Разработка технологии изготовления кожуха диаметром 3050 мм, толщиной стенки 100 мм, длиной 7150 мм из биметалла 20ЮЧ + 06ХН28МДТ

Введение

Быстрое развитие химической технологии и все возрастающее производство многочисленного химического оборудования, и в том числе химической аппаратуры, требуют создания высокоэффективных, экономичных и надежных аппаратов высокого качества, большинство из которых изготовляются из стали самой распространенной повсеместно технологией –  сваркой. Для конструирования химической аппаратуры в настоящее время имеется много новых стандартов СЭВ, ГОСТов, ОСТов, РТМ и других разрозненных нормативно-технических материалов.

Химические аппараты предназначаются для осуществления в них химических, физических или физико-химических процессов (химическая реакция, теплообмен без изменения агрегатного состояния, испарение, конденсация, кристаллизация, растворение, выпарка, ректификация, абсорбция, адсорбция, сепарация, фильтрация н т. д.), а также для хранения или перемещения в них различных химических веществ.

В зависимости от назначения, чаще всего по протекающему технологическому процессу, химические аппараты называются: реактор, теплообменник, испаритель, конденсатор и т. д.

Содержащиеся и перерабатываемые вещества в аппаратах бывают в разном агрегатном состоянии (чаще всего в жидком и газообразном, реже в твердом), различной химической активности (по отношению к конструкционным материалам) –  от инертных до весьма агрессивных, для обслуживающего персонала – от безвредных до токсичных и в эксплуатации – от безопасных до огне- взрывоопасных.

Различные химико-технологические процессы в аппаратах осуществляются при различных, свойственных каждому процессу, давлениях –  от глубокого вакуума до избыточного в несколько сот тысяч килопаскалей и самых разнообразных температурах: от – 250 до +900 СС.

Характер работы аппаратов бывает непрерывный и периодический, а установка их может быть стационарной (в помещении или на открытой площадке) и нестационарной (предусматривающей или допускающей перемещение аппарата).

Основными особенностями этих конструкций с точки зрения сооружения являются значительные геометрические размеры – порядка десятков метров, большая, исчисляемая километрами, протяженность сварных соединений, к плотности и прочности которых к тому же предъявляются высокие требования.

Одним из широко распространенных технологических процессов получения такой аппаратуры является сварка. Хотя сварка является ведущим технологическим процессом изготовления металлических конструкций, однако, значительная часть общей трудоемкости производства сварного изделия приходится на заготовительные, сборочные и отделочные операции. Отсюда следует, что обеспечение реальной интенсивности производства сварных конструкций возможно только на основе комплексной механизации и автоматизации всех основных и вспомогательных операций.

При осуществлении собственно сварочных операций, в том числе при применении механизированных способов сварки, выполняются вспомогательные приемы по установке и кантовке изделий под сварку, зачистке кромок и швов, установке автомата в начале шва, отводу автомата или перемещению изделия и т.д. На выполнение этих операций затрачивается в среднем 35% трудоемкости собственно сварочных операций. Таким образом, комплексная механизация сварочного производства имеет чрезвычайно важное значение.

 

 

1 Общие сведения

1.1 Характеристика  изделия и условия его работы

Кожух (рисунок 1) – внешняя часть машины или какого-либо аппарата, предназначен для защиты массивных баллонов. 

Рисунок 1 – Кожух

 

Внутренний диаметр = 3050 мм, длина цилиндрической части L = 7150 мм, толщина стенки S = 100 мм, материал – биметалл 20ЮЧ+06ХН28МДТ. Годовая программа изготовления 50 шт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Технические требования

  1. Аппарат подлежит действию «Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» (ПБ 03 – 584 – 94 ).

2.  Технические требования по ОСТ 26.260.480 – 2003.

  3.  Материал основных элементов аппарата, сварочные материалы: корпус, днища, штуцера из биметалла 20ЮЧ+06ХН28МДТ толщиной 100 мм по ГОСТ 10885 – 85.

  4. Сварочные материалы:

20ЮЧ:

Проволоки: Св-10НЮ – ГОСТ 2246.

Защитная среда: АН-22 – ГОСТ 9087, Аr (ГОСТ 10157-79).

