Способ изготовления осесимметричного сварного корпуса сосуда высокого давления
METHOD OF MANUFACTURING OF AXISYMMETRIC WELDED HOUSING OF HIGH PRESSURE VESSEL

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и сварки, а именно к изготовлению методом ротационной вытяжки, прессовой обработки и сварки стальных сварных сосудов высокого давления и может быть использовано при изготовлении сварных сосудов, работающих под высоким давлением, используемых в различных хозяйственных областях при изготовлении огнетушителей, кислородных и газовых баллонов, ресиверов и других сосудов.
К сосудам предъявляются высокие требования по герметичности и прочности.
При выполнении сварных швов должно обеспечиваться качество с обеспечением провара корня шва и прочности сварных соединений.
Важной задачей при сборке и сварке корпуса сосуда является обеспечение высокой размерной точности и низкого уровня остаточных внутренних напряжений, входящих в сосуд конструктивных элементов после штамповых и операций ротационной вытяжки, а также высокая производительность, низкая себестоимость и малый вес.
Известен способ изготовления осесимметричных корпусов, работающих под давлением (патент РФ №2295416, В21Д, опубл. 20.03.2007 г. БИ №8).
Способ включает закалку, отпуск, холодную пластическую деформацию методом ротационной вытяжки в два прохода, низкотемпературный отжиг.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ изготовления стальной конструкции по патенту на изобретение №2449870, В23К 31/02 опубл. 10.05.2012 г., БИ №13, принятому авторами за прототип, при котором вначале изготавливают тонкостенную оболочку, торцевые основания, сборку и сварку подсборок и всего сварного корпуса, окончательную мехобработку и пневмоиспытания на герметичность.
В результате получают осесимметричную сварную конструкцию.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа изготовления стальной осесимметричной конструкции, принятой авторами за прототип относятся: высокая трудоемкость и себестоимость изготовления составных частей сосуда из-за большого количества деталей и сварных швов в подсборках и, в результате, недостаточная жесткость конструкции, высокий уровень остаточных напряжений, вероятность дефектов сварных швов и снижение геометрической точности и эксплуатационной надежности всего корпуса сосуда.
Задачей технического решения, принятого за прототип, является получение осесимметричной сварной конструкции с высоким уровнем прочности сварных соединений.
Общими признаками с предлагаемым авторами способом изготовления осесимметричного сварного корпуса сосуда высокого давления являются: изготовление тонкостенной оболочки, торцевых оснований и деталей корпуса с формированием сварочных кромок под замковое соединение, сборка деталей в подсборки и автоматическая сварка, сборка - сварка подсборок с тонкостенной оболочкой автоматической сваркой в среде защитных газов, окончательная мехобработка и пневмоиспытания на герметичность внутренним давлением.
В отличие от прототипа, предлагаемый заявителями способ изготовления осесимметричного сварного корпуса сосуда высокого давления, содержащего тонкостенную оболочку и торцевые основания, включающий изготовление деталей корпуса, формирования на них сварочных кромок под замковое соединение, сборку деталей в подсбороки и автоматическую сварку, сборку-сварку подсборок с тонкостенной оболочкой в среде защитных газов и окончательную мехобработку с пневмоиспытаниями внутренним давлением отличается тем, что тонкостенную оболочку изготавливают из трубной заготовки ротационной вытяжкой за несколько переходов с образованием концевых утолщений и с разделением деформации между переходами и между деформирующими роликами, выполняют механическую обработку концевого утолщения с образованием сварочной кромки, затем изготавливают первое торцевое основание, производят сборку замкового соединения подузла первое торцевое основание с тонкостенной оболочкой, автоматическую сварку собранного стыка и высокотемпературный индукционный отпуск сварного шва, после этого изготавливают второе торцевое основание и производят его запрессовку в оболочку со стороны свободного торца с индукционным нагревом ТВЧ, автоматическую сварку в приспособлении, после чего выполняют нормализацию сваренного корпуса, окончательную механическую обработку и пневмоиспытания на герметичность.
