Получение неразъемного соединения конструкции дна

Получение неразъемного соединения конструкции дна

Введение

В данной курсовой работе рассматриваются физические основы процесса получения неразъемного соединения конструкции «Резервуар вертикальный цилиндрический стальной для хранения нефти и нефтепродуктов емкостью 2000 м ³». Исследуемым способом сварки является механизированная сварка в среде защитных газов CO₂.

При механизированных способах сварки применяют газовую защиту - сварка в защитных газах, или газоэлектрическая сварка. Идея этого способа принадлежит Н.Н. Бенардосу (конец 19 в.). Сварка осуществляется сварочной горелкой или в камерах, заполненных газом. Газы непрерывно подаются в дугу и обеспечивают высокое качество соединения. Используют инертные и активные газы. Наилучшие результаты даёт применение гелия и аргона. Гелий из-за высокой стоимости его получения используют только при выполнении специальных ответственных работ. Более широко распространена автоматическая и полуавтоматическая сварка в аргоне или в смеси его с другими газами неплавящимся вольфрамовым и плавящимся стальным электродами. Этот способ применим для соединения деталей обычно небольших толщин из алюминия, магния и их сплавов, всевозможных сталей, жаропрочных сплавов, титана и его сплавов, никелевых и медных сплавов, ниобия, циркония, тантала и др. Самый дешёвый способ, обеспечивающий высокое качество, - сварка в углекислом газе, промышленное применение которой разработано в 50-е гг. 20 в. в Центральном научно-исследовательском институте технологии и машиностроения (ЦНИИТМАШ) под руководством К.В. Любавского. Для сварки в углекислом газе используют электродную проволоку. Способ пригоден для соединения изделий из стали толщиной 1-30 мм. [4]

Целью курсовой работы является изучение физико-химических и тепловых процессов сварки, решение практических вопросов применительно к изготовлению сварной конструкции «Резервуар вертикальный цилиндрический стальной для хранения нефти и нефтепродуктов емкостью 2000 м³».

В процессе выполнения курсовой работы решаются следующие задачи:

1)      изучение условий эксплуатации и конструкционных особенностей изделия «Резервуар вертикальный цилиндрический стальной для хранения нефти и нефтепродуктов емкостью 2000 м³»,

2)      описание материала изделия «Резервуар вертикальный цилиндрический стальной для хранения нефти и нефтепродуктов емкостью 2000 м³» и оценка его свариваемости,

3)      описание способа получения неразъемного соединения, его физической сущности,

4)      выполнение расчета температурных полей от движущихся источников тепла.

неразъемный резервуар нефтепродукт свариваемость

1.     
Описание изделия и условий его эксплуатации

Резервуар стальной вертикальный цилиндрический V=2000 м³. Предназначен для хранения нефти и нефтепродуктов.

Расположение надземное, северное исполнение. Расчетная температура -40>t≥-50. Допустимое избыточное давление 0,07 МПа.

Тип резервуара выбирают в зависимости от свойств хранимой жидкости, района строительства (климатических условий), режима эксплуатации и вместимости резервуара.

Горизонтальные габаритные резервуары вместимостью до 2000 м³ экономичнее других типов резервуаров повышенного давления.

Нефтяной резервуар РВС-2000 представляет собой вертикальный цилиндр с цилиндрическим корпусом, плоским днищем и стационарной крышей, предназначенный для приемки, хранения, отпуска, учета нефти и нефтепродуктов плотностью до 1,0 т/м ³ и является ответственной инженерной конструкцией, наиболее доступной по цене видом нефтехранилищ (Рисунок 1).

Рисунок 1 - Резервуар РВС-2000: 1 - стенка; 2 - крышка; 3 - люк; 4 - днище; 5 - Стальной лист диаметром 1500 мм

Строительные конструкции и изделия:

Днище, стенка - стальные, рулонные по ГОСТ 19903-74*.

Крыша - коническая из укрупненных сборных стальных элементов.

Лестница - шахтная, стальная по чертежам типовых конструкций КЭ-03-4.

Фундамент: грунтовая подушка с щебеночным кольцом; под шкаф-блоки бетонные по ГОСТ 13579-78.

