Capitolul 2 Procedee de fabricare a corpurilor cu perete gros În prezent se construiesc corpurile de înaltă presiune cu peretele masiv (monobloc) sau… [309761]

Capitolul 2 Procedee de fabricare a corpurilor cu perete gros

În prezent se construiesc corpurile de înaltă presiune cu peretele masiv (monobloc) sau multistrat.[anonimizat],[anonimizat],ambutisare sub formă de semicindri (sau semisfere) și sudarea pe generatoare.[anonimizat].

2.1.Corpuri monobloc

a.Corpurile cu perete gros obținute prin turnare din oțel. [anonimizat] 30-40 % mai mică decât metalul forjat sau laminat.[anonimizat].[anonimizat];toate acestea duc la costuri ridicate pentru corpurile turnate.

b.Corpurile cu perete gros forjate se obțineau inițial din blocuri masive forjate care se găureau prin așchiere.Ulterior s-a introdus forjarea pe dorn a lingoului,în prealabil perforat la cald.Semifabricatul (lingoul) [anonimizat] (pentru corpuri mari).Calitatea lingoului depinde deci și de temperatura și viteza de turnare.

[anonimizat](întâi până la 650 și apoi până la 1 150…1 200,[anonimizat].Apoi,pe o presă hidraulică (după îndepărtarea capului impurificat al lingoului),lingoul este refulat și întins prin comprimări repetate.Urmează perforarea lingoului cu un dorn tubular și (după încălzire) forjarea peretelui între și berbecul presei.

Prin micșorarea grosimii peretelui se obține mărirea lungimii și diametrului corpului.În final ([anonimizat]) și strunjirea de finisare pe strung.

Capacele și prezoanele recipientelor de înaltă presiune se obțin și ele prin forjare.

[anonimizat],fără defectele obișnuite de la turnare.Piesele mari forjate sunt însă scumpe.

Forjarea corpurilor cu perete gros necesită echipamente speciale:[anonimizat],[anonimizat]-unelte de dimensiuni mari (strung,mașină orizontală de frezat și găurit).

[anonimizat] a prelucrării constituie dezavantjele execuției prin forjare a [anonimizat].

c.Corpurile cu perete gros trase pe dorn.În cazul corpurilor cu masa până la 18 t. [anonimizat].[anonimizat],[anonimizat]-o matriță rotundă (figura 2.1).Dornul perforator 3 [anonimizat] o putere relativ mică.

Semifabricatul găurit este tras pe dorn (figura 2.2),[anonimizat].

Figura 2.1.Presarea pe dorn a corpurilor cu perete gros(găurire nestrăpunsă):

1-corp cu perete gros;

2-matriță;

3-dorn perforator.

Figura 2.2.Tragere pe dorn a corpului cu perete gros:

1-corp;

2- dorn;

3-filieră.

d.Corpurile cu perete gros realizate prin depunerea unor cordoane de sudură elicoidale.Procedeul constă în depunerea din electrod a cordoanelor de sudură elicoidale cu pas mic,în straturi succesive,pe un tub central,1,cu perete subțire,până la atingerea grosimii necesare (figura2.3).În timpul sudurii,prin răcirea cordoanelor de sudură,în stratul 2 se obțin contracții care au efect de fretare.Efectul de fretare rezultă ca urmare a răcirii imediate a cordoanelor de sudură prin îndepărtarea zgurei și suflare cu aer,și răcirea cu apă a țevii interioare.După realizare,fiecare tronson se supune unui tratament termic de egalizare a vârfurilor de tensiuni;pentru oțel carbon acesta se face la 600.

Figura 2.3.Tronson cilindric cu perete gros obținut după procedeul Muscan.

Țeava centrală 1 se obține din tablă,prin virolare și sudare pe generatoare.Recipientul se obține prin asmblarea prin sudare din mai multe asemenea tronsoane,1,și din două porțiuni de capăt (2,3),forjate (figura 2.4).

e.Corpuri cu perete gros din jumătăți ambutisate și sudate pe generatoare.Prin acest procedeu se obține semicilindri curbați din tablă,la cald,pe presă hidraulică;apoi,după șanfrenarea mărginilor,se execută sudarea pe generatoare,sub baie de zgură.Acest procedeu permite obținerea unor tronsoane cilindrice cu grosimi de până la 400 mm.

