4. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЦИЛИНДРОВ С КОНСТРУКТИВНЫМИ И МЕХАНИЧЕСКИМИ НЕДОСТАТКАМИ
Технология восстановления цилиндров и станин гидравлических прессов, компрессоров, паровых машин и других деталей, в которых разрушение произошло вследствие конструктивных недостатков или дефектов, возникших от неправильной механической обработки, должна включать следующие этапы:
1. Восстановление разрушенного узла до его первоначальной прочности и заданных геометрических размеров.
2. Разработку и проведение мероприятий по устранению конструктивного недостатка.
В зависимости от характера детали это может быть осуществлено различными способами, а именно: усилением критического сечения наплавкой; приваркой усиливающих элементов (ребер, планок, вставок); применением комбинированного усиления, сочетающего механическое крепление со сваркой. В том случае, если ремонтируемый узел не может быть конструктивно усилен, то обязательным условием будет применение сварочной технологии и высококачественных электродов, обеспечивающих получение сварного соединения, равнопрочного основому металлу или превышающего прочность последнего.
Цилиндр горизонтального пресса усилием 5000 т. Вес цилиндра 62 т, толщина стенок 280—320 мм, рабочее давление жидкости 300 кГ/см2. После длительной эксплуатации пресса по образующей цилиндра в пространстве между двумя колоннами появилась сквозная трещина длиной: по наружной поверхности цилиндра ~ 300 мм, по внутренне?! —500 мм. Цилиндр лигой из стали следующего химического состава: 0,35% С; 0,63% Мп; 0,33% Si; 0,38% Мо; 0,027% S; 0,020% Р. Металлографические исследования показали, что сталь имеет нормальную литую структуру со средним размером зерна и небольшим количеством неметаллических включений. Разделка трещины под сварку была выполнена механическим путем — сверлением, фрезерованием и частично рубкой пневматическим зубилом. Общий вид цилиндра в печи, подготовленного под сварку, дан на рис. 23.
В процессе разделки определилось, что в зоне трещины литейных дефектов металл не имеет. Характер трещины, ее направление точно по образующей цилиндра и отсутствие дефектов в металле позволили считать, что причиной разрушения была длительная цикличная нагрузка. Особые трудности выполнения ремонтных работ вызывались большой толщиной стенки, расположением трещины в очень жестком контуре цилиндра, где нельзя было ожидать компенсации внутренних напряжений, и химическим составом стали. Поэтому сварка выполнялась при общем нагреве цилиндра до 450—470° С. В процессе сварки были проведены три промежуточных отпуска при 670—680° С. Некоторое повышение температуры отпуска было вызвано наличием в стали молибдена. Сварка выполнялась электродами УОНИ-13/65. При проковке шва (чеканке) были увеличены интенсивность удара и длительность проковки. Описанная.технология обеспечила получение удовлетворительных результатов при заварке сложного разрушения, расположенного в весьма жестком контуре.
Цилиндр пресса усилием 2000 т имел питательное отверстие, расположенное на вертикальной стенке. В этом сечении стенка сказалась ослабленной, и после нескольких лет эксплуатации в диаметрально противоположных участках стенки этого отверстия (по его граням с внутренней стороны) возникли надрывы. Постепенно развиваясь в трещины, они достигли наружных участков, после чего цилиндр стал не пригодным к эсплуата-нии. Поверочный расчет прочности показал, что наличие отверстия повышает величину напряжений в данном 'сечении до 1200 кГ/см-. На кромке отверстия эти напряжения еще выше. Рассчитывать на продолжительную работу цилиндра после заварки было нельзя.
Для надежной работы требовалось изменить конструкцию цилиндра и перенести питательное отверстие в купольную часть. Для этого потребовалось некоторое изменение коммуникаций высокого давления. Восстановление цилиндра и его реконструкция выполнялись по следующей технологической схеме: разделка трещин под сварку; снятие фаски в отверстии с углом 12°; расточка нового питательного отверстия в купольной части на расточном станке. В питательное отверстие была вставлена пробка с углом разделки 12° и зазором 10 мм на сторону (рис. 24).
Заварку цилиндра выполняли в электропечи с общим нагревом до 400° С и последующим отпуском при 650° С. Сварку вели одновременно двумя дугами. Сначала «каскадным» способом заваривали трещины по образующей цилиндра, а затем производили вварку вставки в отверстие. После реконструкции цилиндр работает нормально в течение нескольких лет с полной нагрузкой.
Цилиндр вертикального пресса усилием 800 т изготовлен по совмещенной схеме, гидравлическое давление создается маслом, внутренняя поверхность цилиндра обработана. Цилиндр не имеет грунд-буксы, и поршень скользит по внутренней поверхности цилиндра. Дефект в виде острого надреза возник в результате механической обработки внутренней поверхности цилиндра в напряженном участке, в месте перехода в купольную часть. Цилиндр вышел из строя спустя год нормальной эксплуатации вследствие появления трещины. Длина трещины по наружной части 50 мм, а по внутренней — 150 мм. Подготовленное под сварку дефектное место с полным удалением трещины было заварено при общем нагреве цилиндра.
