Проектирование элементов конструкции и технологии сварки корпуса аппарата емкостного 3615.242

Размещено на http://www.allbest.ru/

63

Аннотация

Пояснительная записка содержит 108 листов, 15 рисунков, 24 таблицы, 35 формул, 19 источников, 3 приложения, 2 листа формата А1.

АППАРАТ ЕМКОСТНОЙ, НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ, СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА ПОД СЛОЕМ ФЛЮСА, МЕХАНИЗИРОВАННАЯ СВАРКА, КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА.

Объектом разработки является сварная конструкция - корпус аппарата емкостного.

Цель проекта - разработка и анализ эффективной технологии изготовления сварных соединений корпуса данной сварной конструкции.

В процессе работы проводились анализ и выбор необходимой информации из нормативных документов.

В результате проделанной работы разработаны типовые карты технологических процессов сварки для выбранных сварных соединений.

Содержание

Введение

Раздел 1. Анализ объекта производства. Назначение конструкции и технические требования

Раздел 2. Обоснование выбора основных материалов сварной конструкции

Раздел 3. Расчет и проектирование сварной конструкции

Раздел 4. Выбор способа сварки

Раздел 5. Обоснование выбора сварочных материалов

Раздел 6. Техника и технология сварки конструкции

Раздел 7. Контроль качества сварных соединений

Раздел 8. Техника безопасности при сварке

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение

Сваркой называется процесс соединения металлических и неметаллических материалов, при котором устанавливаются межатомные и межмолекулярные связи по контактируемым поверхностям соединяемых деталей.

Сварка имеет применение в промышленности, как при изготовлении новых изделий, так и при ремонтных работах.

Сварка наряду с литьем, обработкой металлов давлением, резанием является основным технологическим процессом изготовления различных металлических конструкций и изделий.

Преимущества процессов сварки по сравнению с другими способами соединения металлов состоят в следующем:

1) В сварных соединениях отсутствует ослабление металла отверстиями, которые необходимы в клепаных соединениях;

2) В сварных соединениях нет необходимости применять промежуточные элементы, например, уголки;

3) По сравнению с литыми сварные конструкции дают большую экономию металла за счет его рационального использования, так как в литых конструкциях в одном узле не допускается сочетание тонких и толстых стенок;

4) При изготовлении сложных и тяжелых кованых изделий можно использовать принцип разделения их на ряд простых, несложных поковок с последующим соединением в одно целое с помощью сварки. При таком способе уменьшается время изготовления, упрощается технология. В настоящее время получили распространение штампосварные конструкции. Нашли применение и сварные комбинированные конструкции из проката, поковок и литья.

Сварные конструкции имеют особенности, которые могут отрицательно влиять на их прочность и надежность. Основными из них являются:

-повышенная чувствительность к концентраторам напряжений и к хрупким разрушениям;

-изменение исходных свойств основного материала в зоне сварного шва;

-остаточные деформации и напряжения.

Влияние этих факторов можно исключить выбором схемы конструкции, правильным выбором основного и сварочного материалов, назначением оптимальной технологии заготовительных, сборочных и сварочных операций.

Единая классификация сварных конструкций затруднена их исключительным разнообразием. Их можно классифицировать по методу получения заготовок и по целевому назначению.

Виды сварных конструкций по методу получения заготовок: литосварные, кованосварные, штампосварные конструкции, листовые.

Виды сварных конструкций по целевому назначению: судовые, вагонные, авиационные и другие.

