Технология изготовления элементов котла Е-220-13, 5-525

Курсовая работа

Технология изготовления элементов котла Е-220-13,5-525

котел змеевик нагрев технологический

В данной курсовой работе в качестве объектов анализа рассматриваются технологические процессы изготовления элементов котельного агрегата Е-220−13,5−525, такие как барабан котла, трубы и змеевики поверхностей нагрева.

Надежность работы и экономичность котельного агрегата в целом, в не малой степени зависит от технологии изготовления его элементов. Поэтому, решение проблем расчета и изготовления элементов котла позволит не только выбрать технологические процессы изготовления, но и сократить число отказов в работе этих элементов в процессе эксплуатации. Анализ расчетов позволяет выбрать наиболее экономически выгодный и целесообразный процесс изготовления отдельных элементов котельного агрегата.

По данным теплового расчета котла проводятся расчеты технологических процессов изготовления элементов котла, а так же анализ используемых для их изготовления материалов.

Целью данной курсовой работы является выработка рекомендаций для разработки технологических процессов изготовления элементов котельного агрегата, обеспечивающих их надежную работу в условиях эксплуатации.

Задачами данной курсовой работы являются:

— проведение анализа материалов, используемых при изготовлении отдельных элементов котла;

— проведение анализа и расчет технологических процессов изготовления обечаек барабана и предложение варианта технологии их изготовления;

— проведение анализа и расчет технологических процессов изготовления днищ барабана и предложение варианта технологии их изготовления;

— проведение анализа и технологический расчет процессов изготовления труб и змеевиков поверхностей нагрева и предложение варианта их изготовления.

1. Анализ материалов, используемых при изготовлении отдельных элементов котла

Металл элементов паровых котлов и технологических трубопроводов работает в разнообразных и в ряде случаев тяжелых условиях. В более тяжелых условиях находится металл элементов котлов и трубопроводов, работающих под давлением. Повреждение этих элементов в процессе эксплуатации приводит к затратам на ремонт и создает опасность для обслуживающего персонала.

Детали котлов и трубопроводов, работающие под давлением, имеют конструкционные концентраторы напряжений в виде отверстий для приварки штуцеров, патрубков, резкие переходы сечений и т. п. При пусках, остановах, переходных режимах в трубной системе и барабанах котлов возникают циклические напряжения. Поэтому для снятия пиков местных напряжений в условиях сложного напряженного состояния без опасности образования трещин металл этих элементов должен обладать высокими пластическими свойствами.

Трубы поверхностей нагрева омываются горячими топочными газами с одной стороны и паром или водой с другой стороны. В современных паровых котлах пар перегревается до температуры 545 — 570 ⁰С. Температура металла труб поверхностей нагрева существенно выше температуры пара на выходе из котла. Это определяется перепадом температур между наружной обогреваемой и внутренней охлаждаемой поверхностями труб.

Металл при высоких рабочих температурах снижает прочность, начинает накапливать пластическую деформацию при относительно низких напряжениях, теряет свои пластические свойства при длительной нагрузке, а на поверхности интенсивно протекают коррозионные процессы. В более тяжелых температурных условиях работают неохлаждаемые стойки и подвески труб поверхностей нагрева и элементы конструкций горелок. К их материалам предъявляются высокие требования в отношении коррозионной стойкости. Хвостовые поверхности нагрева и стальные газоходы паровых котлов, в которых сжигаются топлива с большим содержанием серы, подвержены низкотемпературной (сернистой) коррозии. На них происходит конденсация паров серной кислоты. При сжигании сильно забалластированных топлив происходит интенсивный эрозионный износ труб поверхностей нагрева в результате воздействия абразивных частиц золы.

С повышением температуры при испытании углеродистых сталей характер кривых растяжений изменяется. При комнатной температуре на кривой наблюдается отчетливо выраженная площадка текучести; с повышением температуры она становится меньше и около 300⁰С исчезает.

В интервале температур так называемой синеломкости (200−300С) повышается прочность и снижается пластичность стали, поэтому следует избегать пластического деформирования малоуглеродистой стали в этом интервале температур. Этот интервал назван интервалом синеломкости, так как после выдержки стали при температуре около 300С светлая обработанная поверхность стали приобретает синий цвет, что вызвано образованием тонкой оксидной пленки. Снижение пластичности и повышение прочности в интервале синеломкости связано диффузионной подвижностью атомов примесей.

Пластическая деформация происходит путем перемещения дислокаций. Вокруг ядра дислокации, где имеются искажения кристаллической решетки, облегчается растворение атомов примесей. Поэтому вокруг нее образуется «облако» примесей. В процессе пластической деформации «облако» движется за дислокацией и тормозит ее перемещение. В результате пластичность снижается, а прочность возрастает. При температурах ниже интервала синеломкости диффузионная подвижность «облака» мала и дислокация легко обгоняет его. При температурах выше интервала синеломкости диффузионная подвижность «облака» настолько возрастает, что оно практически перестает тормозить перемещение дислокации и пластичность вновь возрастает.

Аналогична зависимость от температуры механических свойств низколегированных перлитных сталей, однако максимум временного сопротивления выражен относительно слабее и сдвинут в сторону более высоких температур. Минимум пластичности также сдвинут в область более высоких температур.

Нагрев наклепанной стали до 250−300С резко ускоряет процесс старения — происходит искусственное старение. Процесс старения предотвращает закалка или нормализация с последующим отпуском при 600−650С, при котором выделившиеся нитриды и карбиды коагулируют в крупные включения, мало снижающие ударную вязкость. Механическим старением называется процесс повышения прочности и снижение ударной вязкости холодно — деформированной стали после длительного вылеживания или кратковременного нагрева до 100−300С.

В зависимости от условий работы элементов котла (температура, давление, степень влияния коррозии) выбирается марка стали для их изготовления. Кроме того, выбор марки стали осуществляется в обязательном порядке с учетом требований Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору.

