1 Общие сведения о сосудах, работающих под давлением

Для обеспечения эффективного функционирования промышленности необходимо строительство различных сооружений. Основными материалами для их изготовления являются металлы и железобетон.

Металлические конструкции используются при строительстве промышленных зданий, мостов и путепроводов, башен и различных высотных сооружений, опор линий электропередач, разнообразных листовых конструкций, различных видов подвижных конструкций (например, кранов).

Листовые конструкции представляют собой различные емкости и оболочки (резервуары для хранения жидкостей, газгольдеры для хранения и распределения газов, бункера, колонны, сосуды, работающие под давлением), сварные трубопроводы большого диаметра. Они широко используются в нефтеперерабатывающей и химической промышленности.

При изготовлении металлических листовых конструкций применяются современные материалы (стали, чугуны, медные и алюминиевые сплавы) и сварочные технологии.

Сосуды, работающие под давлением (рисунок 1) – резервуары (наиболее распространены цилиндрические: вертикального и горизонтального расположения, сферические, каплевидные) и газгольдеры, имеют большие абсолютные размеры и сложную форму. Они эксплуатируются в сложных условиях: частые изменения давления, низкие или высокие температуры и их изменение, изменение характеристик пластичности и прочности материала в процессе изготовления (например, сварные соединения) или при эксплуатации.

Рисунок 1. Общий вид резервуаров повышенного давления различного назначения

Выбор материала, конструктивной формы и размеров (в частности, толщины стенки) зависит от давления в сосуде и температуры его стенки.

В зависимости от величины рабочего давления, сосуды делятся на сосуды низкого давления (давление не превышает 500 мм рт. ст. = 0,05 кгс/см² = 5∙10³ Па) и сосуды высокого давления (давление более 30 кгс/см² = 3 МПа).

Характер нагружения определяется рабочим давлением (статическое рабочее давление или его пульсация) и температурой (постоянные или переменные температуры).

2 Требования, предъявляемые к сосудам, работающим под давлением

Требования к сосудам, работающим под давлением, устанавливаются нормативными документами [25 – 27]. В соответствии с этими документами сосудом называют герметически закрытую емкость, предназначенную для ведения химических, тепловых и других технологических процессов, а также для хранения и транспортирования газообразных, жидких и других веществ.

Приведем соотношения давления для различных единиц измерения:

1 кгс/см² = 0,1 МПа; 1 Па = 75∙10^-3 мм рт. ст.

Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных [26] и Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением [27] распространяются на проектируемые, вновь изготавливаемые и модернизируемые стальные сварные сосуды и аппараты, работающие под давлением не более 16 МПа (160 кгс/см²), вакуумом с остаточным давлением не ниже 665 Па (около 50 мм рт. ст.), внутренним давлением 0,07 МПа (0,7 кгс/см²) и менее (под налив) и при температуре стенки не ниже минус 70°С, а также на действующие стальные сварные сосуды и аппараты, эксплуатирующиеся на опасных производственных объектах.

Цель и задачи проектирования и изготовления сосудов и аппаратов стальных сварных: обеспечение промышленной безопасности, предупреждение аварий, случаев производственного травматизма при эксплуатации стальных сварных сосудов и аппаратов.

Под рабочим давлением для сосуда и аппарата понимают максимальное внутреннее избыточное или наружное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса, без учета гидростатического давления среды и без учета допустимого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного клапана или других предохранительных устройств.

Под расчетным давлением в рабочих условиях для элементов сосудов и понимают давление, на которое проводится их расчет на прочность.

Расчетное давление для элементов сосуда или аппарата принимают, как правило, равным рабочему давлению или выше.

В связи с повышением рабочих давлений, повышаются требования к механическим характеристикам материалов. Но, как известно, повышение прочности приводит к снижению пластических свойств и характеристик трещиностойкости, т.е. повышается чувствительность материала к трещинам и дефектам сварных швов, особенно при низких температурах.

При выборе материалов для изготовления сосудов следует учитывать: расчетное давление, температуру стенки (минимальную и максимальную), химический состав и характер среды, технологические свойства и коррозионную стойкость материалов.

Рассмотрим рекомендации по назначению материалов при изготовлении сосудов, нагружаемых статическими нагрузками, без циклического изменения температуры.

В зависимости от расчетного давления, применяют стали с различными механическими характеристиками:

* давление от 0,5 МПа до 2,5 МПа – применяют углеродистые стали;

* давление от 2,5 МПА – углеродистые стали повышенной прочности или низколегированные стали;

* наличие коррозионной среды –коррозионностойкие легированные стали;

* в случае температурного воздействия – теплоустойчивые стали (повышенные температуры) и стали с высокими характеристиками трещиностойкости (при низких температурах).

Механические характеристики углеродистых конструкционных сталей приведены в таблице 1.

Для сосудов, устанавливаемых на открытой площадке или в неотапливаемом помещении, при выборе материалов также учитывают:

абсолютную минимальную температуру наружного воздуха данного района, если температура стенки сосуда, находящегося под давлением, может стать отрицательной от воздействия окружающего воздуха;

среднюю температуру воздуха наиболее холодной пятидневки данного района, если температура стенки сосуда, находящегося под давлением, положительная. При этом марка углеродистых и низколегированных сталей принимается не ниже рекомендуемых в таблице 2.