При рассмотрении вопросов проектирования и изготовления сварные конструкции целесообразно классифицировать в зависимости от характерных особенностей их работы. В этом случае можно выделить следующие типы сварных конструкций и элементов этих конструкций:

1) Балки - это конструктивные элементы, работающие в основном на поперечный изгиб; жестко соединенные между собой балки образуют рамные конструкции;

2) Колонны - элементы, работающие преимущественно на сжатие или сжатие с продольным изгибом;

3) Решетчатые конструкции - системы стержней, соединенных в узлах таким образом, что стержни испытывают в основном растяжение или сжатие; к ним относятся арматурные сетки, каркасы, мачты, фермы;

4) Оболочковые конструкции, которые, как правило, испытывают избыточное давление; к оболочковым конструкциям предъявляют требование герметичности соединений; относят к этому типу разного рода сосуды, емкости, трубопроводы;

5) Корпусные транспортные конструкции, подвергаемые динамическим нагрузкам; к ним предъявляются требования высокой жесткости при минимальной массе. Основные конструкции этого типа - корпуса вагонов, судов, автомобильные кузова;

6) Детали машин или приборов, работающие преимущественно при переменных, многократно повторяющихся нагрузках. Характерное требование к ним - получение точных размеров, обеспечиваемое главным образом механической обработкой заготовок или готовых деталей. Примерами таких изделий являются станины, валы, колеса.

Основными задачами дисциплины являются: изучение методов расчета сварных соединений и конструкций в условиях статического и циклического нагружения, изучение послесварочного напряженно-деформированного состояния сварных соединений и влияния его на прочность конструкций.

Раздел 1. Анализ объекта производства. Назначение конструкции и технические требования

Аппарат емкостной малого объёма 6,3 л (рисунок 1) предназначен для приёма, хранения и выдачи водно-органических отходов при атмосферном давлении. Эксплуатация ёмкости производится в условиях нормальной влажности. Состав рабочей среды: изобутиловый спирт - 5%, вода - 85%, сульфат натрия - 10%. Таким образом, внутренняя среда аппарата агрессивна.

Рисунок 1. Аппарат емкостной

Согласно ПБ 03-584-03, сосуды подлежат гидравлическому испытанию после их изготовления. Гидравлическое испытание сосудов, транспортируемых частями и собираемых на месте монтажа, допускается проводить после их сборки на месте установки. Пробное давление  при гидравлическом испытании сосудов определяется по формуле:

, (1)

где Р - расчетное давление, МПа (кгс/см2);,  - допускаемые напряжения для материала соответственно при 20°С и расчетной температуре t, МПа (кгс/см2).

Так как на начальном этапе проектирования отношение временного сопротивления материала к пределу текучести неизвестно, принимаем, что величина пробного давления будет составлять:

МПа. (2)

Полученное значение пробного давления МПа будет приниматься в дальнейшем в качестве расчетного.

Время выдержки сосудов под пробным давлением устанавливается в соответствии с ГОСТ Р 52630-2006.

Геометрические размеры и масса аппарата емкостного на объем 6,3 л и давление 0,086 МПа (1 кгс/мм) приводятся в таблице 1.

Таблица 1

Геометрические размеры и масса аппарата емкостного (ГОСТ Р 52630-2006)

Объем баллона, л	Диаметр цилиндрической части, мм	Толщина стенки, мм, не менее	Длина корпуса, мм	Масса, кг
6,3	1600,0	10	3400,0	2100

Примечание: длина и диаметр ёмкости указаны как справочные величины.

В зависимости от расчетного давления, температуры стенки и рабочей среды сосуды подразделяются на группы. Группа сосуда определяется по таблице 2. Сосуды, работающие под вакуумом или без давления (под наливом), независимо от расчетного давления следует отнести к группе 5а или 5б.

Таблица 2

Группа сосуда (ГОСТ Р 52630-2006)

Группа	Расчетное давление, МПа (кгс/см2)	Температура стенки, °С	Рабочая среда
1	2	3	4
1	Более 0,07 (0,7)	Независимо	Взрывоопасная или пожароопасная или 1-го, 2-го классов опасности
2	Более 0,07 (0,7) до 2,5 (25)	Выше 400	Любая, за исключением указанной для 1-й группы сосудов
	Более 2,5 (25) до 5,0 (50)	Выше 200
	Более 5,0 (50)	Независимо
	Более 4,0 (40) до 5,0 (50)	Ниже -40
3	Более 0,07 (0,7) до 1,6 (16)	Ниже -20 От 200 до 400
	Более 1,6 (16) до 2,5 (25)	До 400
	Более 2,5 (25) до 4,0 (40)	До 200
	Более 4,0 (40) до 5,0 (50)	От -40 до 200
4	Более 0,07 (0,7) до 1,6 (16)	От -20 до 200
5а	До 0,07 (0,7)	Независимо	Взрывоопасная или пожароопасная или 1, 2, 3-го классов опасности
5б	До 0,07 (0,7)	Независимо	Взрывобезопасная или пожаробезопасная или 4-го класса опасности

