Способ изготовления сфероидальных днищ в сосудах давления

Изобретение относится к области изготовления сфероидальных днищ в сосудах давления. Техническим результатом изобретения является упрощение и удешевление технологии изготовления. Способ изготовления тонкостенных сфероидальных днищ, в котором оно выполняется из листа толщиной 0,5...0,6 от расчетной для исходного эллиптического днища и предусматривает деформирование их повышенным технологическим давлением опрессовки, составляющим 1,3...1,5 от расчетного. 1. з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области сосудостроения и может быть использовано при изготовлении котлов цистерн, емкостей для хранения газов или жидкостей, в химическом и нефтехимическом машиностроении при изготовлении сосудов с выпуклыми днищами.

Известен способ изготовления сферических днищ штамповкой из плоской заготовки с помощью матрицы в виде кольца и пуансона со сферической головкой [1]. Существующая технология штамповки более тонких днищ сферической формы требует изготовления дорогостоящих пуансонов и вследствие большой вытяжки является трудоемкой и неустойчивой - сопровождается возникновением гофр на цилиндрической отбортовке.

В современных нормах расчета сосудов давления [2] расчет допускаемого давления [р] для эллиптических днищ производится по формуле

а толщина днища определяется по формуле

где Н - высота днища (или малая полуось эллипса в сечении, проходящем через ось вращения), r - внутренний радиус днища в месте соединения его с цилиндром, ϕ - коэффициент прочности сварного шва, [σ] - допускаемое напряжение для материала днища.

Формула (1) является приближенным выражением предельного давления для сферы с внутренним радиусом R

в которую вместо предела прочности σ_в подставлено допускаемое напряжение [σ].

Формула (3) используется для оценки предельной прочности эллиптических днищ в предположении, что форма эллиптических днищ в процессе нагружения до разрушения не изменяется и разрушение происходит в самом слабом месте - в вершине эллипсоида с радиусом кривизны в этомместе, определяемом по формуле . Формула (3) справедлива для эллиптических днищ, изготовленных из хрупких материалов. Если днище изготовлено из пластичного материала (например, из стали), то в процессе нагружения до разрушения форма днища изменяется, причем радиус кривизны в вершине днища уменьшается, и таким образом прочность днища возрастает.

Как показывают экспериментальные исследования [3], для стальных днищ формулы (1), (2), (3) непригодны даже для грубой инженерной оценки предельной прочности эллиптических днищ. В процессе пластического деформирования выпуклое днище получает меридиональную ε_z и кольцевую ε_t0 остаточные деформации и приобретает форму сферического сегмента, давление разрушения которого определяется формулой

где радиус внутренней поверхности сферического сегмента R равен

r - внутренний радиус цилиндра, с которым соединяется днище,

ε_t0 - кольцевая деформация днища в месте соединения его с цилиндром,

ϕ_R - угол сферического сегмента, определяемый из уравнения

Тогда формула для давления разрушения сферического сегмента приобретает вид:

Экспериментальные исследования до разрушения стальных выпуклых днищ и расчеты по формуле (7) показывают, что фактическое давление разрушения выпуклых днищ на 70...80% выше, чем рассчитанные по формуле (3). Таким образом, днища можно изготавливать в 1,7...1,8 раза тоньше, чем по существующим нормам [2], используя технологическую оснастку для штамповки стандартных эллиптических днищ с отношением Н/r=0,5.

По предлагаемому способу изготовление сфероидальных днищ производится из стандартных эллиптических днищ с отношением высоты к радиусу Н/r=0,5 гидравлическим методом, при котором эллиптическое днище выполняется из листа толщиной 0,5...0,6 от расчетной для исходного эллиптического днища по формуле (2) норм [2] и спрессовывается при температуре 60...80°С технологическим давлением 1,3...1,5 от расчетного.

Для осуществления предлагаемого способа стандартное эллиптическое днище с отношением Н/r=0,5 и толщиной 0,5...0,6 от расчетной по формуле (2) приваривается к цилиндру. После изготовления корпуса сосуда он должен нагружаться пробным давлением р_пр, равным [3]

где [σ]²⁰ и [σ]^t - допускаемые напряжения при 20°С и при рабочей температуре сосуда соответственно.

Предлагается первичное технологическое давление опрессовки принять равным

р_пр=(1,3...1,5)р

с тем, чтобы при дальнейшей эксплуатации сосуда это давление не повторялось. Как показывают расчеты напряженного состояния днища и экспериментальные исследования (см. чертеж), при этом давлении в нескольких местах возникают изгибающие меридиональные моменты, переводящие всю толщину стенки днища за предел текучести (так называемые пластические шарниры), которые приводят к изменению формы днища. На чертеже приведена эпюра изгибающих моментов в эллиптическом днище и места возникновения пластических шарниров. Днище превращается в сферический сегмент с новым радиусом кривизны, при котором напряжения от расчетного давления уже не превышают допускаемой величины. После изменения формы днища в нем могут быть изготовлены необходимые технологические отверстия и вводы.

На приведенной эпюре видно, что в месте соединения эллиптического днища с более толстым цилиндром возникает изгибающий момент обратного знака. Чтобы уменьшить нежелательные изгибные напряжения в этом месте предлагается выполнять цилиндрическую отбортовку переменной толщины с отношением разницы толщин к длине отбортовки не более 0,25.

Чтобы деформирование днища не привело к его хрупкому разрушению, опрессовка должна производиться при повышенной температуре (60...80°С), которая обеспечивает пластическое деформирование стали.

Литература

1. Охрименко Я.М. Технология кузнечно-штамповочного производства. М., 1976.

2. ГОСТ 14-249 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность». Изд-во стандартов, 1989.

3. Мордина Г.М., Пимштейн П.Г. Прочность эллиптического днища при нагружении внутренним давлением // XXIII Российская школа по проблемам науки и технологий. Краткие сообщения - Екатеринбург, 2003. - С.123-125.

1. Способ изготовления сфероидальных днищ в сосудах давления, включающий штамповку стандартных днищ эллиптической формы, приварку днища к цилиндру и его опрессовку при температуре 60÷80°С, отличающийся тем, что, с целью получения заданной формы днища оно выполняется из листа толщиной 0,5÷0,6 от расчетной для исходного эллиптического днища, а давление технологической опрессовки составляет 1,3÷1,5 от расчетного.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью снижения нежелательных напряжений, отбортовка выполняется переменной толщины с отношением разности толщин к длине отбортовки не более 0,25.