В частных случаях, то есть в конкретных формах выполнения, изобретение характеризуется следующими признаками:
- формирование кромок замковых соединений выполняют с криволинейным скосом кромок под углом 8÷12° и 23÷27°, соответственно, первого и второго торцевого оснований и с радиусом при вершине 2÷4 мм, а автоматическую сварку ведут в три-четыре прохода плавящимся электродом в смесях защитных газов с поперечными колебаниями электрода, при этом первый корневой проход выполняют без колебаний;
- разделение деформации между переходами задают степенью деформации, возрастающей от первого перехода к каждому последующему в 1,4÷1,6 раза;
- разделение деформации между деформирующими роликами осуществляют выполнением профиля первого в направлении осевого перемещения ролика с передним углом, равным 0,4÷0,6 переднего угла последующих роликов и установкой первого ролика с зазором между вершиной профиля и оправкой, равным 1,2÷1,5 зазора последующих роликов;
- индукционный нагрев при запрессовке второго торцевого основания в оболочку выполняют по наружной поверхности оболочки в зоне контакта соединяемых подузлов при температуре 300÷350°С с обеспечением натяга 0,02÷4% от внутреннего диаметра оболочки;
- нормализацию корпуса выполняют на прямолинейном участке на установке индукционного нагрева индуктором ТВЧ при температуре 780÷800°С на тонкостенной части оболочки и 880÷920°С на утолщениях.
Новая совокупность операций, а также наличие связей между ними позволяет, в частности, за счет:
- изготовления тонкостенной оболочки из трубной заготовки ротационной вытяжкой получить высокоточные размеры оболочки с высокой производительностью и высоким коэффициентом использования металла;
- изготовления тонкостенной оболочки ротационной вытяжкой за несколько переходов с промежуточным рекристаллизационным отжигом разделить степень деформации по переходам и снизить внутренние напряжения и наклеп металла после каждого перехода;
- образования в процессе ротационной вытяжки концевых утолщений обеспечить необходимый объем металла для формообразования сварочных кромок;
- разделение деформации между переходами и между деформирующими роликами повысить устойчивость процесса формоизменения и, в результате, получить оболочку с высокой точностью геометрической формы и с высоким качеством обрабатываемой поверхности;
- механической обработки концевого утолщения оболочки с образованием сварочной кромки обеспечить оптимальную форму конструктивных элементов под последующую сборку с подузлом первое торцевое основание;
- сборки замкового соединения подузла первое торцевое основание с оболочкой получить беззазорное соединение контактируемых поверхностей замкового соединения;
- автоматической сварки собранного стыка подузла первое торцевое основание с оболочкой обеспечить провар корня шва по всей длине стыка, отсутствие межслойного непровара, формирование необходимого усиления с плавным переходом от металла шва к основному металлу и в итоге получить прочность сварного корпуса не ниже 0,8 прочности основного металла;
- выполнения высокотемпературного индукционного отпуска стыкового шва обеспечить условия для длительного хранения сварного подузла за счет снятия остаточных напряжений и предотвращения появления холодных трещин в зоне сварного соединения;
- изготовления второго торцевого основания получить его необходимую форму;
- запрессовки второго торцевого основания в оболочку со стороны свободного торца с индукционным нагревом ТВЧ получить беззазорное соединение контактируемых поверхностей замкового соединения, обеспечив тем самым повышение коррозионной стойкости внутренней полости сварного корпуса;
- автоматической сварки в приспособлении второго торцевого основания с оболочкой получить корпус сварного сосуда с прочностью сварного шва не ниже 0,8 прочности основного металла, обеспечив при этом провар корня шва по всей длине, отсутствие межслойного непровара;
- выполнения нормализации сварного корпуса обеспечить полную перекристаллизацию структуры оболочки, уменьшить анизотропию свойств и получить более высокую прочность сварного корпуса;
- окончательной механической обработки получить корпус сосуда с необходимыми размерами;
- проведения пневмоиспытаний корпуса сосуда на герметичность проверить качество сварных швов и герметичность всего корпуса сосуда.