Corpul de lungimea necesară rezultă prin sudarea circumferențială ,între ele,a tronsoanelor.Sunt obținute astfel tronsoane cu diametrul interior de 250 mm iar durata fabricării unui asemenea recipient cilindric este mult mai mică decât în cazul forjării.

Figura 2.4.Recipient din tronsoane obținute ca în figura 2.5,cu fund și flanșă forjate.

Sudarea tronsoanelor,ca și a generatoarei,corpurilor cu perete gros din oțel slab aliat sau aliat nu pune probleme deosebite de realizare.Analizând avantajele și dezavantajele întâlnite la sudură cu electrozi înveliți,sudarea sub strat de flux,sudarea în baie de zgură și sudarea cu fascicul de electroni a pereților groși se constată ca dezavantajele procedeelor analizate,cu excepția sudurii cu fascicol de electroni,se datoresc ariei relativ mari a secțiunii rostului și,respectiv,unei energii liniare foarte mari,care în cazul sudurii în baie de zgură determină un ciclu termic nefavorabil.Aceste dezavantaje se înlatură prin utilizarea sudurii în rost îngust.Prin aplicarea într-un caz dat a sudurii în rost îngust,în atmosfera de gaz protector activ (MAG),timpul de lucru (sudare,timpi auxiliari) s-a redus la jumatate față de sudarea clasică sub strat de flux.Se obține de asemenea economii de material de adaos,iar durata pregătirii rostului este mai mică decât în celelalte variante.Se consideră,în prezent,că sudarea în rost îngust devine avantajoasă la grosimi de peste 20 mm.

2.2.Corpuri multistrat

a.Corpuri cu perete gros fretate.La fretare,virola interioară a corpului este supusă unor tensiuni de compresiune.Aceasta se poate obține,prin înfășurarea elicoidală,cu pas mic,pe corp a unui cablu.Presiunea de fretare crește,dacă,la înfășurare cablul este tensionat.

Figura 2.5.Corp cu perete gros din două virole,1 și 2,între care se introduce un fluid sub presiune,,controlată.

Un efect similar se obține dacă între două corpuri (cilindrice,sferice etc) concentrice se lasă un interstițiu (figura.2.5) în care se introduce un fluid sub presiune controlată;aceasta supune corpul interior 1 la compresiune,asigurând în condiții de exploatare o solicitare mai favorabilă a acestuia.Fiecare din straturile,1;2.unui asemenea corp este de fapt un înveliș.Ca urmare,fiecare trebuie verificat și la stabilitate.

În mod obișnuit,corpurile cilindrice fretate se obțin prin introducerea cu strângere a unui cilindru în altul (figura 2.6).În acest scop raza exterioară a cilindrului interior este cu mai mare decât raza interioară a cilindrului exterior 2.Corpul exterior 2 este încălzit până la temperatura la care,prin dilatare,raza devine mai mare decât , când corpul 1 este introdus în corpul 2.Pentru ca acesta să fie posibil cele doua corpuri trebuie să aibă abateri minime de la circularitate.

Figura 2.6.Corp cilindric cu perete gros obtinut prin fretarea a doi cilindri.

În figura 2.7. este redată succesiunea operațiilor de la fabricarea unui recipient obținut prin fretarea a trei virole cilindrice.Fiecare virolă se obține din tablă,prin curbare pe valț și sudare pe generatoare.Din figură rezultă controalele și verificările care se efectuează pe parcursul fabricării recipientului cilindric din virole fretate.