В соответствии с этими требованиями приняты следующие марки сталей:

1) барабан (t=330,98С; P=13,0 МПа, S=45 мм.) — сталь марки ВСт3сп ГОСТ-380;

2) ширмовый пароперегреватель (t=460С; P= 11,81 МПа, S=4 мм.) — сталь 20 ТУ14−3-858;

3) конвективный пароперегреватель второй ступени (t=510С; P=11,3 МПа, S=4 мм.) — сталь 20 ТУ14−3-858;

4) конвективный пароперегреватель первой ступени (t=399С; P=12,32 МПа, S=4 мм.) — сталь 20 ТУ14−3-858;

5) водяной экономайзер второй ступени (t=257,4С; P=13,325 МПа, S=4 мм.) — сталь 20 ТУ14−3-858.

1.1 Характеристики используемых сталей

ВСт3сп — свариваемость: сваривается без ограничений; способы сварки: ручная дуговая сварка (РДС), автоматическая дуговая сварка (АДС) под флюсом и газовой защитой, электрошлаковая сварка (ЭШС), контактно-точичная сварка (КТС). Для толщины более 36 мм рекомендуется подогрев и последующая термообработка. Назначение: прокат профильный, рамы, каркасы, щитки, кожухи — для сварных и клепаных конструкций.

Заменители: ВСт4сп.

Примечание — Заменители стали ВСт3сп подобраны только по уровню механических свойств.

Сталь 20 — свариваемость: сваривается без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки. Способы сварки РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, КТС. Назначение: панели, основания, платы, кронштейны, угольники, ребра жесткости, а также детали после цементации и термообработки, работающие на трение, для изготовления трубных элементов работающих под давлением. Обрабатывается: резанием, сваркой, холодной высадкой и в виде поковок и штамповок. Заменители: Сталь 15, Сталь 25.

Для изготовления барабанов используются поставки горячекатаной листовой стали. Листовая сталь, применяемая для изготовления и ремонта элементов, работающих под давлением, должна выплавляться мартеновским способом или в электропечах.

Область применения листовой стали различных марок, объем, и виды обязательных испытаний должны соответствовать данным, указанным в [4, см. приложение 3, стр. 88].

Для изготовления экранных труб, змеевиков экономайзеров, конвективных пароперегревателей используются поставки стальных труб.

Для элементов, работающих под давлением, должны применятся трубы из спокойной стали, выплавленной мартеновским способом или в электропечах. Область применения труб из сталей различных марок, объем и виды обязательных испытаний, должны соответствовать указаниям [4, см. приложение 3, стр. 88].

Применение труб с продольными сварными швами из сталей марок, указанных в [4, см. приложение 3, стр. 88], разрешается при поставке труб по специальным техническим условиям, согласованным с Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору, и с обязательным контролем качества сварного шва, по всей его длине, ультразвуковой дефектоскопией или другим эффективным способом контроля. Остальные требования к видам и нормам обязательных испытаний качества и свойств сварных труб должны быть не ниже установленных для бесшовных труб из сталей той же марки.

2. Анализ технологического процесса изготовления барабана котла

Для барабанов стационарных паровых котлов с номинальным рабочим давлением 10,0… 16,5 МПа применяют листы, изготовленные из сталей марок 16К, 20К, 16ГС, 09Г2С, 22К, 16ГНМА. Кроме химического анализа (от плавки) каждый лист толщиной 12 мм и более подвергается на предприятии-изготовителе механическим испытаниям на временное сопротивление, предел текучести, относительные удлинение и сужение, ударную вязкость (исходную и после старения), изгиб. Для сталей 22К и 16ГНМА обязательно также определение пределов прочности и текучести при рабочей температуре, а для стали 16ГНМА — также ударной вязкости при температуре 40 °C. Листы из сталей 16К, 20К, 22К и 16ГНМА подвергают микроисследованию.

Качество металла листов, их соответствие требованиям стандартов или технических условий на поставку предприятие-изготовитель подтверждает соответствующий сертификат с указанием режима проведенной термической обработки.

Технологический процесс изготовления барабанов включает основные операции входного контроля листового проката:

1) проверку соответствия содержания сертификатов требованиям стандартов или технических условий на поставку листов, наличия маркировки и клейм предприятия-изготовителя и их соответствие данным сертификатов;

2) измерение длины, ширины, толщины;

3) осмотр наружной поверхности и торцов. Не допускаются поверхностные дефекты в виде плен, расслоений, закатов, трещин и других дефектов. Удаление окалины с поверхности листа дробеструйной очисткой или обжигом с последующей механической обработкой. Плены, закаты, вмятины, риски, глубина которых не превышает допускаемые минимальные отклонения по стандартам и техническим условиям на поставку, подлежат пологой расшлифовке. Поверхностные дефекты, при которых лист утоняется больше допускаемого предела, удаляются с последующей заваркой с разрешения отдела технического контроля. Заварка дефектов на листах из стали 16ГНМА не допускается;

4) ультразвуковой контроль по периметру шириной 200 мм от кромки листа толщиной более 60 мм из сталей 22К и 16ГНМА (рабочее давление в барабане 10 МПа и выше);

5) стилоскопирование листов из легированной стали.

2.1 Технология изготовления цилиндрической части барабана

Различают четыре основных типа корпусов барабанов, сваренных из листовой стали (рисунок 1): с одним продольным швом; с двумя продольными швами, соединяющими полуобечайки, каждая из которых изготовлена из одного листа; с кольцевыми швами, цилиндрическая часть которых состоит из нескольких обечаек (с одним или двумя продольными швами), соединенных между собой кольцевыми швами.

а) — с одним продольным швом; б) — с двумя продольными швами; в) — из нескольких обечаек, имеющих по одному продольному шву; г) — из нескольких обечаек, имеющих по два продольных шва; 1 — продольный шов; 2 — кольцевой шов; 3 — обечайка

Рисунок 1 — Типы цилиндрической части корпуса барабана:

При изготовлении обечаек (полуобечаек) листы, прошедшие входной контроль, подаются на разметку заготовки-развертки согласно карте раскроя. При значительной деформации листа (обычно малой толщины), которая может повлиять на точность разметки и резки, его подвергают правке. Правят листы на валковой листоправильной машине. Разметку производят с учетом необходимых припусков на обработку и припуска по длине обечайки для изготовления контрольных пластин для оценки качества сварных соединений.