В соответствии с требованиями ГОСТ Р 52630-2006 сосуды должны изготовляться по нормам указанного стандарта и ПБ 03-584-03 «Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных» по рабочим чертежам, утвержденным в установленном порядке.

Ёмкость изготавливается из стали листовой. Коррозионно-стойкая, жаростойкая и жаропрочная толстолистовая сталь выбирается горячекатаной, термически обработанной, травленой, с обрезной кромкой, с качеством поверхности по группе М2б. При необходимости следует оговаривать требования по содержанию -фазы и стойкости против межкристаллитной коррозии.

Материалы опорных частей сосудов, кронштейнов для крепления навесного оборудования и других деталей наружных приварных элементов должны удовлетворять требованиям, указанным в таблице 3.

Таблица 3

Марки сталей для сосудов, находящихся без давления, в зависимости от средней температуры воздуха наиболее холодной пятидневки

Средняя температура воздуха наиболее холодной пятидневки, С	Марка стали и обозначение стандарта
Не ниже -30	Ст3пс3, Ст3сп3, Ст3Гпс3 по ГОСТ 14637
	15К-3, 16К-3, 18К-3, 20К-3 по ГОСТ 5520
	16ГС-3, 09Г2С-3, 10Г2С1-3 по ГОСТ 5520
От -31 до -40	Ст3пс4, Ст3сп4, Ст3Гпс4 по ГОСТ 14637
	15К-5, 16К-5, 18К-5, 20К-5 по ГОСТ 5520
	16ГС-6, 09Г2С-6, 10Г2С1-6 по ГОСТ 5520
От -41 до -60	09Г2С-8, 10Г2С1-8 по ГОСТ 5520

После сборки и сварки обечаек корпус (без днищ) должен удовлетворять следующим требованиям:

а) отклонение по длине не более ±0,3% номинальной длины, но не более ±75 мм;

б) отклонение от прямолинейности не более 2 мм на длине 1 м, но не более 30 мм при длине корпуса свыше 15 м;

в) отклонение от прямолинейности корпуса (без днищ) сосудов с внутренними устройствами, устанавливаемыми в собранном виде, не превышает величину номинального зазора между внутренним диаметром корпуса и наружным диаметром устройства на участке установки.

Усиления кольцевых и продольных швов на внутренней поверхности корпуса следует зачищать в местах, если они мешают установке внутренних устройств.

Усиления сварных швов не снимают у корпусов сосудов, изготовленных из двухслойных и коррозионно-стойких сталей; при этом у деталей внутренних устройств делают местную выемку в местах прилегания к сварному шву. В случае, если зачистка таких внутренних швов необходима, следует предусматривать технологию сварки, обеспечивающую коррозионную стойкость зачищенного шва.

Отклонение внутреннего (наружного) диаметра в цилиндрической части отбортованных днищ и полусферического днища допускается не более ±1% номинального диаметра. Относительная овальность допускается не более 1%, если не установлено более жестких требований.

Днища, изготовленные из коррозионно-стойкой стали аустенитного класса методом горячей штамповки или горячего фланжирования, а также днища, прошедшие термообработку или горячую правку, следует очищать от окалины, если это требование предусмотрено технической документацией. Пассивирование рабочей поверхности днищ производится по требованию технической документации.