Figura 2.7.Succesiunea operațiilor la fabricarea unui recipient obținut prin fretarea a trei virole cilindrice;MT-Control cu particole magnetice.

b.Corp cilindric cu perete gros din bandă înfășurată pe o virolă.Acest procedeu,constă în înfășurarea continuă sub formă de spirală a unei benzi plate foarte lungi,cu lățimea de 1…2 mm și grosimea de 3…4 mm pe un cilindru cu lungimea egală cu lățimea benzii (figura 2.8,a).La început banda se sudează de cilindrul interior,iar la sfârșit după înfășurare,se ,,trage”un al doilea cilindru (de strângere),cu grosimea peretelui,de 6…12 mm.Pe suprafețele frontale ale tronsoanelor asfel obținute se depune metal prin topire din electrod.Acest strat implică scurgerea metalului topit din baie,în timpul sudurii cap la cap a două tronsoane alaturate.

Pentru evacuarea gazelor în timpul efectuării sudurilor și pentru controlul etanșeității țevii centrale se prevăd orificii radiale nepătrunse.Aceste orificii servesc și la evacuarea gazelor care difuzează prin țeava centrală.

Virolele cilindrice astfel obținute sunt,la același diametru interior,mai ieftine decât cele forjate și decât cele ambutisate și sudate pe generatoare.Prin acest procedeu sunt obținute virole cu diametrul exterior între 300…5 000 mm.

Figura 2.8.Corp cilindric cu perete gros obținut tablă infășurată continuu:

a-secțiune transversală prin corp;

1-cilindrul central;

2-,,pană”depusă prin sudare;

3-cilindrul exterior;

b-detaliu al îmbinării a două tronsoane înfășurate spiral;

1-cilindrul central;

2-înfășurare;

3-cilindrul exterior,de strângere;

4-strat de metal depus de electrod;

5-orificii de control a etanșeității țevi centrale,1,și de degazare.

c.Corp cilidric cu perete gros din tablă înfășurată (procedeul Smith).Pe un cilindru central din oțel carbon austenitic,obținut prin virolare (grosimea peretelui de 10…15 mm),sudare pe generatoare,calibrare pe valț și prelucrare mecanică la exterior,se aplică succesiv,,semivirole”,(cu grosimea de 5…10 mm).În interiorul cilindrului se introduc discuri de rigidizare.

Semivirolele 2 (una are unghiul la centru de 170 grade iar cealaltă de 190 grade) se aplică succesiv pe cilindrul 1 și sunt apăsate pe acesta cu ajutorul unor cabluri distantate între ele la 300…400 mm (figura 2.9).Cablurile sunt întinse cu ajutorul unor dinamometre.După străngere, ,,semivirolele” sunt sudate pe generatoare între ele și de virola de dedesubt.

Figura 2.9.Schema fabricării corpurilor prin înfășurare:

1-cilindrul central;

2-,,semivirole”;

3-cablu;

4-dinamometru.

Numărul de straturi depinde de grosimea necesară a peretelui.Lungimea unei virole obținute astfel poate fi de 4…5 m.Suprafețele frontale ale virolei se prelucrează apoi,în vederea sudării de alte virole,sau a sudurii flanșei sau fundului recipientului.

La corpurile obținute cu acest procedeu se produce un efect de fretare,pe seama contracției metalului depus în cordoanele de sudură longitudinale care îmbină între ele,,semivirolele”.

Cu acest procedeu au fost fabricate recipiente cu grosimea peretelui de 400 mm,cu lungimea de 10 m și masa de 700 t.Corpurile din tablă înfășurată au avantajul că numai cilindrul central trebuie construit din material rezistent la coroziune.

Pentrue evacuarea gazelor (hidrogenului) care difuzează prin peretele tubului central,între acesta și prima înfășurare portantă se poate intercala un strat neportant,din două învelișuri de tablă subțire (de maxim 1 mm fiecare),prevazute cu o rețea de fante dreptunghiulare.Găurile nepătrunse 5 din figura2.8,b (maximum o gaura pe 1 ),asigură evacuarea gazului difuzat care ajunge în rețeaua de fante.

