Разжимное пневматическое кольцо для сварки кольцевых швов сосудов

Полезная модель относится к оснастке для сварки кольцевых стыков емкостного оборудования. Сварка кольцевых швов тонкостенных стальных сосудов, работающих под давлением, на сегодняшний день остается актуальной задачей машиностроительного производства. К основным проблемам в процессе изготовления изделий следует отнести деформацию тонколистового металла корпуса сосуда из сталей как высоколегированных типа 12X18H10T ГОСТ 7350, так и низколегированных типа 09Г2С ГОСТ 5520, которая вызвана термическим нагревом при сварке и особенностями теплофизических свойств материалов.
Из уровня техники известны различные конструкции устройств для сварки кольцевых стыков емкостей. Например, известно устройство под сварку кольцевых стыков емкостей (Патент РФ № 2290290, опубл. 27.12.2006). Устройство представляет собой разборное подкладное кольцо, выполненное диаметром, большим относительно диаметра свариваемых деталей с расчетом обеспечения при их нагреве необходимого монтажного зазора, а при охлаждении гарантированного натяга между подкладным кольцом и свариваемыми деталями, и состоящее из нескольких частей, соединенных между собой без зазоров легко разборными коническими болтовыми соединениями, а поверхности контакта отдельных частей выполнены под углом к плоскости кольца, обеспечивая свободное разъединение частей кольца при его разборке после сварки кольцевого стыка. Устройство содержит гибкие нагревательные элементы, устанавливаемые на наружной поверхности в районе кромок свариваемых деталей.
Недостатком известного устройства является то, что имеется возможность сварки емкостей только малого диаметра. Кроме того, кольцо вставляется в собранном состоянии, а значит емкость должна иметь идеальную круглую форму, что очень сложно при больших диаметрах. Большие затраты времени на установку нагревательных элементов, время на подогрев, время остывания после сборки и снятие элементов, то есть достаточно сложный технологический процесс. Кроме того, затраты электроэнергии.
Также известно опорное кольцо для сборки кольцевых стыков емкостей под фрикционную сварку с перемешиванием (Патент РФ № 120597, опубл. 27.09.2012). Задача устройства - расширение технологических возможностей за счет обеспечения предварительной сборки подкладного кольца вне сварочного стенда с последующей установкой собранного кольца под стык свариваемых цилиндрических деталей и его разжим до заданного диаметра. Известное устройство состоит из связанных между собой с возможностью регулирования монтажного зазора отдельных секторов, сопрягаемые части которых выполнены под углом к плоскости опорного кольца и соединены при помощи конических стягивающих болтов, в сопрягаемых частях секторов образованы дополнительные встречно-направленные конические отверстия и перпендикулярные поверхности сопряжения отверстия ступенчатой формы, оснащенные стягивающими болтами с подголовком, помещенным в ступенчатое отверстие большего размера с обеспечением возможности продольного перемещения сопрягаемых частей секторов между собой, каждый из секторов снабжен проушинами, установленными на концах сопрягаемых частей секторов, и раздвижным механизмом, закрепленным в проушинах. Однако данное устройство имеет ряд недостатков и малопригодно для емкостей большого диаметра, а именно:
- для установки разжимного опорного кольца на сосудах с толщиной стенки сосуда менее 10 мм необходимо выводить эллипс, с помощью наружного винтового кольца;
- передвижение разжимного опорного кольца внутри сосуда к следующему стыку затруднительно из-за веса кольца; и
- может быть применено только под фрикционную сварку.
Анализ известных конструкций устройств для сварки кольцевых стыков обечаек емкостей показал, что технической проблемой при сварке кольцевых стыков емкостей с толщеной менее 10 мм является деформация кромки свариваемых обечаек, а также деформация в районе шва после сварки, которая превышает значения, установленные ГОСТ 34347-2017. Согласно требованиям, деформация в районе шва корпуса сосуда должна быть не более 0,1S+3, то есть для толщины 5 мм допустимый увод кромок составит 3,5 мм.
Наиболее близким техническим решением того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является изобретение «Разжимное подкладное кольцо для сборки и сварки» по авт. св. № 423595, опубл. 15.04.1974.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что для установки разжимного кольца на сосудах толщиной менее 10 мм происходит деформация, которую необходимо устранять с помощью наружного винтового кольца, передвижение разжимного опорного кольца внутри сосуда к следующему стыку будет затруднительно из-за веса кольца.
Заявляемое техническое решение позволяет успешно решить данную проблему, а именно обеспечить прямолинейность котла и, как следствие, выполнять сварной шов, отвечающий требованиям ГОСТ34347-2017.
Задачей настоящей полезной модели является обеспечение выполнения требуемой геометрии свариваемого изделия.