Отделка:

Наружная - окраска лаком ПФ-РМ ГОСТ 15907-70* с 15% алюминиевой пудры ГОСТ 5494-71*.

Внутренняя - в зависимости от степени агрессивности продукта согласно СНиП П-28-73*.

Проект предусматривает вариант конструкций для районов сейсмичностью 8 и 9 баллов.

В зависимости от давления насыщенных паров хранимого нефтепродукта следует принимать:

резервуар без понтона под избыточным давлением в газовом пространстве 0,15х1,33х10⁴ Па (200 мм вод. ст.) для хранения нефти и нефтепродуктов с давлением насыщенных паров 2х1,33х10⁴ Па-5х1,33х10⁴ Па (200-500 мм рт. ст.). Указанные резервуары должны оборудоваться газовой обвязкой;

резервуар без понтона под атмосферным давлением для хранения нефти и нефтепродуктов с давлением насыщенных паров ниже 2х1,33х10⁴Па (200 мм рт. ст.) (керосин, дизельное топливо, мазут и др.)

Требования настоящего стандарта распространяются на следующие условия эксплуатации резервуара РВС-2000:

·              расположение резервуаров - наземное;

·              плотность хранимых продуктов - не более 1015 кг/м³;

·              максимальная температура корпуса резервуара - не выше плюс 180°C, минимальная - не ниже минус 65°C;

·              внутреннее избыточное давление - не более 2000 Па;

·              относительное разрежение в газовом пространстве - не более 250 Па;

·              сейсмичность района строительства - не более 9 баллов включительно по шкале MSK-64

Таблица 1. Основные эксплуатационные характеристики резервуара РВС-2000

Достоинствами горизонтальных резервуаров являются:

простота конструктивной формы;

возможность поточного изготовления их на заводах и перевозки в готовом виде;

удобство надземной и подземной установки;

- возможность значительного повышения внутреннего избыточного давления (до 200 кН/м²) и вакуума (до 100 кН/м²) по сравнению с вертикальными цилиндрическими резервуарами и как следствие этого, уменьшение потерь легкоиспаряющихся жидкостей при хранении.

К недостаткам горизонтальных резервуаров относится необходимость устройства специальных опор и сравнительная сложность замера продукта, хотя эти недостатки и свойственны многим типам резервуаров повышенного давления.

2.      Обоснование выбора материала изделия и его характеристика

Днище резервуара изготовлено из листов ВСт3сп толщиной 10 мм, т.к. она в полной мере удовлетворяет всем требованиям (СНиП II - 23 - 81) для изготовления резервуара.

Таблица 2. Химический состав стали ВСт3сп [7]

Таблица 3. Механические свойства проката стали ВСт3сп

Таблица 4. Ударная вязкость KCU, Дж/см² [8]

Таблица 5. Физические свойства стали ВСт3сп [7]

3.      Оценка свариваемости материала

На свариваемость материала существенно влияют содержащиеся в нем элементы и примеси. Так углерод, как одна из важнейших примесей, определяет прочность, пластичность, закаливаемость и другие характеристики стали. Содержание углерода в сталях до 0.25% не снижает свариваемости. Более высокое содержание углерода приводит к образованию закалочных структур в металле зоны термического влияния и появлению трещин.

Сера и фосфор - вредные примеси. Повышенное содержание серы приводит к образованию горячих трещин - красноломкость, фосфор вызывает хладноломкость. Поэтому содержание серы и фосфора в низкоуглеродистых сталях ограничивают до 0,4-0,5%.

Кремний присутствует в сталях как примесь в количестве до 0,3% в качестве раскислителя. При таком содержании кремния свариваемость сталей не ухудшается. В качестве легирующего элемента при содержании кремния - до 0,8-1,0% (особенно до 1,5%) возможно образование тугоплавких оксидов кремния, ухудшающих свариваемость стали.

Марганец при содержании в стали до 1,0% - процесс сварки не затруднен. При сварке сталей с содержанием в количестве 1,8-2,5% возможно появление закалочных структур и трещин в металле ЗТВ.

