При построении технологического процесса изготовления корпуса сосуда перед инженерами ставятся две основные задачи: получение изделия высокого качества, выполняющего в полном объеме в процессе эксплуатации все возложенные на него при проектировании функции, и выработка технологии изготовления с возможными минимальными затратами. Выполняя первую поставленную задачу, на контрольных операциях измеряют определенные параметры, которые позволяют судить о правильности изготовления как отдельных деталей и узлов, так и всего корпуса сосуда. К таким параметрам относятся: пробное давление при гидравлическом испытании корпуса, механические свойства материалов и т. п.
Основные трудности в производстве толстостенных корпусов сосудов заключается в изготовлении и сварке деталей больших размеров и сечений из сталей повышенной прочности. Этот факт следует учитывать при разработке технологии.
Процесс изготовления корпуса толстостенного сосуда состоит из нескольких этапов:
- Производство заготовок. На данном этапе предлагается большое число производственных вариантов;
- Механическая обработка деталей на металлорежущем оборудовании. Деталям предается форма и размеры, необходимые для их сборки и сварки между собой. Так же на данном этапе выполняется операция термообработки материала.
- Сборка и сварка отдельных деталей. Особое внимание следует уделять получению высококачественных сварных соединений.
- Механообработка. Здесь придается корпусу окончательная форма и размеры. На этом этапе обычно обрабатывают все отверстия относительно небольшого размера, а также поверхности, сопрягаемые с другими элементами установки.
- Предварительная сборка корпуса испытание его в сборе. Предварительная сборка позволяет проверить сопрягаемость деталей корпуса между собой, провести необходимые гидравлические испытания и проверку герметичности (испытания на плотность) корпуса.
В настоящее время толстостенные корпуса изготавливают из трех составных частей: цилиндрической обечайки, днища и верхней крышки, разделенной на две части — центральную и периферийную. Это решение обусловлено возможностью отказа от мощного оборудования для выплавки и ковки, штамповки и обработки деталей больших размеров. С другой стороны, на лицо значительное увеличение объема сварочных работ.
В первую очередь следует выбрать вариант изготовления корпуса относительно спроектированного парогенератора, а затем строится сам технологический процесс.
Изготовление заготовок обечаек
Неотъемлемая часть корпуса сосуда, работающего под давлением — обечайка. Она представляет собой полый цилиндр, как правило, с постоянной толщиной стенки. В зависимости от конструкции судовых реакторов, обечайки имеют наружный диаметр 1.0–2.5м с толщиной стенки 50–250мм. Толстостенные обечайки толщиной стенки до 100мм изготавливают ковкой.
Технологические требования кизготовлению
К прочности корпусов, рассчитанных на большое внутреннее давление и температуры, предъявляют высокие требования, поэтому материал обечайки и сварных швов подвергают механическим испытаниям с обязательным определением пределов текучести и прочности при рабочей температуре. Контроль сплошности основного металла толстостенных обечаек производится ультразвуком, а сварных швов обечаек (дополнительно) — рентгенопросвечиванием.
При изготовлении обечаек предъявляют повышенные требования к точности формы и размеров, к чистоте обработки, прямолинейности и перпендикулярности осей и плоскостей. Допуски на свободные размеры обечаек должны быть 7-го класса прочности.
Ковка
Толстостенные обечайки изготавливают из поковок, при этом получают требуемые толщину стенок прочие размеры, а также форму, близкую к форме самой обечайки. В поковке, по сравнению с отливкой, металл имеет значительно лучшие свойства, поэтому ковку широко применяют как заготовительную часть при изготовлении толстостенных обечаек и плоских крышек, несмотря на сложности и трудоемкость этой операции.
Деформирование металла во время ковки производят универсальным инструментом, из-за чего поверхность имеет значительные неровности. Например, вместо круглого цилиндра отковывают многогранник. Кроме того, ковкой трудно получить мелкие отверстия, впадины и выступающие части, потому и в поковке добавляют дополнительный металл, называемый напуском, упрощающий её форму. Для удаления припуска и напусков всегда предусматривают последующую механическую обработку поковки по всем её поверхностям. Исходя из этого, выполняют чертеж поковки, где указаны её размеры до и после механической обработки. В зависимости от форы и размеров деталей, припуска, допуска и напуска поковки, изготовляемой свободной ковкой на прессах, выбирают по ГОСТ 7062–67. Для вырезки образцов «на пробу» предусматривают напуск на торцах поковки.
Толстостенные обечайки изготавливают из слитков металлов массой от 20 до 150 тонн, при этом масса слитка в 3.5 раза больше номинальной массы готовой обечайки. Излишки металла слитка — это удаляемая часть, угар и технологические отходы.