Элементы, привариваемые непосредственно к корпусу изнутри или снаружи: лапы, цилиндрические опоры, подкладки под фирменные пластинки, опорные кольца под тарелки и др., должны изготавливаться из материалов, обладающих хорошей свариваемостью, и иметь с материалом корпуса близкие значения коэффициентов линейного расширения. При этом разница в значениях коэффициентов линейного расширения не должна превышать 10 %.

Методы разметки заготовок деталей из сталей аустенитного класса марок 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М3Т, 08Х17Н15М3Т и др. и двухслойных сталей с коррозионно-стойким слоем из этих сталей не должны допускать повреждений рабочей поверхности деталей.

На поверхности обечаек и днищ не допускаются риски, забоины, царапины, раковины и другие дефекты, если их глубина превышает минусовые предельные отклонения, предусмотренные соответствующими стандартами и техническими условиями, или если после их устранения толщина стенки будет менее допускаемой по расчету.

Поверхности деталей следует очищать от брызг металла, полученных в результате термической (огневой) резки и сварки.

Заусенцы следует удалять, а острые кромки деталей и узлов притуплять.

Все глухие части сборочных единиц и элементов внутренних устройств должны иметь дренажные отверстия, расположенные в самых низких местах этих сборочных единиц и элементов, для обеспечения полного слива жидкости в случае остановки сосуда.

Все глухие полости сосудов и их частей должны иметь отверстия для удаления воздуха.

В сварочных соединениях не допускаются следующие наружные дефекты:

- трещины всех видов и направлений;

- свищи и пористость наружной поверхности шва;

- подрезы;

- наплавы, прожоги и незаплавленные кратеры;

- смещение и совместный увод кромок свариваемых элементов свыше предусмотренных норм;

- несоответствие формы и размеров требованиям стандартов, технических условий или проекта;

- поры, выходящие за пределы установленных норм;

- чешуйчатость поверхности и глубина впадин между валиками шва, превышающие допуск на усиление шва по высоте.

Не допускаются дефекты площадью более 1000 мм2 при чувствительности контроля Д5Э по ГОСТ 22727-88. На одном метре длины контролируемой кромки допускается не более трёх зафиксированных дефектов (пор) при минимальном расстоянии между ними 100 мм.

В случае обнаружения недопустимых дефектов исправления производятся в соответствии с Инструкцией на исправление методом дуговой сварки строчечных дефектов, выявляемых в процессе изготовления толстостенной нефтехимической аппаратуры.

Оси резьбовых отверстий деталей внутренних устройств должны быть перпендикулярными к опорным поверхностям. Допуск перпендикулярности должен быть в пределах 15-й степени точности, если не предъявляются в документации более жесткие требования.

При установке штуцеров и люков:

- позиционное отклонение (в радиусном измерении) осей штуцеров и люков допускается не более ±10 мм;

- отклонения диаметров отверстий под штуцера и люки должны быть в пределах зазоров, допускаемых для сварных соединений;

- оси отверстий для болтов и шпилек фланцев не рекомендуется совмещать с главными осями сосудов и следует располагать симметрично относительно этих осей, при этом отклонение от симметричности допускается не более ±5°;

- отклонение по высоте (вылету) штуцеров допускается не более ±5 мм.

Маркировку сосудов осуществляют в соответствии с требованиями ПБ 03-584-03.

Маркировка сосудов с толщиной стенки корпуса 4 мм и более наносится клеймением или гравировкой. Маркировка заключается в рамку, выполненную атмосферостойкой краской, и защищается бесцветным лаком (тонким слоем смазки). Глубина маркировки клеймением или гравировкой должна быть в пределах 0,2-0,3 мм.

Форма и цвет маркировки должны соответствовать требованиям государственного стандарта и быть отчетливо различимыми длительное время.

Цвет покрытия выбирается в зависимости от условий эксплуатации сосуда (сборочной единицы) по государственным стандартам и проекту.

Назначенные, расчетные и гарантийные сроки безопасной эксплуатации сосудов указываются в технической документации. Продление сроков эксплуатации сосудов осуществляется в установленном порядке.

Транспортирование и крепление сосудов следует производить по документации изготовителя и требованиям к транспортным средствам.