Линии контура заготовки отмечают кернением. В средней части каждой размеченной на листе заготовки поперек проката наносят (переносят) маркировку листа с указанием предприятия-изготовителя, марки стали, номеров плавки и листа. Для котлов давлением свыше 4,0 МПа обязательно указывается порядковый номер обечайки, толщина листа и номер чертежа. Маркировку наносят вне зоны последующей обработки с наружной стороны обечайки. Обрезают размеченную заготовку обечайки (полуобечайки) механическим способом или газовой резкой с последующей механической обработкой или зачисткой до полного удаления следов газовой резки.

Обечайки с одним продольным швом в зависимости от отношения толщины стенки к диаметру вальцуют в холодном или горячем состоянии. Подготовка кромок продольного стыка осуществляется с учетом необходимости термической обработки продольного сварного шва. Дополнительной термической обработке подвергают барабаны котлов, изготовленные из низкоуглеродистой стали марок 16К и 20К при толщине стенки более 36 мм, из сталей 22К, 16ГС, 09Г2С при толщине стенки более 30 мм и из стали 16ГНМА любой толщины. Если сварное соединение не подлежит термической обработке, то его выполняют автоматической дуговой сваркой под флюсом. Механическую обработку кромок заготовки в этом случае производят на кромкострогальном или другом станке перед холодной вальцовкой.

Обычно продольные стыки обечаек диаметром 1000 мм и с толщиной стенки 24 мм и больше соединяют электрошлаковой сваркой. Механическая обработка кромок в этом случае не предусматривается.

Цилиндрические части барабанов с двумя продольными швами, выполненные из двух полуобечаек, можно изготовить гибкой на вальцах или штамповкой. Кромки заготовок полуобечаек не обрабатывают, поскольку предусматривается припуск на прямые участки и последующую механическую обработку после гибки.

Нагрев листа для горячей гибки или штамповки осуществляют в камерных печах с выдвижным подом. Сталь 20К и 22К с максимальной скоростью нагревают до температуры 800… 950 °C, а сталь 09Г2С и 16ГС — до температуры 950… 1050 °C. Заготовки из стали 16ГНМА нагревают под штамповку до температуры 950 °C, а при универсальном способе изготовления последовательной гибкой в штампе как более длительном процессе — до температуры 1050 °C.

Для сталей 20К и 22К лучше применять «теплую» вальцовку, если мощность вальцов или пресса позволит произвести гибку. Заготовки под теплую вальцовку нагревают до температуры 620… 650 °C, прогревают и без выдержки подают на гибку. Заготовки, полученные электрошлаковой сваркой, перед теплой вальцовкой подвергаются термической обработке. На поверхность заготовки (до нагрева) наносится защитное покрытие А-115. Гибку листа выполняют до соприкосновения кромок продольного стыка обечайки. После теплой вальцовки, если по условию соотношения толщины стенки и внутреннего диаметра обечайки требуется горячая гибка, обечайку необходимо подвергнуть термической обработке.

Обечайки (полуобечайки) после гибки тщательно осматривают и измеряют. На поверхности металла не допускаются трещины, раковины, плены, расслоения. Обечайки и полуобечайки с угловатостью в месте продольного стыка более 3 мм к сборке не допускаются и подлежат исправлению на листогибочной машине или прессе. Полуобечайки, изготовленные штамповкой и имеющие отклонения геометрической формы, подвергают калибровке на прессе. После контроля обечайки подают на сборку стыка продольного шва, а полуобечайки — на газовую отрезку припуска и (при необходимости) на механическую обработку кромок на продольно-фрезерном или продольно-строгальном станках.

а) — автоматической дуговой; б) — электрошлаковой; 1 — вводная планка;

2 — технологическая планка; 3 — контрольная пластина; 4 — выводная планка;

5 — технологическая скоба.

Рисунок 2 — Сборка продольного стыка обечайки для сварки:

Стыки продольного шва обечаек с одним швом для автоматической дуговой сварки под флюсом собирают в горизонтальном положении на механизированных роликовых кантователях с помощью технологических сборочных планок 2 (рис. 2, а). При сборке стыка кромки выравнивают так, чтобы местное их смещение между собой не превышало 10% номинальной толщины (но не более 3 мм), обеспечивая по всей длине стыка зазор, установленный для применяемого сварного соединения. Ось стыка обечайки должна совпадать с ее образующей. Сборочные планки 1, 2 и 4 устанавливают с наружной стороны и приваривают.

Если обечайка выполнена под электрошлаковую сварку (кромки продольного стыка после вальцовки сомкнуты), то стык скрепляют технологическими приварными скобами 5. Скобы устанавливают внутри обечайки на расстоянии не более 600 мм одну от другой (рис. 2, б). Для создания жесткости и предупреждения увеличения зазора в процессе сварки обязательно устанавливают скобу на расстоянии 300 мм от места, с которого начинают сварку, и две скобы на расстоянии 200 мм от конца шва. Необходимый для сварки зазор между кромками вырезают газорезательным полуавтоматом, который закрепляют на наружной поверхности обечайки. При большой толщине стенки зазор получают механической обработкой на продольно-строгальном или продольно-фрезерном станке.

Для выполнения начала соединения обечаек и обеспечения провара кромок торец обечайки устанавливают на начальную надставку, а для окончания сварки к противоположному торцу обечайки приваривают выводные планки 4, которые являются продолжением швов и одновременно могут быть контрольными пластинами 3 для вырезки из них образцов для проведения механических испытаний и шлифов для металлографического исследования. Сварку контрольных пластин можно производить также отдельно от обечайки.