Чаще всего при изготовлении листовых конструкций, дефектами являются дефекты сварных соединений. В сварных соединениях не допускаются следующие наружные и внутренние дефекты:

трещины всех видов и направлений, в том числе микротрещины, выявленные при микроисследовании;

свищи и пористость шва, выходящие за пределы установленных норм;

непровары (несплавления), расположенные в сечении сварного соединения, подрезы; наплавы, прожоги и незаплавленные кратеры;

чешуйчатость поверхности и глубина впадин между валиками шва, превышающие допуск на усиление шва по высоте;

смещение и совместный увод кромок свариваемых элементов свыше предусмотренных норм;

несоответствие формы и размеров требованиям стандартов, технических условий или проекта.

В случае обнаружения недопустимых дефектов обязательно их исправление в соответствии с техническими условиями.

Таблица 1

Механические характеристики углеродистых конструкционных сталей

Марка стали	σв	σт	Относительное удлинение, % при ℓ=10d	Ударная вязкость, Нм/м2∙105
Ст 3	380 – 470	210––240	21–23	–
Ст 5	500 – 620	260–280	15–17
10	340–420	210	31	2,4
20	420	250	25	–
30	500	300	21	8
45	610	360	16	5
50	640–800	380	14	4
20 Х	800	650	11	6
40 Х	850	620	10	6
40ХН	1000–1450	800–1300
20ХНЗА	950	750	12	10
40ХНМА	1000	950	12	10
30ХГСА	1100	850	10	5

Таблица 2

Марки сталей для сосудов в зависимости от средней температуры воздуха наиболее холодной пятидневки

Средняя температура воздуха наиболее холодной пятидневки, 0С	Марка стали
Не ниже – 30	Ст3пс3, Ст3сп3, СтГпс3
	15К-3, 16К-3, 18К-3, 20К-3
От – 31 до – 40	Ст3пс4, Ст3сп4, Ст3Гпс4
	15К-5, 16К-5, 18К-5, 20К-5
	16ГС-3, 09Г2С-3, 10Г2С1-3
От – 41 до – 60	09Г2С-8, 10Г2С1-8

Контроль качества сварных соединений проводится следующими методами:

а) визуальным осмотром и измерением. Визуальный контроль и измерение сварных швов проводят после очистки швов и прилегающих к ним поверхностей основного металла от шлака, брызг и других загрязнений;

б) механическими испытаниями. Механическим испытаниям подвергают стыковые сварные соединения. Механические испытания проводят на контрольных стыковых сварных соединениях. Проводят испытание на:

растяжение и изгиб при 20 ⁰С;

ударную вязкость на образцах KCU (при толщине металла 12 мм и более) при 20 ⁰С. При рабочей температуре ниже минус 20 ⁰С испытания проводят при температуре, равной минимальной отрицательной рабочей температуре сосуда;

измерение твердости металла шва при температуре 20 ⁰С.

Для механических и коррозионных испытаний, а также металлографических исследований производится вырезка образцов из контрольных сварных соединений.

Контрольное сварное соединение должно воспроизводить одно из стыковых сварных соединений сосуда, определяющих его прочность, и выполняться одновременно с контролируемым сосудом с применением одинаковых исходных материалов, формы разделки кромок, сборочных размеров, методов и режимов сварки, режима термообработки.

К стыковым соединениям, определяющим прочность сосуда, следует относят продольные швы обечаек и меридиональные швы выпуклых днищ;

в) испытанием на стойкость против межкристаллитной коррозии. Испытание сварного соединения на стойкость против межкристаллитной коррозии проводят для сосудов, изготовленных из сталей аустенитного, ферритного, аустенитно-ферритного;

г) металлографическими исследованиями. Металлографическим исследованиям подвергают стыковые сварные соединения, определяющие прочность сосудов, работающих под давлением более 5 МПа (50 кгс/см2) или при температуре ниже минус 40°С, а также работающих при температуре выше 450°С. Исследуют также соединения из сталей, склонных к термическому воздействию (марок 12МХ, 12ХМ, 15Х5М и др.), из сталей аустенитного класса без ферритной фазы (марок 06ХН28МДТ, 08Х17Н16М3Т и др.);

д) стилоскопированием. Стилоскопирование (спектральный анализ) сварных швов проводят для установления марочного соответствия примененных сварочных материалов требованиям проекта. Стилоскопированию подвергаются сварные швы работающих под давлением деталей из жаростойких и жаропрочных сталей (например, 12ХМ, 20Х2М, 1Х2М1, 15Х2МФА-А, 10Х2ГНМ, 08Х17Н13М2Т, 08Х18Н10Т и др.);

е) ультразвуковой дефектоскопией и (или) радиографией, т.е. их сочетание. Проникающие методы неразрушающего контроля: радиографический и ультразвуковой применяют для выявления внутренних дефектов сварных соединений. Метод контроля выбирается исходя из возможностей более полного и точного выявления недопустимых дефектов с учетом особенностей физических свойств металла, а также особенностей методики контроля для данного вида сварных соединений сосуда;

ж) цветной или магнитопорошковой дефектоскопией. Цветной или магнитопорошковой дефектоскопии подвергают сварные швы, недоступные для осуществления контроля радиографическим или ультразвуковым методом, а также сварные швы сталей, склонных к образованию трещин при сварке.

з) другими методами (акустической эмиссией, люминесцентным контролем, определением содержания ферритной фазы и др.) по требованию проекта.

Дефектные сварные швы, выявленные при контроле, следует удалять, швы вновь сварить и подвергнуть повторному контролю и (или) испытанию.