Категорию и условия транспортирования и хранения сосудов в части воздействия климатических факторов внешней среды следует указывать в технической документации на конкретные сосуды. При назначении категории и условий хранения следует учитывать сроки сохраняемости комплектующих деталей.

К сосудам прилагается следующая документация:

- паспорт согласно требованиям нормативно-технической документации по промышленной безопасности для сосудов, работающих под давлением;

- инструкция по монтажу;

- руководство по эксплуатации, включая регламент пуска и остановки;

- ведомость запасных частей;

- расчеты на прочность;

- чертежи быстроизнашивающихся деталей (при необходимости);

- акт о проведении контрольной сборки или контрольной проверки размеров, схема монтажной маркировки, сборочные чертежи в трех экземплярах (для сосудов, транспортируемых частями);

- эксплуатационная документация, включая меры безопасности, порядок эксплуатации, контроля, ремонта, диагностирования и освидетельствования;

- техническая документация на комплектующие изделия (электродвигатели, редукторы, насосы и др.).

Люк ёмкости, сборочный чертёж которого приведён в графической части, состоит из следующих частей: 1) Сборочные единицы: 1 - корпус; 2 - рукоятка; 2) Детали: 5 - крышка, 6 - тяга; 7 - ушко; 8 - кронштейн; 9 и 10 - втулки; 11 - шайба; 12 - ребро; 13 - косынка; 14 - ручка (2 штуки); 3) Стандартные изделия: 17 - гайка М20-6Н. 20.019 ОСТ 26-2041-96 (20 штук); 18 - шайба 16.Ст3пс4 ОСТ 26-2042-96; 19 - шпилька 1-М20-6gx 100.35.019 ОСТ 26-2040-96 (20 штук); 20 - шплинт 6,340 Сталь 10 ГОСТ 397-79; 4) Материалы: лента графлекс ЛС-3000 412 ТУ 2573-004-13267785-03 (1,8 м).

Раздел 2. Обоснование выбора основных материалов сварной конструкции

При выборе материалов для изготовления сосудов (сборочных единиц, деталей) следует учитывать: расчетное давление, температуру стенки (минимальную и максимальную), химический состав и характер среды, технологические свойства и коррозионную стойкость материалов.

Для изготовления сосудов и их элементов должны применяться основные материалы, приведенные в ПБ 03-584-03.

Так как проектируемая ёмкость эксплуатируется в нормальных условиях, имеет большой объем, рабочее давление - атмосферное, но рабочая среда агрессивна, то в качестве основных материалов для его изготовления ГОСТ Р 52630-2006 рекомендуются коррозионно-стойкие стали.

Нержавеющие стали, применяемые в сварных конструкциях, относятся к группе материалов 9 (М11). Согласно ГОСТ 7350-77, толстолистовую коррозионно-стойкую сталь изготовляют следующих марок: 20X13, 09Х16Н4Б, 12X13, 14X17H2, 08X13, 12X17, 08Х17Т, 15Х25Т, 07Х16Н6, 09Х17Н7Ю, 03X18H11, 03Х17Н14М3, 08Х22Н6Т, 12X21H5T, 08X21Н6М2Т, 20Х23Н13, 08Х18Г8Н2Т, 15Х18Н12С4ТЮ, 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4, 08Х17Н13М2Т, 10X17Н13М2Т, 10X17H13M3T, 08Х17Н15М3Т, 12Х18Н9, 17X18Н9, 12Х18Н9Т, 04Х18Н10, 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 08Х18Н12Т, 12Х18Н12Т, 08Х18Н12Б, 03Х21Н21М4ГБ, 03Х22Н6М2, 03Х23Н6, 20Х23Н18, 12X25Н16Г7АР, 06ХН28МДТ, 03ХН28МДТ, 15Х5М.

Корпуса следует выполнять из обечаек.

Для изготовления обечаек назначаем сталь листовую. По техническим условиям для заданной ёмкости подходит коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т. Технические требования на листы из такой стали задаются ГОСТ 19903-90 «Прокат сортовой горячекатаный» и ГОСТ 19904-90 «Прокат сортовой холоднокатаный».