Сборку стыков двух полуобечаек под электрошлаковую сварку производят в горизонтальном положении. Совмещение кромок двух полуобечаек с отклонением, аналогичным для автоматической сварки под флюсом, производят путем подбора полуобечаек с минимальным расхождением по ширине в пределах 6 мм. Полуобечайку устанавливают на кантователь кромками вверх и выставляют так, чтобы кромки находились в горизонтальном положении. На обе кромки полуобечайки укладывают дистанционные пластины для обеспечения необходимого зазора под сварку, устанавливают вторую полуобечайку, совмещая кромки продольного стыка и торцы полуобечаек. Полуобечайки скрепляют скобами 5. Устанавливают надставки и приваривают выводные планки 4.

При сборке полуобечаек из стали марки 16ГНМА все технологические элементы (скобы, выводные планки и др.) привариваются в пределах технологического припуска на длину по двум торцам обечайки. Стыкуемые кромки и прилежащие к ним поверхности основного металла зачищают до металлического блеска на ширину не менее 20 мм для автоматической дуговой сварки под флюсом и не менее 60 мм для электрошлаковой сварки. Подготовленные под сварку обечайки подвергают контролю.

При автоматической дуговой сварке под флюсом подварочный шов (см. рис. 2, а) продольного стыка обечайки диаметром более 1200 мм с толщиной стенки 8 мм и более обычно производят сварочным трактором ТС-17М, а при диаметре менее 1200 мм — ручной дуговой сваркой. Ручную дуговую сварку подварочного шва выполняют в два прохода, чтобы обеспечить перекрытие кромок и наложение последнего «отжигающего» валика, при постоянном токе обратной полярности электродами диаметром 4… 5 мм. После каждого прохода зачищают шов и кромки от шлака и брызг. После завершения подварочного шва удаляют технологические сборочные планки. Основной шов выполняется автоматической сваркой под флюсом. После каждого прохода шов очищают от шлака.

После сварки сборочные планки, скобы и другие технологические приварные детали удаляют, поверхность обечайки в месте приварки технологических деталей зачищают. Порезы основного металла при этом не допускаются. Отрезаются контрольные пластины, которые подвергают термической обработке вместе с обечайкой. Для обечаек из стали 16ГНМА термическую обработку проводят при температуре (930 ± 10) со скоростью нагрева не выше 250°С/ч, временем выдержки 5 ч, охлаждают изделие на выдвинутой подине.

Обечайки, вальцованные с одним или двумя продольными швами, подвергают калибровке. Термическую обработку швов обечаек, выполненных электрошлаковок сваркой, для сталей 20К, 22К, 09Г2С и 16ГС совмещают с нагревом под калибровку. Обечайки и контрольные пластины укладывают на подставки выдвижного пода камерной печи продольным швом к боковой стене печи. Подина с обечайкой и пластинами задвигается в холодную или разогретую до температуры не выше 700 °C печь и нагревается со скоростью не выше 200 °C до температуры 950… 1000 °C. После равномерного прогрева проводится выдержка из расчета 0,5… 0,75 мин на 1 мм толщины стенки обечайки. Затем обечайка подается на вальцы для правки (калибровки).

Калибровка обечаек предназначена для придания им правильной формы. Правка на валковых листогибочных машинах состоит из трех основных переходов:

1) нагружение — деформирование участка контура обечайки, находящегося между боковыми валками, путем их подъема или опускания верхнего валка;

2) выкатка — вращение обечайки после нагружения при постоянном радиусе изгиба;

3) разгрузка — уменьшение деформации участка контура обечайки, находящегося между боковыми валками, путем их опускания или подъема верхнего валка.

Существенное влияние на точность правки оказывает схема разгрузки. Оптимальной схемой разгрузки считается такая, при которой обеспечивается равномерное последовательное уменьшение деформации по контуру. Наиболее удачной можно считать схему разгрузки через 0,75 -1,25 оборота, обеспечивающую уменьшение деформации равномерно в четырех точках по окружности, а, следовательно, минимальную овальность. Чем больше циклов разгрузки, тем выше точность обечайки. Овальность в пределах 0,5… 1,6% диаметра обеспечивается за четыре цикла.

Овальность обечаек в любом сечении не должна превышать 1%, но не более 20 мм для барабанов диаметром 2 м и более:

где и — соответственно наибольший и наименьший наружный диаметр обечайки, измеренный в одном сечении.

Если овальность, а = 1… 3%, то разрешается холодная калибровка на прессе или вальцах с последующим высоким отпуском. Контроль овальности обечайки может производиться в процессе правки и после съема ее с машины (рис. 3). Стойка 1 крепится струбцинами 2 к площадке машины. Ролик 3, постоянно касаясь поверхности обечайки, копирует отклонение от цилиндрической формы, которое определяется по шкале 4. Приспособление может работать независимо от температурного состояния обечайки. Применяют также оптические приборы для бесконтактной оценки отклонения от цилиндрической формы обечаек во время правки, которую оператор выполняет с пульта управления. Оптический метод измерения основан на использовании теодолита. Овальность обечаек после их съема с машины проверяется контролером.

Наружные и внутренние поверхности готовых обечаек подвергают очистке от окалины и загрязнений в дробеструйной камере или газопламенным способом. Швы и околошовную зону с внутренней и наружной стороны шлифуют поперек сварного шва. Сварной шов подвергают измерению, внешнему осмотру и контролю: ультразвуковой дефектоскопией (УЗД) по всей длине шва при толщине стенки 30 мм и более; ультразвуковой дефектоскопией или рентгенографированием по всей длине шва при толщине стенки менее 30 мм; магнитной порошковой дефектоскопией (МПД) при рабочем давлении в барабане 10 МПа и выше.

Рисунок 3 — Контроль овальности обечаек диаметром 800… 3200 мм

В случае удовлетворительных результатов контроля и механических испытаний обечайки подают на кромкообтачной или токарно-карусельный станок для обработки торцов. Производят подрезку и обработку скоса кромок для сварки кольцевых стыков с обязательным контролем перпендикулярности торцов относительно оси обечайки. Предельное отклонение от перпендикулярности не должно превышать 2 мм при наружном диаметре до 1000 мм, 3 мм при диаметре 1000… 1500 мм и 4 мм при диаметре 1500… 2300 мм.