Заявляемый технический результат - увеличение жесткости конструкции в районе сварного шва по всему периметру, создавая предварительную деформацию, противоположную сварочной, повышение скорости охлаждения металла сварного шва и зоны термического влияния, отсутствие необходимости применения флюсовых подушек.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что разжимное пневматическое кольцо для сварки кольцевых швов сосудов включает секторы, напорный рукав, соединенный в кольцо посредством узла для подачи воздуха высокого давления, на котором закреплены хомутами секторы, которые соединены между собой шарнирно в направлениях по окружности. Между секторами и кольцом имеется теплоизоляционная прокладка. Настройка по периметру кольца обеспечивается за счет регулировочного узла.
Отличительными признаками предлагаемого технического решения является то, что кольцо снабжено рукавом, который снабжен подводом воздуха высокого давления, что позволяет выполнить равномерное прилегание секторов кольца к кромкам обечайки в зоне стыка, тем самым обеспечивая жесткость конструкции в районе сварного шва по всему периметру, создавая предварительную деформацию, противоположную сварочной. Выполнение секторов из алюминиевого сплава позволяет повысить скорость охлаждения металла сварочного шва и зоны термического влияния, отпадает необходимость применение флюсовых подушек, а также изготовить устройство более легким и при работе не требует специального оборудования для его подъема и перемещения. Наличие разжимного узла, выполненного из двух сегментов, позволяет выполнять регулировку по величине диаметра. Сдвиг сегментов создает усилия, направленные на растяжение (разжатие) всей конструкции кольца в целом, для обеспечения плотного и равномерного прилегания по всему периметру остальных сегментов к свариваемому изделию, что позволит предотвратить перемещения в процессе сварки и устранить сварочные деформации, приводящие к местному искажению формы оболочки в зоне шва. Одновременно при затяжке регулировочного винта минимизируются зазоры между остальными секторами конструкции. На основании производственного опыта определено, что для исключения прожогов основного металла при сварке максимально допустимый зазор между изделием и алюминиевой подкладкой должен быть не более 0,5-1 мм.
При исследовании отличительных признаков описываемого устройства не выявлено каких-либо аналогичных известных решений, позволяющих осуществить процесс сварки кольцевых швов, отвечающих требованиям, установленным ГОСТ 34347-2017 «Сосуды и аппараты стальные сварные».
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, содержащим сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан общий вид разжимного пневматического кольца;
фиг. 2 - вид А;
фиг. 3 - вид В - регулировочный узел.
Разжимное пневматическое кольцо для сварки кольцевых швов сосудов (фиг. 2) включает в себя секторы 1 из алюминиевых сплавов, соединенные между собой шарнирно 2, рукав 3 снабжен подводом воздуха 4 и закреплен хомутами 5 на каждом из секторов. Между рукавом и секторами установлена теплоизоляционная прокладка 6. Периметр кольца регулируется «регулировочным узлом» (фиг. 3), который состоит из двух сегментов 7, имеющих угол скоса и соединенных регулировочным винтом 8.
Принцип работы разжимного пневматического кольца
Кольцо в сборе устанавливается непосредственно в месте свариваемого стыка, при этом давление в полости рукава 3 отсутствует, то есть кольцо находится в гибком состоянии. Секторы 1 из алюминиевых сплавов, расположенные по всей длине окружности и соединенные через шарниры 2, обеспечивают гибкость всей конструкции. После установки через штуцер тройника 4 подается воздух с постепенно нарастающим давлением в полости рукава 3 до 0,1 МПа, кольцо начинает выпрямляться и приобретать форму окружности, прилегая равномерно к стенкам обечайки в зоне стыка. Затем давление в полости рукава 3 увеличивается до рабочего - 0,5-1,0 МПа, в этот момент усилия, создаваемые распорным кольцом, обеспечивают жесткость конструкции, создавая обратную деформацию, противоположную сварочным. Регулировка периметра разжимного кольца и плотное прилегание по внутреннему диаметру обечайки также может обеспечиваться за счет регулировочного узла 7 (фиг. 3), сегменты 8 которого могут сжиматься и разжиматься на величину до 60 мм относительно друг друга.
Сварка стыковых соединений корпуса ссуда выполняется автоматическим способом под слоем флюса. Процесс сварки начинается с наружного шва. В качестве временной подкладки, предотвращающей прожоги и вытекание жидкого металла, используются алюминиевые секторы 1 разжимного пневматического кольца, расположенные по всему периметру окружности. По окончании сварки из полости рукава 3 постепенно стравливается давление воздуха и разжимное кольцо демонтируется.
К основным преимуществам разжимного пневматического кольца следует отнести:
- простоту изготовления и технологичность конструкции;
- небольшая масса конструкции, что не требует специального оборудования для ее подъема и перемещения;
- небольшие габаритные размеры;
- минимальные затраты на изготовление и материалы конструкции.
В настоящее время выполнен экспериментальный образец, который прошел испытания и показал хорошие результаты.