Исходя из обеспечения требований к прочности проектируемой конструкции ёмкости и агрессивных условий работы, принимаем в качестве основного материала для его изготовления сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 73-50-77 (таблица 4).

Таблица 4

Химический состав стали 12Х18Н10Т ГОСТ 73-50-77

Химический элемент	%
Кремний (Si), не более	0.8
Медь (Cu), не более	0.30
Марганец (Mn), не более	2.0
Никель (Ni)	9.0-11.0
Титан (Ti)	0.6-0.8
Фосфор (P), не более	0.035
Хром (Cr)	17.0-19.0
Сера (S), не более	0.020

Сплав 12Х18Н10Т применяется в сварных конструкциях, работающих в контакте с азотной кислотой и другими средами окислительного характера; в некоторых органических кислотах средней концентрации, органических растворителях, атмосферных условиях и т.д. Изготавливают емкостное, теплообменное и другое оборудование: детали, работающие до 600 °С; сварные аппараты и сосуды, работающие в разбавленных растворах азотной, уксусной, фосфорной кислот, растворах щелочей и солей и другие детали, работающие под давлением при температуре от -196 до +600 °С, а при наличии агрессивных сред до +350 °С. Механические свойства стали 12Х18Н10Т приведены в таблице 5.

Таблица 5

Механические свойства стали 12Х18Н10Т ГОСТ 7350-77

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	s0,2, МПа	sB, МПа	d5, %	y, %
Прутки. Закакла 1020-1100 °С, воздух, масло или вода.	60	196	510	40	55
Прутки шлифованные, обработанные на заданную прочность.			590-830	20
Прутки нагартованные	<5		930
Листы горячекатаные или холоднокатаные. Закалка 1000-1080 °С, вода или воздух.	>4	236	530	38
Листы горячекатаные или холоднокатаные. Закалка 1050-1080 °С, вода или воздух.	<3,9	205	530	40
Листы горячекатаные или холоднокатаные нагартованные	<3,9		880-1080	10
Поковки. Закалка 1050-1100 °С, вода или воздух.	<1000	196	510	35	40
Проволока термообработанная	1,0-6,0		540-880	20
Трубы бесшовные горячедеформированные без термообработки.	3,5-32		529	40

Эллиптические днища изготавливаются также из листового проката того же материала. Для обеспечения равномерной конструктивной прочности сосуда и из экономических соображений для изготовления его опор принимаем сталь Ст3пс5 ГОСТ 380-94 (таблица 6).

Таблица 6

Химический состав в % материала Ст3пс5 (ГОСТ 380-94)

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	N	Cu	As
0.14 - 0.22	0.05 - 0.15	0.4 - 0.65	до 0.3	до 0.05	до 0.04	до 0.3	до 0.008	до 0.3	до 0.08

Углеродистые стали, применяемые в сварных конструкциях, относятся к группе основных материалов 1 (М01). Сталь Ст3пс5 применяется для изготовления несущих элементов сварных и несварных конструкций и деталей, работающих при положительных температурах. Её механические свойства приведены в таблице 7.

Таблица 7

Механические свойства при Т=20С стали Ст3пс5

Сортамент	sв	sT	d5	y
-	МПа	МПа	%	%
Трубы, ГОСТ 8696-74	372	245	23
Трубы, ГОСТ 10705-80	372	225	22
Прокат, ГОСТ 535-2005	370-480	205-245	23-26
Лист толстый, ГОСТ 14637-89	370-480	205-245	23-26
Арматура, ГОСТ 5781-82	373	235	25
Катанка, ГОСТ 30136-95	490-540			60

Принимаем для опор листы из стали Ст3пс5 ГОСТ 14637-89.

Опоры из углеродистых сталей допускается применять для сосудов из коррозионно-стойких сталей при условии, что к сосуду приваривается переходная обечайка опоры из коррозионно-стойкой стали высотой, определяемой расчетом..

