Серия титановых сосудов под давлением

Когда говорят про серию титановых сосудов под давлением, многие сразу думают про космос или медицину, но в реальности львиная доля идет в химию, причем не самую чистую. И тут первый подводный камень — не все титаны одинаково полезны. ВТ1-0, скажем, для азотной кислоты — отлично, а вот в некоторых хлорсодержащих средах начнет корродировать, нужен уже сплав типа 4200 или 4201. Часто заказчик, услышав ?титан?, расслабляется, а потом удивляется, почему аппарат потек через полгода. Корень проблемы — не в металле, а в среде, точнее, в ее примесях, которые в лабораторных условиях не учитывают.

Не просто ?титановая банка?: конструкция и подводные камни

Конструкция — это не про форму, а про напряжения. Особенно в зонах перехода от цилиндрической части к днищам, и вокруг штуцеров. Если делать по упрощенке, как для углеродистой стали, будет концентрация напряжений. Титановый сплав, хоть и прочный, но не так пластичен, особенно после сварки. Видел один случай на испытаниях — сосуд на 16 МПа, сделанный по чертежам для нержавейки, но из титана ВТ1-0. На стенде дали 1.5 от рабочего, как по ГОСТу, и в зоне сварного шва горловины пошла трещина. Не разрыв, а именно усталостная трещина от неправильного распределения нагрузки. Пришлось пересчитывать узлы крепления и усиливать зону, но уже на готовом корпусе — дорого и некрасиво.

Толщина стенки — отдельная песня. Многие думают, что раз титан легче и прочнее стали, можно делать тоньше и экономить. Теоретически — да. Практически — есть проблема с вибрацией. На одной установке гидрирования, где стоят титановые сосуды под давлением в линию, из-за пульсаций потока тонкостенные аппараты начали резонировать. Пришлось ставить внешние кольца жесткости, что свело на нет всю экономию по весу. Теперь всегда закладываю запас не только по давлению, но и по динамическим нагрузкам, особенно если в линии есть насосы или компрессоры.

И по сварке. Автоматическая аргонодуговая — это стандарт, но не панацея. На толстом металле (от 20 мм) без подогрева и послойного контроля ФЭМ (фазы электронного магнитно-резонансного, если по-простому) можно пропустить непровар. Был прецедент с сосудом от одного субподрядчика — внешне швы идеальные, рентген показал норму, а при гидроиспытаниях дал течь по границе сплавления. Причина — загрязнение кромок перед сваркой. Титановую стружку с механической обработки не до конца убрали, в шве пошли включения. Теперь лично требую фотоотчет по подготовке кромок перед сваркой каждого стыка.

Материал: где брать и на что смотреть

Сырье — это основа. Раньше много работали с отечественным титаном, но для ответственных серий, особенно на экспорт, стали смотреть в сторону комбинированных поставок. Нужен не просто пруток или лист, а полный комплект: лист на корпус, поковка на фланцы и штуцера, труба на змеевики — и все от одной партии, с одинаковыми сертификатами. Иначе механические свойства будут ?плясать?, и сварка превратится в лотерею.

Здесь, к слову, часто выручают специализированные поставщики, которые ведут весь цикл. Например, ООО Шэньси Футайпу Металлические Материалы (их сайт — https://www.ftpjs.ru). Они как раз из тех, кто не просто продает металл, а специализируется на высокоэффективных цветных и тугоплавких металлах. В их линейке есть и титан, и цирконий, и никелевые сплавы — то, что нужно для сложных сред. Важно, что они охватывают НИОКР, переработку и продажи, то есть могут предоставить и полуфабрикаты под конкретный проект — трубы, прутки, пластины. Для серийного производства сосудов это критично: один поставщик на весь металлопакет — меньше головной боли с документацией и входным контролем.

Но даже с хорошим поставщиком нельзя слепо доверять. Каждую партию листа, особенно на корпус, проверяем на ультразвуке на предмет внутренних расслоений. У титана бывает такая болезнь. Однажды приняли лист по сертификату, а при раскрое на ЧПУ в середине пласта обнаружили включение. Хорошо, что не пустили в работу. С тех пор УЗК — обязательная процедура, даже если в сертификате стоит ?проверено?.

Испытания: не только гидравлика

ГОСТы предписывают гидравлические испытания, и все на этом успокаиваются. Но для серии титановых сосудов, которые будут работать, например, с переменными температурами, этого мало. Обязательно делаем термоциклирование на стенде. Берем несколько сосудов из партии, не все, разумеется, и гоняем их от рабочей температуры до комнатной, скажем, 100 циклов. Смотрим, не появятся ли микротрещины в зонах термического влияния сварных швов. Бывало, что сосуд проходил все приемочные испытания, а после 50 таких циклов давал течь по границе сварки фланца. Проблема была в режиме сварки — слишком большой перегрев.