06ХН28МДТ:

Проволоки: Св-01Х23Н28М3Д3Т для переходного слоя, Св-03ХН25МДТБ для коррозионностойкого слоя – ТУ 14-1-2571.

Флюсы: АН-18 (ГОСТ 9087).

Допускается замена марок основных и сварочных материалов материалами, свойства которых не ухудшают качество изделия. При этом возможные замены отражаются в паспорте.

  5. Сварные соединения подвергнуть контролю в объеме требований ОСТ 26.260.480 – 2003 для аппарата 5 группы согласно карте контроля сварных соединений «ГП 1306.03.01.000 Д».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3   Характеристика материалов

 

По справочным данным для стали 06ХН28МДТ по ГОСТ 5632 – 72 и 20ЮЧ по ТУ 14-1- 4853-90 химический состав, (таблица 1):

Таблица 1 – Химический состав стали 06ХН28МДТ, 20ЮЧ.

 

Марка	С	Si	Mn	Cr	Ni	Ti	Mo	Cu	S	P
06ХН28МДТ	До 0,06	До 0,8	До 0,8	22-25	26-29	0,5-0,9	2,5-3	2,5-3,5	До 0,02	До 0,035
	С	Si	Mn	Al	Ni	Сa	As	Cu	S	P
20ЮЧ	0,16-0,22	0,17-0,37	0,4	0,03-0,1	0,5-0,8	0,001-0,01	До 0,08	0,25	До 0,005	До 0,02

 

В соответствии с ГОСТ 7350 - 77 для стали 06ХН28МДТ и ТУ 14-1-3332 для стали 20ЮЧ механические свойства, (таблица 2):

Таблица 2 – Механические свойства стали 06ХН28МДТ и 20ЮЧ

Марка материала	Структурный класс	Предел прочности σв, МПа	Предел текучестиσт МПа	Относительное удлинение б %		Ударная вязкость αн, Дж/см			Стойкость к МКК	ГОСТ	Толщина металла S, мм
						+20°С	-40°С	-70°С
06ХН28МДТ	аустенитный	550	250	35	350		-	-	стойкая	ГОСТ 7350 - 77	10
20ЮЧ	перлитный	420	240	23	290		49	29	стойкая	ТУ 14-1-3332	90

 

1.4 Оценка свариваемости

Особенности сварки 20ЮЧ и низколегированных сталей: низколегированные стали относятся к разряду хорошо свариваемых. Однако наличие в них легирующих элементов обусловливает возможность появления закалочных структур в зоне термического влияния, что при неблагоприятном сочетании других факторов может вызвать уменьшение стойкости ее против холодных трещин. Легирующие элементы могут снизить также сопротивляемость швов горячим трещинам, усугубить или, напротив, ослабить последствия перегрева и склонность к хрупкому разрушению металла в зоне термического влияния и шве. Особые затруднения возникают при сварке термически улучшенных сталей, которые разупрочняются в различных участках зоны термического влияния.

Наибольшие трудности при сварке сталей этого класса связаны с получением требуемой ударной вязкости металла шва и зоны термического влияния вблизи границы сплавления. Низкая стойкость против хрупкого разрушения низколегированных сталей, подвергнутых перегреву, может явиться следствием значительного укрупнения аустенитного зерна и внутризеренной структуры, образования видманштеттовой структуры и ферритных оторочек по границам зерен, повышенной хрупкости ферритной основы металла, развития высокотемпературной химической неоднородности, перераспределения и выделения по границам зерен карбидов или легкоплавких сульфидных включений в виде плен и строчек.

Подобные же причины вызывают снижение стойкости против хрупкого разрушения металла шва. В противоположность металлу зоны термического влияния, который под влиянием сварочного нагрева претерпевает α - γ - α-превращение, в металле шва происходит только превращение γ - α. Это обстоятельство, а также крупнозернистость строения металла шва вызывают заметную его химическую неоднородность, в особенности по наиболее ликвирующим примесям стали - сере, фосфору, углероду.