2.2 Сборка, сварка и термическая обработка обечаек барабана

Корпус барабана с одним или двумя продольными швами (рис. 4) состоит из одной обечайки 3 и двух днищ 1. Такие барабаны изготовляют для котлов малой производительности среднего и низкого давления. Корпус барабана с одним продольным швом выполняют, если размеры развертки его цилиндрической части не превышают размеров листов, предусмотренных стандартами или техническими условиями на их поставку. В противном случае его изготовляют из двух полуобечаек, сваренных между собой двумя продольными швами. Корпус барабана с кольцевыми швами (рис. 5) состоит из нескольких обечаек с одним или двумя продольными швами, соединенных между собой кольцевыми швами, и двух днищ. Барабаны с такими корпусами при рабочем давлении 10 МПа и выше применяются в современных барабанных паровых котлах.

а) — с двумя продольными швами; б) — с одним продольным швом; 1 — днище; 2,

4 — продольные швы; 3 — обечайка; 5, 6 — полуобечайки.

Рисунок 4 — Корпус барабана с одной обечайкой с продольным швом:

1 — продольный шов обечайки; 2 — кольцевой шов; 3 — обечайка; 4 — днище

Рисунок 5 — Корпус барабана из нескольких обечаек, соединенных кольцевыми швами

Технологический процесс производства барабана с кольцевыми швами включает ряд типовых операций, применяемых при изготовлении первых двух типов барабанов, хотя каждому из них присущи свои особенности. Значительное влияние на технологический процесс оказывает марка стали, из которой изготавливается корпус барабана.

Рассмотрим производство барабана с кольцевыми швами, состоящего из нескольких обечаек. Обычно их изготовляют из двух частей — полукорпусов. Каждый полукорпус включает одну или несколько обечаек и днище, соединенных между собой кольцевыми сварными швами. Полукорнуса собирают со всеми приварными деталями, входящими в барабан, после чего выполняют замыкающий кольцевой стык двух полукорпусов. Сборку деталей внутреннего сепарационного устройства на болтах или сваркой к приварным деталям крепления выполняют в корпусе.

Разбивка барабана на две составные части позволяет организовать сборку двух полукорпусов параллельно, что сокращает производственный цикл изготовления барабана, повышает точность сборки ввиду сокращения суммирования погрешностей, создает более благоприятные условия для выполнения внутренних работ.

Для сборки цилиндрической части полукорпусов подбирают обечайки и днища, наиболее близкие по диаметрам, для обеспечения устанавливаемых правилами котлонадзора допускаемых смещений свариваемых кромок с наружной стороны шва.

2.3 Сборка и сварка полукорпуса барабана

Обечайки с нанесенными четырьмя основными осевыми линиями устанавливают на роликовый кантовательный стенд и выставляют одну относительно другой со смещением швов в соответствии с чергежом. При совмещении кромок стыкуемых обечаек выдерживают необходимый для автоматической дуговой сварки зазор между ними. Сборку кольцевого стыка выполняют таким образом, чтобы перекос двух стыкуемых обечаек не превышал 2 мм на 1 м длины, а несовпадение кромок распределяют по возможности равномерно в допустимых пределах.

Кольцевые стыки скрепляют технологическими приварными деталями с наружной стороны. Приварка технологических деталей к полукорпусу из стали 16ГНМА и 22К (на давление 10 МПа и выше) производится аналогично сварке основных элементов. Подобным образом выполняется сборка кольцевого стыка с днищем. При этом обеспечивают соответствующее положение отверстия лаза. Большие оси овальных лазов должны совпадать с горизонтальной осью барабана. Перед сваркой свариваемые кромки, а также внутренние и наружные поверхности, прилегающие к ним, зачищаются на ширину не менее 20 мм.

Подварочный шов при диаметре обечаек 1100… 1200 мм производят сварочным трактором ТС-17М, а при меньшем диаметре — ручной дуговой сваркой. При толщине подварочного шва более 24 мм вместо флюсовой подушки разделку с наружной стороны уплотняют сухим асбестовым шнуром диаметром 20… 30 мм.

Сварку подварочного шва ведут на постоянном токе обратной полярности непрерывно до окончания. После каждого прохода очищают шов и кромки разделки от шлака и брызг. Со стороны основной разделки удаляют асбестовый шнур и обрабатывают корневую часть с помощью пневмозубила и шлифовкой.

Для выполнения основного шва полукорпус укладывают на роликовый кантователь сварочного автомата, например портального типа. Удаляют механическим способом технологические приварные планки. Сварку кольцевых швов из стали 09Г2С, 16ГС и 22К толщиной более 40 мм, а также из стали 16ГНМА независимо от толщины выполняют многослойно под флюсом на постоянном токе обратной полярности с подогревом. Нагрев производят по кольцу шириной не менее 350 мм по обе стороны от оси шва до температуры 120… 150 °C для стали 09Г2С и 16ГС и до температуры не ниже 150 °C для стали 22К и 16ГНМА. Вместе с изделием аналогично сваривают контрольный кольцевой образец, который должен пройти термическую обработку вместе с полукорпусом при отпуске после сварки кольцевых швов и при отпуске после сварки внутрибарабанных элементов и штуцеров, а также при возможном дополнительном отпуске в связи с ремонтом швов. Перед посадкой в печь на механически обработанные поверхности наносят огнеупорную обмазку.

Сваренные кольцевыми швами полукорпуса, выполненные из стали 16К и 20К при толщине стенки более 36 мм или из стали 22К, 16ГС и 09Г2С при толщине стенки более 30 мм, подвергают промежуточному отпуску, который можно проводить после приварки штуцеров и внутрибарабанных устройств. Полукорпуса из стали 16ГНМА после сварки кольцевых швов подвергают промежуточному отпуску.