Качество металла поковок зависит от выплавки остального слитка, ковки и термической обработки. С повышением массы слитка и степени легирования стали соответственно, увеличиваются размеры и количество поверхностных дефектов, усиливается химическая и структурна неоднородность и ликвация, возрастает усадочная рыхлость, в металле появляется пористость и трещины. В связи с этим для изготовления поковок стремятся использовать слитки минимальной массы.
Существенные влияния на ухудшение свойств металла оказывают растворенные газы, в особенности, водород, который вызывает дефекты металла. Во время ковки слитка места с наибольшим дефектом удаляют. В верхней части слитка находится усадочная раковина, в нижней — подавляющее число неметаллических включений, в осевой зоне наблюдается повышенное содержание водорода, превышающее допустимую норму примерно в 2 раза.
Низколегированные марки сталей выплавляют мартеновским способом. При такой плавке содержание водорода в сталях не превышает 3–4см на 100г. металла. Дальнейшее снижение концентрации водорода и количества неметаллических включений достигается вакуумной обработкой жидкой стали. В этом случае стали разливают в слитки в вакуумной камере при давлении в ней 20–50 Па. Содержание водорода после такой обработки снижается на 40–60 %, оксидных неметаллических включений на 60–70 %. Слитки повышенного качества получают электрошлаковой переплавкой, которая является эффективным способом удаления из сталей сернистых и других неметаллических включений.
Из выплавленного металла получают многогранные слитки, имеющие форму усеченной пирамиды. Слитки по размерам разделяют на обычные и удлиненные. Обычные слитки имеют соотношение высоты к диаметру 1.8–2.5 и конусность 2–3 %, а удлиненные 2.5–4.5 и конусность 5–6 %. Рассмотрим подробно технологический процесс изготовления поковки обечайки корпуса.
Нагрев слитка перед ковкой. Оптимальный температурный интервал ковки устанавливают путем анализа экспериментальных диаграмм пластичности, показывающих изменение механических и технологических свойств данной стали в зависимости от температуры. Ввиду длительности ковочных операций поковки остывают и их нужно подогревать. Промежуточные подогревы приводят к повышению температуры как участков поковки, которые будут подвергаться деформированию, так и участков, откованных на окончательный размер. В последних подогревах нагрев до максимальной ковочной температуры приводит к росту зерна и ухудшению свойств металла.
Подогрев всех участков производят до максимальной ковочной температуры независимо от величины таковой.
Подогрев всех участков производят до максимальной ковочной температуры независимо от величины таковой.
Биллетировка слитка
Биллетировка слитка. Эта операция предварительной обработки слитка перед ковкой с целью сбивки ребер и устранения конусности. Перед биллетировкой у слитка со стороны прибыльной части оттягивают хвостовик, который необходим для перемещения и вращения слитка в процессе ковки. Нередко у тяжелых поковок хвостовики оттягивают с обеих сторон. Незначительная при этом проковка предназначена для обжатия металла в углах слитка с целью предварительного деформирования литой структуры — дендритов, имеющих стыки в этих углах. Биллетировка слитков способствует заварке газовых пузырей и других подкорковых дефектов литой структуры, созданию пластичного поверхностного слоя металла, так называемой «рубашки», благоприятно влияющей на дальнейшее протекание ковки. После биллетировки донную и прибыльную часть отрывают.
Осадка
Осадкой производят увеличение сечения заготовки, перпендикулярного к действующей силе, а также уменьшение размера по высоте. Осадка позволяет уменьшить глубину прошивки слитка, увеличить коэффициент укова при последующих операциях и снизить анизотропию механических свойств металла. Во избежание изгиба осаживают заготовки с соотношением высоты к диаметру не более 2.5.
Прошивка
Эту операцию применяют при изготовлении осевого отверстия внутри. Для прошивки предварительно осаженный слиток устанавливают прибыльной стороной вниз. В качестве инструмента используют подкладные прошивки, которые могут быть сплошными, либо полыми. Прошивка полым прошивнем позволяет полнее удалить менее качественную сердцевину слитков.
Раскатка
Применяется для увеличения диаметра отверстия поковки и устранения эксцентриситета, полученного после прошивки. Для осуществления раскатки прошитую заготовку подвешивают с опорой на стойки. При вращательном движении после каждого обжатия диаметр заготовки постепенно увеличивается. Ширина увеличивается в меньшей степени. Одновременное достижение при раскатке заданных внутреннего и наружного диаметров и ширины поковки представляет значительную трудность, поэтому такую операцию применяют лишь для коротких поковок с относительно большим внутренним диаметром.