Новая совокупность операций, а также наличие связей между ними позволяет, в частности, за счет:
- формирования кромок замковых соединений с криволинейным скосом кромок под углом 8÷12° первого торцевого основания, 23÷27° второго торцевого основания и радиусом при вершине 2÷4 мм обеспечить оптимальные условия для получения качественного сварного соединения;
- автоматической сварки в три-четыре прохода плавящимся электродом в смесях защитных газов с поперечными колебаниями электрода и с первым корневым проходом без колебаний сформировать качественное сварное соединение с проваром корня, отсутствием межслойного непровара и уровнем прочности не ниже 0,8 прочности основного металла;
- разделения деформации между переходами задачей степени деформации, возрастающей от первого перехода к каждому последующему в 1,4÷1,6 раза обеспечить высокую точность геометрических размеров и высокое качество обрабатываемой поверхности, при значении степени деформации каждого последующего перехода менее 1,4 или более 1,6 степени деформации предыдущего перехода возникают дефекты формы, соответственно, в виде волнистости и утяжек;
- разделения деформации между деформирующими роликами выполнением профиля первого в направлении осевого перемещения ролика с передним углом, равным 0,4÷0,6 переднего угла последующих роликов и установкой первого ролика с зазором между вершиной профиля и оправкой, равным 1,2÷1,5 зазора последующих роликов обеспечить плавность нарастания деформации вдоль линии течения металла по оправке и этим повысить устойчивость процесса ротационной вытяжки, при значениях соотношений углов и зазоров выходящих за данные значения возникают утяжки, гофры и волнистость обрабатываемой поверхности;
- индукционного нагрева при запрессовке второго торцевого основания в оболочку по наружной поверхности оболочки в зоне контакта соединяемых подузлов при температуре 300÷350°С с обеспечением натяга 0,02÷4% от внутреннего диаметра оболочки получить беззазорное соединение контактируемых поверхностей замкового соединения, обеспечив тем самым повышение коррозионной стойкости внутренней полости сварного корпуса;
- выполнения нормализации корпуса на прямолинейном участке на установке индукционного нагрева индуктором ТВЧ при температуре 780÷800°С на тонкостенной части оболочки и 880÷920°С на утолщениях обеспечить полную перекристаллизацию структуры оболочки, уменьшить анизотропию свойств металла после ротационной вытяжки и получить высокую конструктивную прочность всего корпуса сосуда.
Исследуя уровень техники в ходе проведения патентного поиска по всем видам сведений, доступных в странах бывшего СССР и зарубежных странах, обнаружено, что предлагаемое техническое решение явным образом не следует из известного на сегодня уровня техники, следовательно, можно сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения заключается в том, что в способе изготовления осесимметричного сварного корпуса сосуда высокого давления, содержащем тонкостенную оболочку и торцевые основания, включающем изготовление деталей корпуса, формирования на них сварочных кромок под замковое соединение, сборку деталей в подсбороки и автоматическую сварку, сборку и сварку подсборок с тонкостенной оболочкой и окончательную мехобработку с пневмоиспытаниями внутренним давлением в отличие от прототипа, согласно изобретению, тонкостенную оболочку изготавливают из трубной заготовки ротационной вытяжкой за несколько переходов с образованием концевых утолщений и с разделением деформации между переходами и между деформирующими роликами, выполняют механическую обработку концевого утолщения с образованием сварочной кромки, затем изготавливают первое торцевое основание, производят сборку замкового соединения подузла первое торцевое основание с тонкостенной оболочкой, автоматическую сварку собранного стыка и высокотемпературный индукционный отпуск сварного шва, после этого изготавливают второе торцевое основание и производят его запрессовку в оболочку со стороны свободного торца с индукционным нагревом ТВЧ, автоматическую сварку в приспособлении, после чего выполняют нормализацию сваренного корпуса, окончательную механическую обработку и пневмоиспытания на герметичность.
0
0
1
1
1
1
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид корпуса с тонкостенной оболочкой 1, соединенной сваркой с первым торцевым основанием 2 и вторым торцевым основанием 3, участок нормализации А, на фиг. 2 - процесс ротационной вытяжки тонкостенной оболочки 1, где на виде «α» изображен первый переход ротационной вытяжки заготовки 1, толщиной t (мм) на оправке 7 деформирующими роликами 4, 5, 6 с получением заготовки 1, толщиной t (мм) и внутренним диаметром D (мм), на виде «б» второй переход ротационной вытяжки заготовки 1 с получением заготовки оболочки 1 толщиной тонкостенной части t (мм) и концевыми утолщениями толщиной t (мм), длиной L (мм) и внутренним диаметром D (мм).
0
4
5,6
На фиг. 3 изображен процесс ротационной вытяжки оболочки 1 толщиной t (мм) деформирующими роликами 4, 5, 6 на оправке 7. Первый в направлении осевой подачи F ролик 4 выполнен с передним углом α, последующие ролики 5, 6 выполнены с передними углами α.