Однако спустя год трещина возникла вновь, на этот раз на участке, диаметрально противоположном заваренному, и имела длину по наружной части 400 мм и по внутренней—-более 2/з окружности цилиндра.
Для кардинального исправления дефекта была принята следующая технология: купол цилиндра полностью удаляли газовой резкой, на торец цилиндрической части по кромке реза наплавляли слой металла так, чтобы ликвидировать подрез и вывести сварное соединение из зоны наибольших напряжений. Схема выполнения работ показана на рис. 25. Наплавленный участок был обработан механически с образованием плавного перехода внутренней поверхности от цилиндра к купольной части.
Отрезанная купольная часть цилиндра была обработана по торцу и установлена на опорном кольце, приваренном к внутренней поверхности цилиндра. Сварка основного шва была выполнена по типовой технологии одновременно двумя сварщиками при общем нагреве цилиндра до 450° С. После сварки был произведен высокотемпературный отпуск цилиндра. Восстановленный цилиндр теперь работает нормально.
Цилиндры гидравлического пресса усилием 30 000 т. Цилиндры были выполнены составными с вставной купольной частью и механическим уплотнением ее на резьбе. Вес цилиндра 27 г. В остром углу заточки купольной части от уплотнительной поверхности возникали трещины, совершенно не доступные для наблюдения. Дефект обнаруживался только после того, как трещина выходила на наружную поверхность и цилиндр давал течь. Восстановление цилиндров и их модернизация были возможны только при полном изменении конструкции купольной части. Приварка новой купольной части выполнялась по схеме, показанной на рис. 26. Создание плавных переходов резко увеличило работоспособность и долговечность цилиндра. Сварочные работы выполнялись по технологии, описанной выше.
Цилиндры вертикального пресса усилем 10 000 т. Цилиндры изготовлены из литой стали следующего химического состава: 0,43% С; 0,70% Мп; 0,21% Si; 0,022% S и 0,020% Р. Качество стали было улучшено проковкой. Цилиндры передают развиваемое прессом усилие через опорные борты на неподвижную траверсу пресса. В месте перехода борта к цилиндрической части происходит концентрация напряжений и возникают надрывы, постепенно переходящие в трещины, которые, развиваясь, выходят на внутреннюю поверхность. Установлено, что сквозное разрушение обычно наступает после 106 циклов нагрузки.
Расчеты на прочность показали, что для уменьшения напряжений необходимо повысить высоту опорного борта цилиндра. Это требовало некоторого изменения конструкции пресса, поэтому на первых этапах производилась работа по качественной заварке трещин, которая выполнялась по следующей технологии.
Разделка трещин производилась механическим путем с тщательным магнитным контролем за их распространением. Учитывая, что трещина развивается от наружной части цилиндра, ее разделку выполняли также снаружи и поэтому большая часть разделки не была сквозной. Для сварки и термообработки цилиндров была изготовлена специальная печь, в которой имелось устройство, позволяющее поворачивать горизонтально расположенный цилиндр вокруг оси на 180—360°.
Конструкция печи обеспечивала достаточно свободный подход к месту сварки. Схема печи с установленным в ней цилиндром показана на рис. 27. Сварка выполнялась при общем нагреве цилиндра до 450—480° С. Для уменьшения деформации борта цилиндра применялась усиленная проковка каждого слоя наплавленного металла, которая проводилась после расплавления трех-четырех электродов. Такая частая и глубокая проковка пластичного металла, нагретого до высокой температуры, сильно снижает внутренние напряжения и уменьшает возможность поводки. При нагреве цилиндра до 450—480 °C металл шва во время проковки имел температуру около 550—600° С.
Такая технология позволила при достаточно большом объеме металла шва полностью избежать короблений борта. Особенно тщательно нужно было сва рить поверхностные слои, об разующие верхний слой метал ла — наиболее напряженный Эти слои наплавлялись элек тродами УОНИ-13/55 диамег ром 4 мм, специально отобран ными для таких работ, т. е свежего изготовления и тща тельно просушенными до пол ного удаления влаги из покрытия. В наружных слоях выполненного шва полностью отсутствовали поры, шлаковые включения, подрезы и другие дефекты.
После окончания сварки и полного отпуска при 650° С для снятия напряжений металл шва механически обрабатывали для получения нужного радиуса перехода, затем шлифовали. Это дало возможность получить рабочую поверхность, способную работать в сложных знакопеременных условиях нагрузки при значительно высоких напряжениях.
На рис. 28 показана схема приварки кольца для увеличения высоты опорного борта. Такая конструкция резко снижает величину напряжений в опорном борту и увеличивает работоспособность цилиндра.
Приварка кольца может быть выполнена электрошлаковой сваркой или ручной дуговой электродами УОНИ-13/55.