Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РЕМОНТА ВМЯТИН НА СОСУДАХ

Изобретение относится к области ремонта сосудов, работающих под давлением и содержащих на корпусе дефекты в виде вмятин недопустимых размеров, с применением сварки и может быть использовано в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей промышленности, а также в других отраслях промышленности, например, для ремонта вмятин на воздухосборниках. Метод применим также для трубопроводов больших диаметров.

Известен способ ремонта герметичных емкостей химических производств, заключающийся в том, что готовят чертеж прямого сечения развертки поверхности ремонтируемой емкости. Затем получают шаблон в виде наклонного элемента на угол 35-55°. Вырезают листовые элементы по шаблону и формуют их штамповкой или вальцовкой. Устанавливают листовые элементы на поврежденной поверхности с зазором между элементами равным 3,5-5,0 толщины листа. После этого приваривают их по контуру, а зазор заполняют присадочным материалом с повышенной коррозионной стойкостью [Патент №2036766 от 09.06.1995. Способ ремонта емкостей]. Однако известный способ нельзя применить для ремонта емкостей изготовленных из сталей перлитного класса, например из сталей 20, 20К, 09Г2С и др., так как используемые присадочные материалы с повышенной коррозионной стойкостью, например ЭА-395/9, создают аустенитную структуру сварного шва. Наличие разных структур металла в зоне ремонта из-за различного электрохимического потенциала указанных зон создадет в электропроводной среде, которая всегда присутствует в сосудах химической промышленности в виде самой среды или ее конденсата, электрохимическую коррозию, которая приведет к быстрому разрушению ремонтных элементов.

Известен другой способ ремонта герметичной емкости с применением сварки, при котором на дефектный участок накладывают заплату с выполненными на торцах скосами. Заплату обваривают герметизирующим швом. Скосы заполняют бетоном, после затвердевания которого заплату приваривают к емкости сварными швами с применением промежуточных элементов в виде полос [Авт. св. №1360952 от 23.12.1987. Способ ремонта емкостей]. Однако этот способ ремонта сложен, а при проведении его требуются различные материалы: промежуточные в виде отверждаемого наполнителя, например бетона, дополнительные элементы и др. Кроме того, в конструкции ремонтного соединения присутствует большое количество угловых сварных швов, в которых по сравнению со стыковыми швами и угловыми со сквозным проплавлением присоединяемого элемента возникает повышенная концентрация напряжений в местах перехода от сварного шва к основному металлу. Это обстоятельство при работе сосуда способствует возникновению трещин в местах концентрации и разрушению сосуда.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ ремонта емкости, имеющей повреждение в виде вмятины, при котором изготавливают заплату, по размерам и форме соответствующую поврежденному участку, на внутренней поверхности заплаты выполняют выступ, по форме и объему аналогичный вмятине, во вмятине размещают самотвердеющую смесь, накладывают заплату на ремонтируемый участок, в результате чего самотвердеющая смесь заполняет полость между заплатой и емкостью за счет выдавливания ее выступом в заплате и приваривают заплату по периметру к емкости [Авт. св. №1419845 от 30.08.1988. Способ ремонта емкости]. Однако этот способ ремонта вмятин сложен и требует формирования на заплате выступа, по объему и форме соответствующего вмятине, что трудно обеспечить даже в случае применения механической обработки выступа после его наплавки. Кроме того, ремонтное соединение выполнено внахлестку и содержит угловой шов с конструктивным непроваром в корне, наличие которого на корпусе сосуда создаст высокую концентрацию напряжений в стенке, что отрицательно скажется на прочности корпуса, и прочность такого ремонтного соединения будет недостаточна. Применение угловых швов с конструктивным непроваром допускается на сосудах, работающих под давлением, только на неосновных элементах сосуда, например для приварки накладок на стенку сосуда в местах расположения опор и др. [см. ГОСТ Ρ 52630-2012, п. 6.9.1, стр. 40]. Для основных элементов сосуда применение таких швов недопустимо.

Технической задачей заявляемого изобретения является упрощение способа ремонта и повышение прочности ремонтного соединения стенки корпуса сосуда с вмятиной без использования самотвердеющих композиций в ремонтной конструкции.

Данный технический результат достигается тем, что в способе ремонта вмятин на корпусе сосудов, при котором изготавливают заплату по размерам и форме соответствующую поврежденному участку, заплату накладывают на ремонтируемый участок и приваривают заплату по периметру к сосуду основным сварным швом. Заплату располагают во вмятине, концентрично наружной поверхности корпуса, за радиусным переходом от корпуса сосуда к вмятине, на расстоянии, равном толщине заплаты от ее внутренней поверхности до радиусного перехода, и выполняют на торце заплаты скос под углом 55±5° к плоскости вмятины по контуру заплаты. Причем заплату можно изготавливать по форме не повторяющей форму поверхности сосуда, а в виде плоской пластины. На основной сварной шов, приваривающий заплату к вмятине, накладывают дополнительный в месте перехода от основного шва к радиусу на вмятине, а затем его механически обрабатывают для обеспечения плавного перехода от шва к радиусу вмятины с целью снижения концентрации напряжений в этой зоне.

На Фиг. 1 показан разрез подготовленной заплаты во вмятине круглого в плане вида под приварку, где 1 - радиусный переход от вмятины к стенке сосуда; 2 - заплата; 3 - обработанный торец на заплате под углом 55±5°; 4 - вмятина.

На Фиг. 2 изображена заплата, обваренная по контуру во вмятине, где 1 - радиусный переход от вмятины к стенке сосуда; 2 - заплата; 5 - сварной шов.