4
5,6
α=(0,4÷0,6)α.
4
5,6
Ролик 4 установлен с зазором Δ (мм), ролики 5, 6 установлены с зазорами Δ (мм).
4
5,6
Δ=(1,2÷1,5)Δ.
t (мм) - толщина стенки оболочки 1 после ротационной вытяжки.
На фиг. 4 изображено первое торцевое основание 2, сваренное с тонкостенной оболочкой 1.
2
На фиг. 5 «а» сварочная кромка сформированная на первом торцевом основании 2 с криволинейным скосом под углом β=8÷12°, радиусом при вершине R=3 мм и проточкой шириной b=10 мм и глубиной с=1,5 (мм) max, на фиг. 5 «б» изображена сварочная кромка тонкостенной оболочки 1 с криволинейным скосом под углом β=8÷12°, радиусом при вершине R=3 мм и притуплением кромки толщиной с=1,5(мм)max, на фиг. 5 «в» изображено замковое сварное соединение первого торцевого основания и тонкостенной оболочки 1 с шириной сварного шва d=8(мм)min
На фиг. 6 изображено второе торцевое основание 3, собранное и сваренное с тонкостенной оболочкой 1, где D (мм) внутренний диаметр оболочки 1, 8 - индуктор,  (мм) длина нагрева сопрягаемой зоны, 9 - приспособление для запрессовки.
3
На фиг. 7 «а» изображена сварочная кромка второго торцевого основания 3 с криволинейным скосом под углом γ=23÷27° и радиусом при вершине R=3 мм, на фиг. 7 «б» изображено сварное соединение второго торцевого основания 3 и тонкостенной оболочки 1 с шириной сварного шва d=5(мм)min.
Вышеописанный способ изготовления сварного сосуда высокого давления осуществляется следующим образом.
Первое торцевое основание 2 (фиг. 1) изготавливают из трубной заготовоки обжимом и механической обработкой.
Производят нормализацию и окончательную механическую обработку подузла первое торцевое основание с формированием сварочной кромки (фиг. 5 «а»).
0
0
1
1
Затем изготавливают тонкостенную оболочку из трубной заготовки 1 толщиной t (мм) ротационной вытяжкой (фиг. 2) за два перехода. Первый переход (фиг 2 «а») выполняют деформирующими роликами 4, 5, 6 на оправке 7 с получением заготовки 1 с толщиной стенки t (мм) и внутренним диаметром D (мм). Выполняют рекристаллизационный отжиг.
1
После этого выполняют второй переход (фиг. 2 «б») с получением заготовки оболочки толщиной t (мм) с двумя концевыми утолщениями длиной L (мм), толщиной t (мм) и внутренним диаметром D (мм).
4
5,6
4
5,6
В процессе ротационной вытяжки используют (фиг. 3) деформирующие ролики 4, 5, 6 с передними углами α=(0,4÷0,6)α. Ролики установлены с зазорами Δ=(1,2÷1,5)Δ.
Затем выполняют механическую обработку концевого утолщения тонкостенной оболочки 1 с образованием сварочной кромки (фиг. 5 «б»), где D (мм) внутренний диаметр оболочки.
Производят сборку замкового соединения подузла первое торцевое основание 2 с оболочкой 1.
Выполняют автоматическую сварку собранного стыка (фиг. 4) и высокотемпературный индукционный отпуск стыкового шва.
Затем изготавливают второе торцевое основание 3 вытяжкой из кружка прессовой обработкой, после этого на его торце формируют сварочную кромку (фиг. 7 «а»).
Осуществляют запрессовку приспособлением 9 второго торцевого основания 3 в оболочку 1 с индукционным нагревом ТВЧ индуктором 8 с обеспечением натяга 0,02÷4% от внутреннего диаметра оболочки и автоматическую сварку второго торцевого основания 3 с оболочкой 1 (фиг. 6, фиг. 7 «б»).
После чего производят нормализацию сварного корпуса на установке индукционного нагрева на участке А (фиг. 1) на тонкостенной части оболочки при температуре 780÷800°С и на утолщениях при температуре 880÷900°С.
Выполняют окончательную механическую обработку и пневмоиспытания на герметичность сварного корпуса.