Полукорпус помещают на подставки по оси пода печи. Внутрь полукорпуса или рядом с ним укладывают контрольные образцы. Подина с полукорпусом и образцами задвигается в холодную или разогретую печь. Нагрев осуществляют со скоростью не более 200°С/ч и до температуры 600… 620 °C. По достижении заданной температуры и равномерного прогрева проводятся выдержка (из расчета 3 мин на 1 мм толщины стенки) и охлаждение на выдвинутой подине на воздухе. Контроль и регистрация температурного режима нагрева и выдержки осуществляются с помощью термопар по диаграмме самопишущего электронного потенциометра. Контрольные образцы хранятся до окончательной термической обработки барабана.

После термической обработки зачищают кольцевые швы и околошовные зоны с внутренней и наружной сторон шлифовкой поперек сварного шва шириной не менее 150 мм по обе стороны от оси шва. Шлифуют все места приварки технологических планок, скоб и других деталей и прилегающих участков не менее 100 мм с каждой стороны на глубину 1… 1,5 мм для последующего контроля МПД. Качество кольцевых сварных швов контролируют: внешним осмотром; измерением швов и проверкой их соответствия требованиям чертежа; УЗД по всей длине шва для барабанов с толщиной стенки более 30 мм; УЗД рентгенографированием по всей длине шва для барабанов с толщиной стенки менее 30 мм; рентгенографированием всех мест сопряжения продольных и поперечных сварных соединений, подвергаемых ультразвуковому контролю; магнитной порошковой дефектоскопией для барабанов на рабочее давление 10 МПа и выше для обнаружения трещин на поверхности сварных швов и прилегающих к ним зон основного металла.

При неудовлетворительных результатах выполняют ремонт и повторяют контроль. Механические свойства металла шва и околошовной зоны определяют после проведения полного цикла термической обработки контрольных пластин вместе с полукорпусом.

2.4 Обработка отверстий, сборка и приварка штуцеров и приварных деталей

Проверенный полукорпус барабана устанавливают на механизированный кантователь для разметки отверстий под штуцера и мест приварки приварных деталей крепления внутрибарабанного сепарационного устройства и др. Разметку образующих линий центров отверстий выполняют по чертежу от основных осевых линий. При этом все размеры по дуге пересчитывают по фактическим размерам с сохранением углов по чертежу.

Обработку отверстий для установки и приварки штуцеров или развальцовки труб производят на радиально-сверлилъных (в том числе перекатных), расточных или специальных станках сверлильной или расточной групп с ЧПУ. Все отверстия сверлят по разметке. Обработку отверстий на станках с ЧПУ можно выполнять без разметки. Поверхность обработанного отверстия должна иметь параметр шероховатости Rz = 20… 40 мкм, а для барабанов на рабочее давление до 2,4 МПа под развальцовку труб Rz = 40… 80 мкм. На внутренней поверхности барабана с толщиной стенки 20… 50 мм все кромки отверстий следует притупить. У барабанов с толщиной стенки более 50 мм в отверстиях диаметром 60 мм и более, не предназначенных для развальцовки труб, снять фаски размером 10×10 мм, а у отверстий диаметром менее 60 мм — 3×3 мм.

Штуцера диаметром 108, 133 и 159 мм толщиной стенки до 17 мм приваривают автоматической дуговой сваркой под флюсом многослойно на постоянном токе обратной полярности. Штуцера других диаметров, пароводяные рубашки, детали крепления внутрибарабанного сепарационного устройства, перегородки, кронштейны и опорные узлы приваривают ручной дуговой сваркой на постоянном токе обратной полярности. Поверхность кромок штуцеров, пароводяных рубашек, других приварных элементов и полукорпуса шлифуют до сборки от окалины и ржавчины до основного металла на ширину не менее 20 мм. Поверхность основного металла зачищается на 5… 10 мм больше катета шва.

Штуцера и пароводяные рубашки устанавливаются в проточку отверстия и прихватываются к корпусу. Отклонение по высоте штуцера, смещение его оси в поперечном и продольном направлениях по отношению к оси отверстия барабана, перекос в поперечном или продольном направлении не должны превышать допускаемых значений.

Полукорпус после сборки со всеми штуцерами и приварными элементами устанавливают на механизированный кантователь, вдоль которого перемещается тележка с консольным сварочным аппаратом (подвесной головкой для приварки штуцеров). Подъем и опускание головки производится с помощью пневмоцилиндра. Во время сварки положение сварочного аппарата жестко фиксируется относительно штуцера. Сварка осуществляется при вращении сварочного аппарата относительно штуцера. В каждом слое шва перекрытие замка должно составлять 20… 25 мм. Замок каждого последующего слоя смещается относительно замка предыдущего на 50… 70 мм. Механические испытания сварных соединений всех штуцеров и металлографические исследования сварных соединений штуцеров, не подвергающихся ультразвуковому контролю, проводят на контрольных сварных пластинах. Прихватка и приварка штуцеров, пароводяных рубашек и других приварных деталей к корпусу из стали 16ГНМА производятся с предварительным подогревом до температуры 120… 150 «С.

После приварки всех элементов полукорпус подают на сверлильный или расточной станок для расточки штуцеров, сваренных на все сечение, с удалением подкладных колец и обрабатывают торцы штуцеров под установку и приварку заглушек.'

Полукорпуса с приваренными штуцерами, заглушками, пароводяными рубашками, деталями крепления внутрибарабанного устройства и другими элементами при толщине стенки барабана более 36 мм из сталей 16К и 20К, при толщине стенки свыше 30 мм из сталей 22К, 16ГС, 09Г2С и при любой толщине из стали 16ГНМА подвергают термической обработке — окончательному отпуску, Полукорпус укладывают на подставки, установленные на подине печи. Контрольные сварные пластины приварки штуцеров и контрольные сварные пластины продольных и кольцевых швов, в том числе прошедшие промежуточный отпуск, укладывают внутрь полукорпуса или рядом с ним. Нагрев осуществляют со скоростью не более 200°С/ч до температуры 630… 660 °C для сталей 16К, 20К, 22К, 16ГС и 09Г2С и до температуры 640… 670 °C для стали 16ГНМА.