Сортамент проката листового горячекатаного и холоднокатаного из стали 12Х18Н10Т устанавливается ГОСТ 19903-90 и ГОСТ 19904-90 и приводится в таблицах 8 и 9 соответственно.

Таблица 9

Сортамент проката листового холоднокатаного ГОСТ 19903-90, мм

Толщина листов	Минимальная и максимальная длина листов при ширине
	500	550	600	650	700	750	800	850	900	950	1000	1100	1200	1250	1400	1450	1500	1600	1700	1800	1900	2000	2100	2200	2300	2350
0,35-0,50	1000	1100	1200	1300	1400	1500	1500	1500	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
0,55-0,75	2500	2500	2500	3000	3000	3000	3000	3500				-	-	-	-	-	-	-	-	-
0,80									1500	1500		2000			-	-	-	-	-	-	-	-
0,90-1,00									3500	4000		4000				-	-	-	-	-	-	-
1,10-1,30															2000 4200	-	-	-	-	-	-
1,40-2,00	1000	1100	1200	1300	1400									1500 6000						2500			2200* 3500		-
2,20-2,50	3000	3000	3500	3500	3500				1500					2000			6000
2,80-3,20									3500					6000	2000
3,50-3,90	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	2000	2000 4700	4750				2500 3500
4,00-5,00	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		4500

Механические свойства толстолистового проката в зависимости от сортамента из стали Ст3пс5 устанавливается ГОСТ 14637-89 и приводится в таблице 10.

Таблица 10

Механические свойства толстолистового проката из стали Ст3пс5 (ГОСТ 14637-89)

Марка стали	Временное сопротивление в, Н/мм2 (кгс/мм2)	Предел текучести т, Н/мм2 (кгс/мм2), для толщин, мм	Относительное удлинение 5, %, для толщин, мм
		до 20	св. 20 до 40	св. 40 до 100	св. 100	До 20	св. 20 до 40	св. 40
		не менее
Ст3пс	370 - 480(38 - 49)	245(25)	235(24)	225(23)	205(21)	26	25	23

В соответствии с ГОСТ 19903-90, ГОСТ 19904-90, ГОСТ 14637-89, на поверхности проката не должно быть рванин, сквозных разрывов, раскатанных пригара и корочек, а также пузырей-вздутий, гармошки, трещин, плен, загрязнений и вкатанной окалины. Допускаются дефекты (рябизна, риски и другие местные дефекты), не выводящие прокат за предельные размеры.

Устранение поверхностных дефектов проката всех толщин, изготовляемого на толстолистовых станах, проводится зачисткой. Допускается зачищенные участки проката толщиной более 10 мм заваривать.

Зачистка проводится абразивным инструментом или способами, не вызывающими изменений свойств проката.

При удалении дефектов поверхности проката зачисткой допускается уменьшение толщины не более 5% номинальной сверх минусового предельного отклонения, но не более 3 мм, при этом площадь отдельного зачищенного участка поверхности проката не должна быть более 100 см2, суммарная площадь всех зачищенных участков на одном листе - не более 2 % его площади.

На поверхности листов допускаются без зачистки отдельные забоины, риски, царапины, отпечатки, если глубина их залегания не выводит толщину листа за предельные отклонения, а также тонкий слой окалины, не препятствующий выявлению поверхностных дефектов, незначительная рябизна.

Листы, поступающие в производство, должны быть обрезаны. На листах, прокатанных на непрерывных станах, допускается кромку не обрезать. Глубина дефектов на кромках не должна превышать половины предельного отклонения по ширине и выводить листы за номинальный размер по ширине.

Расслоения в листах не допускаются. На обрезанных кромках проката не должно быть расслоений, трещин и рванин, а также выводящих за предельные размеры по ширине и длине:

- волосовин и трещин напряжения глубиной более 2 мм и длиной более 25 мм;

- зазубрин глубиной более 2 мм для проката толщиной до 20 мм и 3 мм - проката больших толщин.