Пример.
Первое торцевое основание 2 (фиг. 1) изготавливают из трубной заготовки соответственно ∅410×30 мм из стали 30, которую обжимают по наружному диаметру на механическом кривошипно-шатунном прессе и подвергают токарной обработке с формированием сварочной кромки (фиг. 5 «а»).
Далее производят нормализацию первого торцевого основания в камерной электропечи при температуре 860÷880°С в течении 90 минут по достижению заданной температуры металла.
Тонкостенную оболочку (фиг. 1) изготавливают из трубной заготовки ∅412×12 мм стали 30 методом ротационной вытяжки на давильно-раскатном станке за два перехода (фиг. 2). Первый переход ротационной вытяжки (фиг. 2 «а») выполняют деформирующими роликами 4. 5, 6 на оправке 7 со степенью деформации
Выполняют рекристаллизационный отжиг при температуре 635÷650°С в шахтной электропечи в течении 110÷120 мин.
Второй переход ротационной вытяжки (фиг. 2 «б») выполняют со степенью деформации
2
1
Степень деформации последующего второго перехода ротационной вытяжки ε=50% превышает степень деформации первого перехода ε=33,3% в 1,5 раза.
4
5
6
4
5
6
Ротационную вытяжку выполняют деформирующими роликами (фиг. 3) 4, 5, 6 с передними углами α=15°, α=α=30°. Ролики установлены с зазорами Δ=5,4 мм, Δ=Δ=4 мм.
1
Получают заготовку тонкостенной оболочки 1 с концевыми утолщениями толщиной t=8 мм и длиной =60 мм и тонкостенной частью толщиной t=4 мм и внутренним диаметром
D=412-2×12=388 мм,
где 412 мм - наружный диаметр заготовки, 12 мм - толщина заготовки.
Затем выполняют токарную обработку концевого утолщения оболочки 1 с образованием сварочной кромки (фиг. 5 «б»).
2
Производят сборку замкового соединения подузла первое торцевое основание 2 с оболочкой 1 и автоматическую сварку собранного стыка в среде защитных газов в три прохода без перерыва до полного заполнения разделки (фиг. 5 «в») с получением сварного шва шириной d=8 (мм) min.
После этого производят высокотемпературный индукционный отпуск сварного шва двух-кольцевым индуктором при температуре 650÷690°С, обеспечивающим ширину зоны отпуска не менее 30 мм. Равномерность прогрева обеспечивается вращением заготовки.
1
Второе торцевое основание 3 (фиг. 1) изготавливают вытяжкой из кружка с получением наружного диаметра 390 мм и толщиной, равной толщине оболочки 1 на концевом утолщенном участке t=8 мм.
Производят сборку замкового соединения запрессовкой второго торцевого основания 3 в оболочку 1 приспособлением 9 с индукционным нагревом ТВЧ (фиг. 6) в индукторе 8 в зоне контакта на длине =80 мм с натягом 390-388=2 мм, что составляет 0,52% от внутреннего диаметра оболочки D=388 мм.
3
Затем выполняют автоматическую сварку в среде защитных газов второго торцевого основания 3 с тонкостенной оболочкой 1 на установке сварки с программным управлением (фиг. 1). Сварку ведут в два прохода до полного заполнения разделки без поперечных колебаний электрода. В результате получают сварное соединение со сварным швом (фиг. 7 «б») шириной d=5 (мм) min.
После чего выполняют нормализацию вращающегося в шпинделе станка сварного корпуса непрерывно-последовательным способом (фиг. 1, участок А) на установке индукционного нагрева кольцевым индуктором при температуре 780÷800°С на тонкостенной части оболочки 1 и 880÷920°С на утолщениях.
Выполняют окончательную механическую - токарную обработку сварного корпуса и проводят испытания на герметичность сварных швов внутренним пневматическим давлением методом погружения в ванну с жидкостью.
Выполнение способа изготовления осесимметричного сварного корпуса сосуда высокого давления, в соответствии с изобретением обеспечивает размерную точность, качество обработанной поверхности, технологичность изготовления, конструктивную прочность сварных соединений и надежность.
Изобретение может быть использовано при производстве сварных сосудов высокого давления.
В настоящее время разработана техническая документация, проведены испытания и намечено серийное производство продукции по предложенному способу.