d.Corp cilindric înfășurat din bandă profilată(procedeul Schierenbeck).Pe un cilndru central,cu grosimea peretelui de 20…30 mm,se înfășoară în câteva straturi,cu strângere,o bandă de oțel profilat (figura 2.12).În prealabil,pe partea exterioară a cilindrului central,se strunjește elicoidal un profil identic cu cel al benzii.Banda din oțel laminat (oțel carbon sau slab aliat),pentru corpuri industriale,are dimensiunile din figura 2.10.Corpul central se prelungește,la ambele capete,cu câte un tronson,cu un capac tehnologic,necesar pentru efectuarea unei probe de presiune hidraulică prealabilă și pentru strângerea pe strung,în vederea strunjirii;pe aceste tronsoane se sudează capete de început și de sfârșit ale primului strat de bandă.Capetele urmatoarelor straturi se fixează prin sudare de stratul precedent,însă decalat față de acesta.Două straturi succesive se înfășoară în sens contrar pentru compensarea momentelor de răsucire.După terminarea înfășurării tuturor straturilor,pe fiecare dintre capete se fixează, prin fretare la cald,câte un inel de strângere,după care porțiunea cu straturile decalate (,,porțiunea de lucru”),l,se retează (figura 2.11).Porțiunea mai groasă,pentru flanșe,poate fi obținută prin înfășurare din bandă,inelul de fretare urmând a fi fixat în zona de diametru maxim (figura 2.12).Flanșa poate fi chiar inelul fretat,a cărui secțiune se determină corespunzator.

Figura 2.10.Profilul benzii.

Figura 2.11.Capătul unui corp cilindric obținut prin procedeul Schierenbeck:

1-inel de strângere;

2-capătul cilindrului central;

3-capetele sudate ale straturilor succesive ale înfășurării;

l-lungimea capătului care se retează;

A-A-plan de retezare.

Figura 2.12.Flanșa obținută prin înfășurarea din bandă profilată:

1-cilindru central;

2-bandă înfățurată;

3-inel fretat.

În cursul fabricării virolei cilindrice cu perete gros,banda profilată se desfășoară de pe un tambur,și este încălzită prin inducție sau cu un curent electric,de 12…24 V și 4 000…5 000 A,care trece prin bandă (role de ghidare și de strângere sevesc în același timp drept contacte pentru trecerea curentului electric),până la o temperatură de 800…900,înfășurarea efectuându-se la roșu.Rolele de strângere exercită o apăsare (reglată cu dispozitive hidrauluice) asupra benzii înfășurate.Aceasta este răcită inițial cu aer comprimat și apoi cu apă;astfel se realizează strângerea straturilor deja înfășurate (efect de fretare).

În final,se efectuează găurile filetate pentru șuruburi,direct în bandă,fără ca filetul să fie influențat de întreruperile benzii.

Corpurile cilindrice cu perete gros,fabricate dupa acest procedeu,sunt mai ieftine decât cele forjate și au căpătat o largă răspândire.Cu acest procedeu au putut fi obținute recipiente de diametre de 100 mm pentru presiuni foarte înalte,precum și recipiente cu diametre exterioare de până la 3 500 mm,lungimi de peste 20 m și cu masa de peste 300 t.

Astfel de corpuri au fost fabricate atât pentru presiuni uzuale de peste 30 MPa (când aplicarea procedeului devine economică),cât și pentru presiuni mari (400…600 MPa).

e.Corpuri cu perete gros din segmente.Pentru presiuni foarte mari corpul cu perete gros poate fi construit din segmente.Corpul cu segmente împănate se construiește din trei straturi (figura 1.13):un înveliș interior 1,din oțel,cu rol de strat de etanșare;un strat,2 din segmente sub formă de pană și un corp cu perete gros,exterior,3.

Este știut că la un corp monobloc,la raza ,tensiunile tangențiale(și radiale()

sunt maxime (în valoare absolută),însă scad repede spre exterior.Tensiunea de forfecare maximă ,cu care este proporțională tensiunea echivalentă are expresia:

̶ /2 (14.1)

Rezultă că poate fi micșorat făcând ca și să fie maxime la raze diferite.În construcția din figura 2.13, este maxim la raza iar este maxim (în valoare absolută) la raza .Presiunea pe care o transmit segmenții 2 corpului cu perete gros 3 este:

(14.2)

Figura 2.13.Corp cilindric cu perete gros din segmente împănate.