На Фиг. 3. изображено распределение максимальных напряжений на вмятине цилиндрической обечайки воздухосборника.

На Фиг. 4 изображено распределение максимальных напряжений на вмятине цилиндрической обечайки воздухосборника, содержащей приваренную ремонтную концентрично расположенную поверхности сосуда заплату.

На Фиг. 5 изображено распределение максимальных напряжений на вмятине цилиндрической обечайки воздухосборника, содержащей приваренную ремонтную плоскую заплату.

Способ ремонта вмятин на сосудах заключается в следующем. Вначале по размеру вмятины в ее сечении на расстоянии от начала радиусного перехода от вмятины к стенке сосуда, равном толщине заплаты, изготавливают шаблон. Затем по шаблону вырезается листовая заготовка, которая формуется по форме, концентричной форме стенки сосуда, в месте расположения вмятины. Торец заплаты обрабатывается по контуру под углом 55° к поверхности вмятины. Изготовленная таким образом заплата вставляется во вмятину (Фиг. 1). Затем заплата приваривается к стенке швом со сквозным проплавлением присоединяемого элемента по контуру заплаты, как показано на Фиг. 2.

Рассмотрим конкретный пример осуществления предложенного способа ремонта вмятин на сосудах.

На обечайке воздухосборника объемом 25 м³, нагруженного внутренним давлением 0,784 МПа (8 кгс/см²), с толщиной стенки 8 мм и изготовленного из стали 09Г2С, сформирована круговая в плане вмятина диаметром 250 мм и глубиной 80 мм, подобная показанной на Фиг. 1. Радиус перехода от вмятины к стенке сосуда принят минимально возможным, по внутренней поверхности обечайки равным 8 мм (равным толщине обечайки). Произведен расчет напряжений, возникающих от такой вмятины в обечайке сосуда, методом МКЭ в программе ANSYS. Результаты расчета представлены на Фиг. 3. Величина напряжений в Па и соответствующая им цветовая гамма представлена на Фиг. 3 слева. Из результатов расчета следует, что максимальные напряжения возникают в вертикальных направлениях от центра вмятины на радиусных переходах и их значение равно 487,48 МПа. Такая вмятина считается недопустимой по методике расчета ГОСТ Ρ 52857.11-2007 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Метод расчета на прочность обечаек и днищ с учетом смещения кромок сварных соединений, угловатости и некруглости обечаек» (формула 28, стр. 7):

σ_mах≤3ϕ[σ],

где ϕ - коэффициент прочности сварных швов принят равным 0,7;

[σ] - допускаемые напряжения для материала обечайки при расчетной температуре приняты по ГОСТ Ρ 52857.1-2007, приложение 1, таблица А.1, равными 196 МПа.

В итоге получено: 487,48>411,6, т.е. условие прочности не выполняется и такая вмятина на стенке сосуда является недопустимой, а эксплуатация такого сосуда запрещена.

Приведенной выше вмятине произведен ремонт. Изготавливают заплату по размерам и форме, соответствующую поврежденному участку, заплату толщиной 8 мм располагают во вмятине, концентрично наружной поверхности корпуса, за радиусным переходом от корпуса сосуда к вмятине, на расстоянии, равном толщине заплаты от ее внутренней поверхности до радиусного перехода, и выполняют на торце заплаты скос под углом 55±5° к плоскости вмятины по контуру заплаты (Фиг. 2). В месте перехода от основного шва к радиусу на вмятине может быть наложен дополнительный сварной шов, который затем механически обрабатывают для обеспечения плавного перехода от шва к радиусу вмятины с целью снижения концентрации напряжений в этой зоне.

Заплата может быть выполнена в форме не повторяющей поверхность сосуда, а в виде плоской пластины и приварена по периметру к сосуду основным сварным швом, на которую также может быть наложен дополнительный сварной шов, который затем механически обрабатывают для обеспечения плавного перехода от шва к радиусу вмятины с целью снижения концентрации напряжений в этой зоне.

Расчет напряжений стенки сосуда, содержащей вмятину с ремонтной заплатой, осуществлялся в программе ANSYS. Результаты расчета представлены на Фиг. 4. Характер распределения максимальных напряжений на отремонтированной вмятине не изменился, т.е. максимальные напряжения находятся на радиусном переходе в вертикальном направлении от центра вмятины. Однако они более равномерно распределены по окружности радиусного перехода и их величина уменьшилась почти в 2 раза. Такая вмятина уже допустима по расчету ГОСТ Ρ 52857.11-2007: 252,08<411,6, условие прочности выполняется и такая вмятина на стенке сосуда является допустимой, а эксплуатация такого сосуда разрешена.

Был произведен расчет в ANSYS вмятины, отремонтированной с помощью плоской пластины такой же толщины 8 мм, установленной во вмятине, результаты расчета представлены на Фиг. 5.

Как видно на Фиг. 5, напряжения на радиусном переходе в вертикальном направлении от центра вмятины стали еще меньше (240,97 МПа вместо 252,08 МПа), однако максимальные напряжения появились в зоне перехода от заплаты к радиусному переходу в горизонтальном направлении от центра вмятины и равные 281,13 МПа. Максимальные напряжения на вмятине не превышают допускаемых и такая вмятина является по ГОСТ Ρ 52857.11-2007 допустимой. Для уменьшения концентрации напряжений в зоне перехода от плоской заплаты к радиусному переходу необходимо наложить еще дополнительный сварной шов в этой зоне, а затем его обработать для обеспечения плавного перехода от заплаты к радиусному переходу на вмятине.