Протяжка на оправке
Протяжку заготовок в длину производят на круглоконической оправке. Ковку полой заготовки, надетой на оправку, ведут с кантовкой по окружности. Ковку начинают со стороны более толстого конца оправки кольцевыми участками при вращательном движении заготовки вместе с оправкой. Затем следует продольная подача и обработка следующего участка аналогично предыдущему. В процессе протяжки заготовка значительно удлиняется и уменьшается по наружному диаметру, тогда как внутренний диаметр заготовки остается равным диаметру оправки. Оправки имеют отверстия для охлаждения водой, упорный бурт и небольшую конусность (1:50), облегающую удаление поковки.
Если необходимо изготовить обечайку, отверстия которой переходит уступом от одного диаметра к другому, поступают следующим образом (6а). Предварительно обечайку отковывают с отверстием максимального диаметра, оставляя по наружному диаметру объем металла, необходимый для получения уступа. Затем устанавливают ступенчатую оправку обжатием по окружности, уменьшая диаметр отверстия на требуемой длине.
Число нагрева слитка в процессе ковки может достигать 8–12. Толщину откованной обечайки делают почти в 2–2.5 раза больше, чем толщину стенки после её обработки, припуск же по длине на каждую сторону составляет 5–6 %, но не менее 70 мм. Такой припуск необходим для изготовления образцов, по которым можно определить механические свойства, химический состав металла поковки. Химический состав стали также определяют по плавильному анализу ковшей пробы.
Механические свойства и степень однородности их объеме поковки определяют индивидуальными испытаниями образцов. Если образцы, вырезанные из поковки, выдерживают испытания на растяжение при комнатной и рабочей температурах, на ударную вязкость при комнатной температуре и на твердость, то поковку запускают в производство.
Если после повторного испытания механических свойств хотя бы один из образцов дает неудовлетворительные показатели, поковку подвергают повторной термической обработке. Высокий отпуск не считается повторной термической обработкой. В случае, если поковка, подвергающаяся нормализации с отпуском, не обеспечивает требуемых механических свойств после термической обработки. Допускается производить улучшения.
После изготовления поковки обечайки, её подвергают термической обработке, цель которой — формирование структуры и улучшение свойств стали, устранение или снижение действия некоторых отрицательных явлений, таких как остаточные напряжения, ликвация вредных примесей, образование флокенов. Одной операцией термической обработки трудно достигнуть оптимального результата, поэтому обычно в определенной последовательности, производят несколько операций, каждая из которых служит для получения отдельных изменений свойств стали в заданном направлении. Операции термической обработки, в зависимости от назначения, объединяют группой первичной, основной и дополнительной термообработки.
Задача первично термообработки — предохранять поковки из жаропрочных перлитных сталей от образования в них флокенов (пороков сталей в виде мелких трещин). Причины возникновения флокенов стали является повышенное содержание водорода.
За счет диффузии происходящей во время термообработки, снижается среднее содержание водорода в стали, происходит перераспределение его из областей, обогащенных водородом в участки с пониженной концентрацией. Кроме того, при такой термообработке растворенный в металле атомарный водород переходит в молекулярную форму с выделением в его пустотах стали (порах, дислокациях и т. п.).
Наибольшая скорость диффузии водорода достигается, если сталь имеет структуру А-железо. За период термообработки поковку охлаждают до температуры 280–300 
, т. е. производят переохлаждение. За период переохлаждения аустенит превращается в перлит по всему сечению поковки. Затем поковку нагревают до температуры 720–730 и выдерживают при этой температуре в течении длительного времени.
Основная термообработка должна обеспечить свойства стали, принятые при проектировании корпуса. Для деталей из перлитной стали этого достигают применением закалки с высоким отпуском. Иногда требуемые пластические свойства, особенно ударную вязкость, удается получить, используя лишь более сложный цикл термообработки: двойную нормализацию или нормализацию и закладку с отпуском. Дополнительная термообработка предназначена для восстановления свойств металла и снятия остаточных напряжений после сварки, пластической деформации и др.
Литература:
- Манько П. А., Семенов С. А., Плахин Ю. С. «Технология изготовления и монтажа судовых ядерных энергетических установок». Учебное пособие, 1 часть. ЛКИ, 1989г.
- Манько П. А., Семенов С. А., Плахин Ю. С. «Технология изготовления и монтажа судовых ядерных энергетических установок». Учебное пособие, 2 часть. СПбГМТУ, 1997г.
