовлены резервуары, и одинаковых расчетных давлениях стенка сферического резервуара практически в два раза меньше. Однако следует учитывать, что при меньшем весе (меньшем расходе металла) трудоемкость изготовления сферического резервуара значительно выше, чем цилиндрического.
Сварные швы сферического резервуара должны быть равнопрочны основному металлу, так как в случае несоблюдения этого условия необходимо увеличивать толщину стенки. Сварку оболочек сферических резервуаров выполняют обычно автоматической сваркой под флюсом по ручной или механизированной подварке с промежуточной вырубкой корневого шва, с вращением сосуда на специальных манипуляторах, или в проектном положении (без вращения) порошковой специальной проволокой с принудительным формированием шва, а также в защитном газе со сложными колебаниями электрода и со свободным формированием.
Схема конструкции изотермического хранилища, сконструированного по принципу «шар в шаре». Хранилище состоит из двух шаров: один, внутренний, называется «сосудом»; второй, наружный - «резервуаром».
Принцип работы такого изотермического хранилища следующий: в сосуд, который представляет из себя сферическую оболочку диаметром 14 м, закачивается сжиженный газ при температуре около -270 °С. Учитывая низкую рабочую температуру сосуда, его выполняют из хромоникелевой аустенитной стали, путем сборки и сварки штампованных заготовок на специальных манипуляторах. Сварка сосуда - автоматическая под флюсом по подварке, выполненной аргонодуговой сваркой.
Внутренний нержавеющий сосуд помещается внутрь резервуара, имеющего также сферическую форму и изготовленного из лепестков и донышек из стали. Задача резервуара - обеспечить общую прочность сооружения и надежную изоляцию, гарантирующую сохранение в сосуде заданной температуры сжиженного газа. Изоляцию обеспечивают, во-первых, слоем холодной изоляции, нанесенной на наружную поверхность сосуда, и, во-вторых, глубоким вакуумом, создаваемым в пространстве между сосудом и резервуаром. Для осмотра внутренней поверхности и сварных швов сосуда служит внутренняя поворотная смотровая лестница.
Наружный резервуар сваривается стыковыми швами в неповоротном положении сначала в два полушария, используя сварку порошковой проволокой с принудительным формированием, затем полушария соединяются (после установки сосуда в нижнее полушарие) посредством механизированной сварки в защитных газах.
Оригинальной является конструкция опор. Опорные стойки сосуда проходят внутри опорных стоек резервуара. Стойки с нижней стороны привариваются герметичными швами к опорным плитам. Герметичными выполняются также швы, приваривающие опорные стойки резервуара к его корпусу. Таким образом, пространство между опорными стойками резервуара и сосуда также находится под вакуумом.
После окончания монтажных работ все сварные швы подвергаются строгому контролю, а сосуд и пространство между сосудом и резервуаром испытываются на герметичность гелиевым течеискателем.