Распределение неметаллических включений в металле шва в значительной степени определяется направленностью роста кристаллитов, зависящей, в свою очередь, от режимов сварки. С увеличением скорости сварки (скорости подачи проволоки) и глубины металлической ванны количество сульфидов, оттесненных к оси шва растущими под тупым углом кристаллитами, увеличивается, а ударная вязкость металла шва понижается.

Уменьшают сопротивляемость хрупким разрушениям газы - кислород и азот, находящиеся в твердом растворе, и повышенная плотность дислокаций в металле шва.

В соединениях из большинства низколегированных сталей ударная вязкость металла шва и зоны термического влияния вблизи границы сплавления в участках перегрева и твердо-жидкого состояния при комнатной температуре в состоянии после сварки или после отпуска обычно удовлетворяет требованиям соответствующих технических условий. При более низких температурах ударная вязкость этих участков зачастую низка. Задача технолога состоит в оценке сопротивляемости хрупкому разрушению металла шва и свариваемой стали в зоне термического влияния и определении применительно к конкретным конструкциям и условиям их эксплуатации рациональных методов повышения свойств соединений.

Легирование стали оказывает решающее влияние на стойкость ее против перегрева при сварке. При рациональном легировании стали она может оказаться столь высокой, что требования по ударной вязкости металла вблизи границы сплавления удовлетворяются уже после высокого отпуска, без применения улучшающей высокотемпературной термообработки - нормализации.

 

Оценка свариваемости по эквиваленте углерода для стали 20ЮЧ :

Оценка свариваемости стали проводится по формуле:

                                           ,              (1)                              

где Сх – химический эквивалент углерода; Ср – размерный эквивалент углерода.     

Стали с Cэкв < 0,45 % не склонные к образованию холодных трещин.

;    (2)

,            (3)

где S – толщина свариваемой стали, мм.

 

 

 

Cэкв < 0,45 % поэтому предварительный подогрев не требуется.

Сталь 06ХН28МДТ относится к высоколегированным аустенитным сталям. Данная сталь является также коррозионостойким сплавом на основе железа и никеля. Она обладает стойкостью к межкристаллитной, щелевой коррозии коррозионному растрескиванию, а также обладает высокими физико-механическими свойствами.

Данную сталь используют в аппаратах, к которым предъявляются требования жаропрочности и окалиностойкости при повышенных температурах.

Свариваемость стали аустенитного класса характеризуется структурными превращениями в зоне термического влияния.

Сталь 06ХН28МДТ  имеет склонность к межкристаллитной коррозии в зоне термического влияния. Эта зона соответствует опасному интервалу температур нагрева около 450 – 850° С. При охлаждении в условиях сварки или при длительном пребывании в опасном интервале температур выпадают главным образом карбиды хрома вследствие ограниченной растворимости углерода в твердом растворе, что приводит к обеднению хромом границ кристаллов аустенита. Хром определяет коррозионную стойкость стали, снижение его содержания может привести к межкристаллитной   коррозии. Выпадение карбидов хрома также резко снижает ударную вязкость.

Чтобы сталь обладала стойкостью против мкк, необходимо ослабить эффект выпадения карбидов хрома, т.е. стабилизировать исходные свойства стали. Для этого снижают содержание углерода или используют присадки титана, ниобия и др. для образования стойких карбидов.

Также можно использовать стабилизирующий отжиг для стабилизации вообще или дополнительную стабилизацию стали с карбидообразующими элементами для сварных конструкций. Этот вид термической обработки можно совместить с отжигом для уменьшения сварочных напряжений. Температуру нагрева выбирают выше температуры эксплуатации конструкции, у верхней границы опасного интервала температур, т. е. 850 – 900° С. Такая температура способствует также снижению сварочных напряжений. Выдержку при данной температуре выбирают достаточной для того, чтобы произошла диффузия хрома к границам зерен. Стабилизирующий отжиг рекомендуется для аустенитно-ферритных сварных швов.

Данная сталь не нуждается в дополнительном подогреве, имеет неограниченную свариваемость.

 

 2 Проектирование заготовительных  операций

Разобьем данную конструкцию на сборочные единицы и детали. Изделие состоит из цилиндрической части корпуса, цилиндрической обечайки, двух конусных обечаек, полусферического днища и опоры.

 

2.1 Расконсервация металла