Tensiunea de forfecare este maximă la raza

/( ̶ ( ̶ (11.3)

Dimensiunile optime ale corpului,în cazul solicitării în stare elastică rezultă din condiția ca dr/d=0:( ̶ / [( ̶ ] = 0

De unde se obține:=. (14.4)

Figura 2.14.Corp cilindric cu perete gros din segmente asamblate cu tije longitudinale.

Dacă se admite,de exemplu,trecerea în stare plastică (autofretare) a corpului 3,asemenea corpuri cu perete gros devine avantajose la presiuni foarte mari,chiar și pentru Montarea cu strângere inițilă a segmentelor 2 permite o solicitare mai avantajoasă a ansamblului.

Corpul din segmente asamblate cu tiranți longitudinali (figura 2.14) se obține astfel:segmentele 2 sunt asezate în straturi,decalat,și strânse cu tiranți filetați 3;în interior corpul se căptușește cu învelișul 1,care are rol de camașă de etanșare.Acest procedeu permite utilizarea materialelor de înaltă rezistență,însă nesudabile.

2.3.Materiale specifice utilizate

În industria echipamentelor de proces ,corpurile cu perete gros funcționează la presiuni și temperaturi ridicate în condiții de coroziune.În acest caz pot fi utilizate,pentru întregul corp,materiale slab aliate,relativ ieftine dacă corespund condițiilor de coroziune date,sau poate fi separată funcția de rezistentă mecanică de cea de rezistență la coroziune,construind corpul de rezistență din oțel carbon din se plachează sau se protejează la interior cu o camașă din oțel aliat cu rezistență adecvată la coroziune.În cazul reactoarelor pentru sinteză ureei,se practică găuri de control prin perete până la căptușeală;acestea permit detectarea străpungerii căptușelii ca urmare a corodării.

Materialele de construcție trebuie să reziste unor condiții specifice de coroziune gazoasă (uscată),accentuată de presiunea ridicată.

Alegerea oțelului pentru corpuri se face pe baza diagramei Nelson.Oțelurile cu pot fi utilizate în acest caz numai dacă au plasticitatea îndestulătoare.Oțelul deformat plastic este atacat de hidrogen,indiferent de concentrația sa în fluid.

Hidrogenul atomar decarburează și fragilizează oțelul,iar formarea moleculelor de hidrogen,de metan și de vapori de apă în microgolurile structurii determină fragilizarea la rece și fisurarea materialului.

Amestecul azot-hidrogen este caracteristic instalațiilor de sinteză a amoniacului.Amoniacul se disociază parțial și acționează indirect,prin componentele sale,ca agent coroziv.Hidrogenul acționează așa cum s-a aratat mai înainte.Azotul difuzează în oțel,unde se combină cu fierul și cu majoritatea elementelor de aliere,formând nitruri care fac oțelul dur și fragil.

Oxidul de carbon formează cu fierul din oțel pentacarbonilul de fier,volatil.Această reacție are loc chiar la presiune și temperaturi normale;cu mărirea temperaturii,reacția se intensifică.Ca urmare,oțelul se distruge.Alegerea oțelurilor în acest caz se face în funcție de temperatură și de presiunea parțială a oxidului de carbon.

Reactanți în faza lichidă,produsele intermediare și produsul de la sinteza ureei sunt foarte corozivi;acestui amestec nu-i rezistă nici-un oțel carbon sau slab aliat.Oțelurile austenitice înalt aliate,cu adaosuri importante de molibden și cupru sunt stabile față de acest mediu,cu condiția prezenței unei cantități de oxigen în mediul de lucru.Carbonatul de uree exercită o acțiune corozivă preferențială asupra feritei.Ferita reziduală în oțelurile pentru aparatele destinate sintezei ureei trebuie limitată la 0,2%.

Alegerea necorespunzatoare a materialului pentru recipiente de înaltă presiune ca și confuziile de material,pot avea efecte dezastruoase.Dacă la proba de presiune sau în exploatare condițiile de lucru determină comportarea fragilă a materialului,recipientul poate plesni,fără deformații mari prealabile,la tensiuni mult sub limita de curgere.Propagarea fisurilor,în acest caz se face cu viteza foarte mare.