Хром в низкоуглеродистых сталях ограничивается как примесь в количестве до 0,3%. В низколегированных сталях возможно содержание хрома в пределах 0,7-3,5%. В легированных сталях его содержание колеблется от 12% до 18%, а в высоколегированных сталях достигает 35%. При сварке хром образует карбиды, ухудшающие коррозионную стойкость стали. Хром способствует образованию тугоплавких оксидов, затрудняющих процесс сварки.

Никель аналогично хрому содержится в низкоуглеродистых сталях в количестве до 0,3%. В низколегированных сталях его содержание возрастает до 5%, а в высоколегированных - до 35%. В сплавах на никелевой основе его содержание является превалирующим. Никель увеличивает прочностные и пластические свойства стали, оказывает положительное влияние на свариваемость.

При оценке влияния химического состава на свариваемость сталей, кроме содержания углерода, учитывается также содержание других легирующих элементов, повышающих склонность стали к закалке. Это достигается путем пересчета содержания каждого легирующего элемента стали в эквиваленте по действию на ее закаливаемость с использованием переводных коэффициентов, определенных экспериментально. Суммарное содержание в стали углерода и пересчитанных эквивалентных ему количеств легирующих элементов называется углеродным эквивалентом. По нему и делают вывод о свариваемости стали.

Таблица 6. Химический состав стали ВСт3сп [7]

В общем случае по свариваемости все стали условно подразделяют на четыре группы.

1.       1. Хорошо сваривающиеся - до 0,3% углерода.

2.       2. Удовлетворительно сваривающиеся - до 0,38% углерода.

.        3. Ограничено сваривающиеся - до 0,48% углерода.

.        4. Плохо сваривающиеся - свыше 0,48% углерода.

С_экв = С + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Сu)/15

С_экв = 0.35

Следовательно, Сталь ВСт3сп является удовлетворительно сваривающемся материалом.

4.      Описание способа получения неразъемного соединения, его физической сущности

Для сварки дна резервуара РВС-2000 м³ следует применять механизированную сварку в защитных газах CO₂ сварочной проволокой 08Г2С диаметром 1,2 мм по ГОСТ 2246-70.

Рисунок 2 - Механизированная сварка в защитных газах, схема процесса

Защитный газ, выходя из сопла, вытесняет воздух из зоны сварки. Сварочная проволока подается вниз роликами, которые вращаются двигателем подающего механизма. Подвод сварочного тока к проволоке осуществляется через скользящий контакт.

Учитывая, что защитный газ активный и может вступать во взаимодействие с расплавленным металлом, полуавтоматическая сварка в углекислом газе имеет ряд особенностей.

Углекислый газ применяется в качестве активного защитного газа при дуговой сварке (обычно при полуавтоматической сварке) плавящимся электродом (проволокой), в том числе в составе газовой смеси (с кислородом, аргоном). [4]

Особенность металлургических процессов в этом случае обусловлена его сильным окислительным действием. Газовая среда в дуге, торящей в СО2, имеет более окислительный характер (33% О2), чем при горении ее на воздухе (21% О2). Поэтому наблюдается сильное окисление сварочной ванны по реакции

+ CO2= FeO + CO.

Одновременно происходит диссоциация углекислого газа. Атомарный кислород также окисляет в сварочной ванне железо и другие Примеси: кремний, марганец, углерод и др. Эти реакции происходят как в период перехода капель электродного металла в дуге, так и на поверхности самой ванны. Для управления реакцией окисления, а также пополнения потерь элементов применяют электродные Проволоки с повышенным содержанием марганца и кремния (Св-08ГС, Св-08Г2С и др.). При использовании этих проволок в зоне понижения температуры в сварочной ванне протекают реакции раскисления:

FeO+Si 2Fe + SiO₂

FeO + Mn Fe + MnO

Образующиеся оксиды марганца и кремния всплывают на поверхность сварочной ванны.

Окислению сварочной ванны способствуют находящиеся примеси в защитном газе в виде свободного кислорода и паров воды. При этом окисляется в основном углерод с образованием газообразного оксида СО. Для подавления реакции окисления углерода в сварочной ванне должно находиться достаточное количество раскислителей кремния, марганца. С этой целью при сварке углеродистых сталей используют те же электродные проволоки, что и при сварке в углекислом газе, - с повышенным содержанием раскислителей.

