Апарати високого тиску. Основні конструкції корпусів, їх порівняльна характеристика

Конструкції посудин та апаратів високого тиску (ПВТ) визначаються вимогами хіміко-технологічного процесу, експлуатаційними параметрами і характеристиками (тиск, температура, властивості робочого середовища, режим роботи), продуктивністю та оснащеністю технологічним устаткуванням заводів-виробників, умовами транспортування і монтажу.

Залежно від виповнення циліндричної частини корпусу застосовуються наступні типи посудин високого тиску:

– ковані, які виготовляються з однієї кованої заготівки;

– кованозварні, що виготовляються з одношарових кованих обичайок, зварених кільцевими швами між собою і кінцевими елементами (днищами, фланцями, горловинами);

– багатошарові рулоновані, які виготовляються з декількох рулонованих обичайок, зварених між собою кільцевими швами, а також з одношаровими обичайками і кінцевими елементами;

– вальцьованозварні, обичайки яких виготовляються методом вальцювання з товстолистової сталі з подальшим зваренням подовжніми і кільцевими зварними швами між собою та з кінцевими елементами;

– штампозварні, обичайки які виготовляються з товстолистової стали методом штампування напівобичайок з подальшим зваренням їх подовжніми і кільцевими швами між собою та кінцевими елементами.

Тип посудини вибирається залежно від технологічних можливостей підприємства-виготівника і необхідних техніко-економічних показників.

Ковані ПВТ (рисунок 1.1, а) мають монолітний корпус, виготовлений з однієї поковки, тому вони мають відносно невеликі розміри (внутрішній діаметр не більше 600-800 мм, довжина до 6 м). Їх застосовують частіше за все при підвищеному (понад 32 МПа) тиску і високій температурі в малотоннажних і дослідних виробництвах. Перевага таких ПВТ – відсутність зварних швів, що вимагають періодичного дефектоскопічного контролю і знижують їх надійність. Основні вади – низький коефіцієнт корисного використання металу (відношення маси готового виробу до маси поковки), обмежені розміри, необхідність спеціального ливарного, ковальсько-пресового устаткування, значний об'єм механічної обробки.

Кованозварні ПВТ мають корпус, який складається з кількох механічно оброблених кованих частин, з’єднаних між собою кільцевими зварними швами (рисунок 1.1, б). Використання зварення значно розширює можливості виготовлення кованозварних посудин порівняно з кованими, дещо знижує металоємність і собівартість посудин. Максимальні розміри кованозварних ПВТ визначаються технологічними можливостями заводів-виробників. В хімічному машинобудуванні кованозварні ПВТ виготовляють обмежено, оскільки засвоєна більш прогресивна технологія виготовлення рулонованих посудин. В основному кованозварні посудини виготовляють діаметром до 600-800 мм, іноді до 1400-1600 мм.

Штампованозварні та вальцьованозварні ПВТ (рисунок 1.1, в) – посудини, корпуси яких виготовляють з кількох штампованих або вальцьованих обичайок (напівобичайок), що з’єднуються між собою подовжніми та кільцевими зварними швами. Такі посудини більш економічні порівняно з кованими та кованозварними, їх можна виготовляти достатньо великого діаметра.

Оскільки вальцювання або штампування товстостінних елементів (відношення товщини стінки до діаметра обичайки складає понад 0,1) перешкоджається, такі посудини застосовують в основному при тиску до 20 МПа. Суттєва вада таких посудин, що знижує їх надійність, – наявність подовжніх зварних швів.

Рисунок 1.1 – Конструкції монолітних посудин високого тиску:

а – кована; б – кованозварна; в – штампованозварна та вальцьованозварна

 

Багатошарові ПВТ з концентрично розташованими шарами (рисунок 1.2, а) виконують з кількох обичайок, що складаються з відносно великого числа шарів. Обичайки зварюють між собою та з кінцевими елементами корпусу (фланцями та днищами) кільцевими зварними швами. Кінцеві елементи корпусу виконують з поковок або штампованих елементів. Дифундуючи через стінку центральної обичайки гази віддаляються через дренажні (контрольні) отвори, які просвердлені в багатошаровій стінці до першого шару багатошарової обичайки.

Переваги таких ПВТ – можливість виготовлення крупногабаритних апаратів, низькі питома металоємність та вартість порівняно з вище розглянутими. До вад слід віднести відносно високу трудомісткість, велике число зварних швів, в том числі подовжніх.

Виробництво ПВТ такої конструкції налагоджено у ряді провідних країн світу. В Росії на заводі «Уралхиммаш» засвоєна найпрогресивніша конструкція ПВТ – рулоновані.

Рулоновані ПВТ (рисунок 1.2, б) вигідно відрізняються від усіх інших конструкцій техніко-економічними показниками (трудомісткість їх виготовлення в 1,6 рази, а собівартість в 2 рази менше ніж кованозварних ПВТ).

Створення рулонованих посудин високого тиску (РПВТ) дозволило в короткі терміни організувати виробництво великогабаритних ПВТ для великотонажних агрегатів аміаку

Рисунок 1.2 – Конструкції багатошарових посудин високого тиску:

а – з концентричним розташуванням шарів; б – рулонована

Основною вадою рулонованих ПВТ є наявність великої кількості зварних швів. З метою усунення цієї вади були розроблені конструкції витих та спірально-рулонних ПВТ.

Корпуси витих ПВТ (рисунок 1.3) виготовляють із спеціального прокату вузької сталевої високоміцної профільної стрічки, навитої на центральну обичайку з проточкою на зовнішній поверхні під профіль стрічки. Корпус збирають на спеціальному механізованому навивочному стенді. Для збільшення щільності навивки стрічку попередньо нагрівають. Осьові сили передаються за рахунок зчеплення шарів по виступах стрічок.

До основних вад витих ПВТ слід віднести складність технології виготовлення сталевої профільної стрічки, центральної обичайки, бокових штуцерів, а також відносно високий рівень осьових напружень в кільцевих швах центральної обичайки.

Рисунок 1.3 – Витапосудина високого тиску

Для удосконалення виробництва ПВТ, спрямованого на зниження питомої трудомісткості та металоємності і вартості, розроблена нова прогресивна конструкція – спірально-рулонна посудина високого тиску.

Спірально-рулонована ПВТ (рисунок 1.4) – це посудина, циліндричну частину корпусу якої виготовляють навивкою на остів (циліндричну обичайку з привареними до неї кінцевими елементами) по гвинтовій спіралі однієї або кількох штаб. Кожний подальший шар навивають в протилежному напрямку відносно попереднього, кромки витків зварюють між собою на відстані, що дорівнює одному діаметру корпусу від його торців. Поверх шарів приварюють кожух. Кінцеві елементи виконують з поковок або штампованих елементів.

За техніко-економічними показниками ця конструкція перевершує ПВТ інших виповнень, у тому числі РПВТ. Проте на даний час не розроблена нормативно-технічна документація, яка потрібна для проектування та розрахунку спірально-рулонних посудин високого тиску.

 

Рисунок 1.4 – Спірально-рулонна посудина високого тиску