Еще один момент — испытания на чистящие среды. Если сосуд предназначен для фармацевтики или пищевой промышленности, после гидроиспытаний обычной водой нужно промыть и прогнать тестовую среду, например, паром или очищенной водой под давлением. И проверить на микробы или остаточные загрязнения. Один раз чуть не сорвали поставку из-за того, что после испытаний в сосуде остались следы ингибитора коррозии из испытательной жидкости. Заказчик был из ?чистых? производств, и это было недопустимо. Теперь прописываем процедуру окончательной очистки как отдельный этап испытаний.

И, конечно, контроль швов. Рентген — это хорошо, но для титана часто нужен еще и контроль на твердость в зоне термического влияния. Если перекал — будет хрупкость, если недокал — низкая прочность. Используем переносной твердомер. Это та самая ?ручная работа?, которую не заменит никакой автоматический протокол.

Логистика и монтаж: то, о чем забывают на стадии проектирования

Спроектировали отличный сосуд, рассчитали все нагрузки, подобрали материал... А как его везти и монтировать? Титан, особенно крупногабаритные сосуды, боится царапин и вмятин. Обычные стальные стропы могут оставить следы на поверхности, которые потом станут очагами коррозии. Используем только мягкие стропы или стропы с титановыми или пластиковыми чехлами. И это прописываем в паспорте изделия — чтобы монтажники на объекте не стали использовать ?что под рукой?.

На объекте свои сложности. Титановые фланцы, если их затягивать обычными динамометрическими ключами как стальные, можно ?сорвать?. Нужны специальные графитовые или медные смазки для резьбы шпилек, и четкий порядок затяжки. Один раз пришлось лететь на запуск — монтажники пожаловались, что фланцевое соединение ?подтекает?. Приезжаю, смотрю — шпильки затянуты вразнобой, плюс использована обычная смазка Литол. Пришлось раскручивать, чистить резьбу, смазывать специальной пастой и затягивать по схеме крест-накрест с контролем момента. После этого течь прекратилась. Теперь в комплект поставки каждой серии титановых сосудов под давлением включаем памятку по монтажу и небольшой набор специальной оснастки.

И про тепловое расширение. Титан имеет коэффициент теплового расширения отличный от стали. Если сосуд титановый, а трубопроводы к нему — из нержавейки, и все это жестко закреплено, при нагреве могут возникнуть огромные напряжения. Обязательно нужно ставить компенсаторы или делать П-образные петли. На одном из заводов по производству красителей проигнорировали этот момент, и после первого же прогрева линии сорвало два фланца на подводящих трубопроводах. Хорошо, что без разгерметизации самого сосуда. Пришлось останавливать производство и переделывать обвязку.

Экономика серии: где можно, а где нельзя экономить

Серийное производство — это всегда поиск баланса между ценой и надежностью. Самый простой способ снизить стоимость — использовать более тонкий лист или менее дорогой сорт титана. Но, как я уже говорил, это чревато. Другой путь — оптимизация раскроя. При крупной серии даже сэкономить 5-7% металла за счет грамотного раскладки на листе — это огромные деньги. Но тут нельзя доверять только программе. Технолог с опытом должен посмотреть чертеж раскроя — иногда программа предлагает расположить детали так, что потом невозможно будет их вынуть для механической обработки без брака.

Сварка — еще одна статья расходов. Автоматическая сварка под флюсом или в аргоне для титана дорогая, требует качественной подготовки и дорогих расходников (вольфрамовые электроды высокой чистоты, аргон высшего сорта). Но пытаться вать вручную для серии — это брак и непредсказуемость. Экономить здесь нельзя. Можно оптимизировать, стандартизировав сборочно-сварочные приспособления, чтобы минимизировать время на сборку стыков под сварку.

И последнее — контроль. 100% контроль каждой единицы в серии — дорого. Но выборочный контроль, основанный на статистике, требует отлаженного процесса. Обычно идем по пути: первый сосуд из партии — полный комплекс испытаний (гидравлика, термоциклы, контроль всех швов). Следующие несколько — по сокращенной программе (гидравлика + выборочный контроль швов). Если все в норме, остальные — только гидравлика и визуальный контроль. Но ключевое слово — ?если все в норме?. Любое отклонение — и вся партия отправляется на усиленный контроль. Да, это увеличивает сроки, но страхует от рекламаций. В нашей практике такой подход окупался всегда. Потому что стоимость отзыва и замены даже одного сосуда из серии титановых сосудов под давлением на объекте заказчика в десятки раз превышает затраты на дополнительный контроль на своем заводе.