Сварной шов при механизированной сварке формируется путем кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны. Кристаллизацией называют процесс образования кристаллов металла из расплава при переходе его из жидкого в твердое состояние. Образующиеся при этом кристаллы металла принято называть кристаллитами.

Сварочная ванна условно может быть разделена на две области: переднюю (головную) и заднюю (хвостовую). В передней части горит дуга и происходит нагревание и расплавление металла, а в хвостовой - охлаждение и кристаллизация расплава. В процессе образования шва различают первичную и вторичную кристаллизации. Первичной кристаллизацией называют непосредственный переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием первичных кристаллитов (зерен). Она происходит при высоких скоростях охлаждения и затвердевания. Теплота отводится в основной металл, окружающий сварочную ванну. В общем виде процесс кристаллизации состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации (зародышей) и роста кристаллов от этих центров. При первичной кристаллизации металла шва в качестве центров кристаллизации являются поверхности оплавленных зерен основного металла, окружающих сварочную ванну. При этом между основным металлом и металлом шва возникают общие зерна. Условную поверхность раздела между зернами основного металла и кристаллитами шва называют зоной сплавления при сварке.

Достоинства способа сварки в углекислом газе:

·              Благодаря повышенному использованию тепла сварочной дуги, обеспечивается высокая производительность сварки металла в углекислом газе.

·              Достаточно высокое качество сварочных швов.

·              Возможность осуществления полуавтоматической и автоматической сварки в углекислом газе в различных положениях в пространстве.

·              Невысокая стоимость защитного газа.

·              Возможность осуществления сварки в углекислом газе малых трещин и применения метода сварки электрозаклепками.

·              Осуществление сварки металла на весу без применения подкладки.

Недостатки способа сварки в углекислом газе:

·              Сильное разбрызгивание металла при сварке на токах 200 - 400 А и необходимость удаления брызг с поверхности изделия.

·              Затруднено использование на открытом воздухе (на ветру) из-за сдувания защитного газа Невысокая стоимость защитного газа.

·              Внешний (товарный) вид шва хуже, чем при сварке под флюсом.

Процессы сварки, наплавки и резки металлов являются источниками образования опасных и вредных факторов, способных оказывать неблагоприятное воздействие на работников.

К опасным и вредным производственным факторам относятся: твердые и газообразные токсические вещества в составе сварочного аэрозоля, интенсивное излучение сварочной дуги в оптическом диапазоне (ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное), интенсивное тепловое (инфракрасное) излучение свариваемых изделий и сварочной ванны, искры, брызги и выбросы расплавленного металла и шлака, электромагнитные поля, ультразвук, шум, статическая нагрузка и т.д.

Количество и состав сварочных аэрозолей и аэрозолей припоя зависят от химического состава сварочных материалов и свариваемых металлов, способов и режимов сварки, наплавки, резки и пайки металлов.

В зону дыхания сварщиков и резчиков могут поступать сварочные аэрозоли, содержащие в составе твердой фазы различные металлы (железо, марганец, кремний, хром, никель, медь, титан, алюминий, вольфрам и др.), их окисные и другие соединения, а также газообразные токсические вещества (фтористый водород, тетрафторид кремния, озон, окись углерода, окислы азота и др.).

Воздействие на организм твердых и газообразных токсических веществ в составе сварочных аэрозолей может явиться причиной хронических и профессиональных заболеваний.

Интенсивность излучения сварочной дуги в оптическом диапазоне и его спектральный состав зависят от мощности дуги, применяемых сварочных материалов, защитных и плазмообразующих газов и т.п. При отсутствии защиты возможно поражение органов зрения (электроофтальмия, катаракта и т.п.) и кожных покровов (эритемы, ожоги и т.п.). [2]

5.      Расчет температурных полей от движущихся источников тепла

Данные:

низкоуглеродистая сталь,

сварка неплавящимся электродом в среде аргона,

- сварочный ток ,

напряжение на дуге ,

диаметр электрода ,

скорость сварки ,

толщина пластины ,

условия теплообмена - медные водоохлаждаемые прижимы.