По достижении температуры нагрева по показаниям всех термопар и выравнивании температуры печи и металла полукорпуса назначается выдержка из расчета 2… 2,5 мин на 1 мм толщины для сталей 16К, 20К, 22К, 16ГС, 09Г2С и 3 мин на 1 мм толщины для стали 16ГНМА. После окончания выдержки печь охлаждается до температуры 400 °C со скоростью не более 100°С/ч, а затем на выдвинутой подине на воздухе. Контроль температурного режима производят электронным автоматическим потенциометром. Контрольные сварные пластины передают на изготовление образцов.

Полукорпус, прошедший окончательный отпуск, подвергают очистке от окалины и грязи. Поверхности сварных швов и прилегающих к ним участков основного металла шлифуют на ширину не менее 20 мм в обе стороны от шва до основного металла. Контроль качества сварных соединений штуцеров, выполненных сваркой на все сечение, осуществляют внешним осмотром, измерением и ультразвуковой дефектоскопией. Приварку штуцеров угловым швом, не подвергающихся неразрушающему контролю, проверяют металлографическим исследованием на одном образце, вырезанном из каждого контрольного сварного соединения.

Образцы должны включать сечение шва, зоны термического влияния и прилегающие к ним участки основного металла на расстоянии не менее 15 мм. В случае получения неудовлетворительных результатов проводят повторное исследование на двух образцах, вырезанных из тех же контрольных пластин.

2.5 Сборка полукорпуса барабана

Проверенные полукорпуса поступают на сборку кольцевого замыкающего стыка на роликовый кантовательный стенд. В процессе сборки выдерживают предельные допускаемые отклонения на перекос и смещение кромок.

Подварочный шов замыкающего кольцевого стыка выполняют дуговой сваркой, а основной — автоматической дуговой иод флюсом на установке портального или другого типа. После сварки подварочного шва приваривают детали внутреннего устройства барабана в зоне кольцевого шва.

Местную термическую обработку замыкающего стыка производят по режиму высокого отпуска в разъемной кольцевой газовой, электрической или индукционной печи.

После очистки наружной и внутренней поверхности от окалины зачищают швы и околошовные зоны с двух сторон шлифовкой поперек сварного шва. Контроль качества замыкающего стыка осуществляют аналогично контролю кольцевых сварных швов. При положительных результатах контроля неразрушающими методами, механических испытаний и металлографических исследований корпус барабана подают на гидравлический стенд для проведения гидроиспытания.

2.6 Гидроиспытание барабана

Гидроиспытания проводят при давлении воды, равном 1,25 расчетного рабочего давления, или другом пробном давлении, указанном в чертежах. На гидравлическом стенде установлены два насоса: низкого давления для быстрого заполнения водой барабана и высокого давления для создания необходимого при испытании давления. Давление измеряют двумя манометрами, один из которых установлен на барабане, а другой — на насосной установке. Манометры выбирают с такой шкалой, чтобы верхний предел измерения давления находился в области 2/3 шкалы. Гидростенд оборудован сливом для воды, соединенным с системой оборотного водоснабжения, и механизированным кантователем.

Барабан помещают на кантователь гидростенда, закупоривают все отверстия и штуцера заглушками и приспособлениями по технологическому процессу, устанавливают и уплотняют лазовые затворы, оставляя открытыми отверстия для подсоединения насоса высокого давления, манометра и наполнения водой. Предусматривают отверстие для выпуска воздуха, чтобы предотвратить образование воздушных карманов при наполнении водой. Барабан кантуют таким образом, чтобы заглушки были направлены вверх или вниз, а в случае горизонтального их расположения находились не выше стен ограждения гидравлического стенда.

После заполнения барабана водой от насоса низкого давления, установки манометров, подсоединения насоса высокого давления и полной герметизации барабан обдувают сжатым воздухом для просушки поверхности. После повышения давления воды до пробного и выдержки не менее 5 мин давление снижают до рабочего и проводят контрольный осмотр всех швов и основного металла барабана, плотность лазовых затворов. В случае появления течи в местах соединения с приспособлениями уплотнение производят после снятия давления. Дефекты, обнаруженные в сварных швах или основном металле, исправляют только после полного удаления воды из барабана. Барабан бракуется при выявлении любой неплотности: течи, просачивания воды (слез) в виде капель, потения поверхности шва или основного металла. Все исправленные места сварных швов подлежат обязательному повторному контролю и гидроиспытанию.

После гидроиспытания и осмотра давление снимают, барабан разуплотняют, сливают воду, просушивают внутри сжатым воздухом или другим способом и осматривают, выявляя наличие ржавчины, трещин и посторонних предметов. Приваренные заглушки на штуцерах отрезают газовой резкой или механической обработкой. Кромки штуцеров под приварку труб на монтаже обрабатывают на металлорежущих станках, применяемых при обработке отверстий с помощью двухрезцовых головок (оправок). При наличии на барабане отверстий под развальцовку труб производят их обработку.

Внутреннюю полость барабана очищают от стружки, грязи, просушивают и подвергают магнитной порошковой дефектоскопии на расстоянии 30 мм вокруг отверстий под штуцера для барабанов на рабочее давление 10 МПа и выше.

Сборку деталей внутрибарабанного сепарационного устройства производят в барабане путем приварки их к приваренным к корпусу барабана промежуточным деталям. Затем выполняют окончательную очистку внутренней полости барабана и устанавливают лазовые затворы.

Барабан после приемки и набивки клейма окрашивают с помощью установок безвоздушного распыления типа УБРХ-1 или другими на окрасочном участке, оборудованном необходимой вентиляцией, для защиты от атмосферной коррозии не менее чем на 12 мес. с момента их отправки с предприятия-изготовителя. Для предохранения от загрязнения и коррозии все отверстия в барабане и обработанные поверхности смазывают антикоррозионным смазочным материалом, после чего отверстия закрываются заглушками или колпачками (внутренними или наружными) из полиэтилена.

3. Анализ расчётов технологических процессов изготовления обечаек и днищ барабана котла

3.1 Технологический расчёт изготовления обечаек барабана котла на четырёхвалковой листогибочной машине

Способы изготовления обечаек на валковых листогибочных машинах

Обечайками называют отдельные цилиндрические детали, из которых составляют (собирают) цилиндрическую часть барабана котла.

Обечайки барабана могут быть изготовлены путем гибки стальных листов на валковых листогибочных машинах и гибкой листов с использованием гидравлических прессов. Технологический процесс изготовления обечаек барабана на валковых листогибочных машинах получил название вальцовка обечаек, а при использовании гидравлических прессов — штамповка обечаек.

Валковые листогибочные машины (вальцы), используемые для изготовления обечаек барабана конструктивно могут быть трехвалковыми симметричными, трехвалковыми асимметричными и четырехвалковыми.

Наиболее простыми из перечисленных, являются трехвалковые симметричные листогибочные машины, однако они не обеспечивают заданную кривизну изготавливаемых обечаек по всей окружности — их кромки остаются не загнутыми. Эти не загнутые кромки нужно либо обрезать, либо предварительно где-то подгибать, либо вторично вальцевать обечайку после сварки ее кромок (производить калибровку).

Трехвалковые ассиметричные листогибочные машины были разработаны для того, чтобы более качественно осуществлять подгибку кромок вальцуемых обечаек, без применения дополнительных технологических операций. Это обеспечивалось несимметричной установкой одного из боковых валков, что позволяло подгибать вначале одну, а затем, при перестановке листа, и другую кромку обечайки. Однако ассиметричные листогибочные машины широкого распространения не получили вследствие того, что при гибке листов на валках таких машин существенно увеличиваются усилия, что требует большой мощности привода даже при изготовлении относительно тонкостенных обечаек.

Четырехвалковые листогибочные машины конструктивно выполнены так, что могут работать как по схеме трехвалковых асимметричных машин, применяемой для подгибки кромок, так и по схеме трехвалковых симметричных машин, используемой при вальцовке основной части обечайки. Такое конструктивное свойство четырехвалковых листогибочных машин обеспечивает качественное изготовление обечаек без существенного усложнения технологического процесса.

Валковые листогибочные машины целесообразно использовать для изготовления относительно тонкостенных обечаек, толщиной не более 40−50 мм. Применение их для изготовления толстостенных обечаек требует значительного увеличения мощности привода и нагрева заготовки.

Тем не менее, валковые листогибочные машины широко применяются на котлостроительных заводах при изготовлении обечаек барабанов котлов низкого, среднего и высокого давления. При этом тонкостенные обечайки изготавливаются в «холодном» исполнении, а толстостенные — с нагревом заготовки.

Цель расчета

Целью технологического расчета вальцовки обечайки являются: определение способа вальцовки (в горячем или в холодном состоянии); определении максимальной длины обечайки; определение необходимого числа проходов листа через листогибочную машину; определение необходимой величины противодавления на консолях верхнего валка; проверка прочности верхнего валка; определение максимально допустимой скорости вальцовки.

Исходные данные

Внутренний диаметр барабана

Длина цилиндрической части барабана

Толщина стенки цилиндрической части

Материал — сталь марки 20К

Конструктивные характеристики листогибочных машин

Определение способа вальцовки

Способ вальцовки принимается в горячем состоянии, так как

Расчет максимальной длины обечайки и потребного числа обечаек

Расчетная температура металла в конце гибки равна

Горячий предел прочности при расчетной температуре в конце гибки

Коэффициент вальцовки при горячей гибки

Геометрический параметр для восьмиметровой машины

Максимальная длина обечайки при горячей гибки листа на восьмиметровой машине

Так как подкоренное значение получается с отрицательным знаком, то максимальную длину обечайки примем равную расстоянию между опорами верхнего валка.

Геометрический параметр для тринадцатиметровой машины

Максимальная длина обечайки при горячей гибки листа на тринадцатиметровой машине

Так как подкоренное значение получается с отрицательным знаком, то максимальную длину обечайки примем равную расстоянию между опорами верхнего валка.

6 Определение числа обечаек

Потребное число обечаек при горячей гибки на восьмиметровой машине

Длина обечаек при горячей гибки на восьмиметровой машине

Потребное число обечаек при горячей гибки на тринадцатиметровой машине

Длина обечаек при горячей гибки на восьмиметровой машине

Определение оптимального количества и размеров обечаек барабана

Для вальцовки обечаек принимается четырехвалковая тринадцатиметровая листогибочная машина, позволяющая изготовить цилиндрическую часть барабана из меньшего числа обечаек.

Расчет необходимого числа проходов листа через валки листогибочной машины

Необходимое число проходов листа через листогибочную машину для гибки прямого листа до конечного радиуса, равного внутреннему радиусу обечайки определяется методом подбора радиусов гиба в конце промежуточных проходов, при котором выполняется условие

Расчет первого прохода

Радиус гиба в начале первого прохода

(прямой лист).

Внутренний радиус гиба в конце первого прохода (принимается 2,5 диаметра верхнего валка)

Средний радиус гиба в конце первого прохода

Расчетная температура вальцовки

Горячий предел прочности при расчетной температуре [2, табл. 3.1]

Момент сопротивления сечения листа

Изгибающий момент при вальцовке листа в горячем состоянии

Начальное расстояние между нижним и боковыми валками

Усилие на боковых валках в начале первого прохода

Угол между направлением действия сил боковых валков и направлением их перемещения в конце прохода

Угол между направлением действия сил боковых валков и вертикалью в конце прохода при

Усилие на боковых валках в конце первого прохода

Среднее значение усилий на боковых валках за первый проход

Усилие на верхний валок в начале первого прохода

Усилие на верхний валок в конце первого прохода

Среднее значение усилия на верхний валок за первый проход

Усилие прижима нижнего валка (принимается)

Крутящий момент, затрачиваемый на преодоление сопротивления трения в подшипниках боковых и нижнего валков

Коэффициент трения скольжения в подшипниках боковых и нижнего валков

Крутящий момент, затрачиваемый на преодоление сопротивления трения в подшипниках бокового и нижнего валков,