В соответствии с данными по таблицам 11, 12 и 13 определяем необходимые значения для последующего расчета. [5]

Таблица 8 - Теплофизические свойства металлов и сплавов

Таблица 9 - Тепловые характеристики различных источников тепла

Таблица 10 - Значения коэффициента теплоотдачи

Имеем:

объемная теплоемкость ,

коэффициент теплопроводности ,

температура плавления ,

коэффициент теплоотдачи ,

эффективный КПД процесса

Определим эффективную мощность источника тепла по формуле:

Рассчитаем погонную энергию характеризующую количество теплоты, вводимой на единицу длины шва, которая находится из выражения:

Ориентировочное значение диаметра и радиуса пятна нагрева принимаем равным размеру электродной проволоки, то есть

Рассчитаем коэффициент сосредоточенности источника тепла по формуле:

 (2)

По формуле (2) получаем:

Максимальная плотность мощности в центре пятна нагрева:

Функция пользователя, описывающая распределение плотности теплового потока по пятну нагрева выглядит следующим образом:

 (3)

По функции (3) строим график распределения плотности мощности по пятну нагрева (рисунок 3).

Рисунок 3 - Распределение плотности мощности по пятну нагрева

Зададим функции, описывающие распределение температуры:

-        Функция r=f (x, y), возвращающая расстояние между точкой (х, у) и началом координат на плоскости:

Функция R=f (x, y, z), возвращающая расстояние между точкой (х, у, z) и началом координат в трехмерном пространстве:

         Функция, описывающая приращение температуры поля в бесконечной пластине, при нагреве линейным источником, для квазистационарного поля:

- Функция, описывающая приращение температуры поля в бесконечной пластине с теплоизолированной поверхностью при нагреве линейным источником, для квазистационарного поля:

-        Функция, описывающая приращение температуры в полубесконечном теле при нагреве точечным источником, для квазистационарного поля:

Вычислим значения температуры в точке с координатами (х₀, у₀):

При х₀=-10 мм, у₀=0 мм температура будет равняться T=570.5 K.

Построим графики распределения температуры (рисунки 4, 5, 6).

Рисунок 4 - Распределение температуры в плоскости XOZ вдоль прямых параллельных оси ОХ

Рисунок 5 - Распределение температуры перед источником

Рисунок 6 - Распределение температуры за источником

Построим изотермическую линию, которая будет соответствовать температуре плавления. Для этого зададим матрицу, содержащую координаты х (нулевой столбец матрицы) и у (первый столбец матрицы) точек, температуры которых достигает температуры плавления.

Выписываем данные с кривых и получаем следующую матрицу:

Получаем изотермическую линию соответствующую температуре плавления (рисунок 5.5).

Рисунок 7 - Изотермическая линия, соответствующая температуре плавления

Заключение

Изучен вопрос получения неразъемного соединения конструкции «Резервуар вертикальный цилиндрический стальной для хранения нефти и нефтепродуктов емкостью 2000 м³».

Решены следующие задачи:

изучение условий эксплуатации и конструкционных особенностей изделия «Резервуар вертикальный цилиндрический стальной для хранения нефти и нефтепродуктов емкостью 2000 м ³»,

- описание материала изделия «Резервуар вертикальный цилиндрический стальной для хранения нефти и нефтепродуктов емкостью 2000 м ³» и оценка его свариваемости,

- описание способа получения неразъемного соединения, его физической сущности.

выполнение расчета температурных полей от движущихся источников тепла.

Поставленная цель - изучение физико-химических и тепловых процессов сварки, решение практических вопросов применительно к изготовлению сварной конструкции «Резервуар вертикальный цилиндрический стальной для хранения нефти и нефтепродуктов емкостью 2000 м ³» - достигнута.

Список источников

1. Справочник сварщика / Под ред. В.В. Степанова. - Перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983.

. Сварка в машиностроении: Справочник. В 4-х томах / Под ред. Г.А. Николаева. - М.: Машиностроение, 1978.

. http://penzaelektrod.ru/articles/art18.htm

. http://www.svarkainfo.ru/rus/technology/autoflus/

. СТО УГАТУ 016-2007.

. СНиП II - 23 - 81