На кромках проката не должно быть заусенцев высотой более 2 мм.

Допускаются отдельные раскатанные пузыри, если они расположены не скученно и длина каждого не превышает 20 мм? а глубина - 2 мм.

Смятие и подгиб кромок после обрезки не должны выводить прокат за предельные отклонения от плоскостности по ГОСТ 19903-94.

На обжатых кромках не должно быть расслоений, рванин, трещин, пузырей-вздутий, плен, загрязнений, вкатанной окалины, волосовин и рисок, выводящих прокат за предельные размеры по ширине.

Глубина дефектов на необрезанной кромке чиста или рулона не должна превышать половины предельного отклонения по ширине и не выводить ширину проката за номинальный размер.

Одним из ключевых параметров в производстве сварных конструкций является свариваемость сталей, которая во многом определяет выбор способов сварки и виде технологических процессов.

Учитывая, что стандартное определение свариваемости носит прикладной характер и отражает функциональное назначение изделий со сварной конструкцией в условиях эксплуатации, целесообразно ввести в употребление новый термин -- функциональная свариваемость.

Определение функциональной свариваемости практически полностью совпадает по сути с определением свариваемости по ГОСТ 29273-92 -- функциональная свариваемость -- свойство металлов и сплавов образовывать при соответствующей технологии сварки соединения с металлической целостностью, отвечающие требованиям нормативно-технической документации на эксплуатационные показатели конкретного изделия со сварной конструкцией.

В современной сварочной терминологии различают физическую свариваемость и технологическую свариваемость.

Физическая свариваемость определяется физико-химическими свойствами соединяемых металлов и характеризует принципиальную возможность получения сварных соединений, в основном, из разнородных металлов.

Технологическая свариваемость -- это комплексная характеристика металлов и сплавов, отражающая их реакцию на процесс сварки и определяющая относительную техническую пригодность материалов для выполнения заданных сварных соединений, удовлетворяющих условиям их последующей эксплуатации. Чем больше применимых к данному металлу видов сварки и шире для каждого вида сварки пределы оптимальных режимов, обеспечивающих возможность получения сварных соединений требуемого качества, тем лучше его технологическая свариваемость.

Свариваемость стали обеспечивается технологией ее изготовления и химическим составом.

Низкоуглеродистые стали для изготовления сварных конструкций, к которым относятся и высоколегированная сталь 12Х18Н10Т, и конструкционная сталь обыкновенного качества Ст3пс5, в общем, отличаются хорошей свариваемостью. Снижать свариваемость могут вредные примеси, если содержание их превышает норму.

Вредные примеси могут ухудшать свариваемость даже и при среднем содержании, не выходящем из нормы, если они образуют местные скопления, например, вследствие ликвации. Вредными для сварки элементами в низкоуглеродистой стали являются фосфор и сера, причём последняя особенно склонна к ликвации с образованием местных скоплений.

Отрицательное влияние на свариваемость может оказывать также засорённость металла газами и неметаллическими включениями. Засорённость металла вредными примесями зависит от способа его производства и о ней частично можно судить по маркировке металла. Сталь повышенного качества сваривается лучше, чем сталь обычного качества соответствующей марки; сталь мартеновская лучше, чем сталь бессемеровская, а сталь мартеновская спокойная лучше, чем кипящая. При изготовлении ответственных сварных изделий указан-ные отличия в свариваемости низкоуглеродистых сталей должны обязательно приниматься во внимание и учитываться при выборе марки основного металла.

Углеродистые стали, содержащие углерода более 0,25%, обладают пониженной свариваемостью по сравнению с низкоуглеродистыми, причём свариваемость постепенно снижается по мере повышения содержания углерода. Стали с повышенным содержанием углерода легко закаливаются, что ведёт к получению твёрдых хрупких закалочных структур в зоне сварки и может сопровождаться образованием трещин. С повышением содержания углерода растёт склонность металла к перегреву в зоне сварки. Увеличенное содержание углерода усиливает процесс его выгорания с образованием газообразной окиси углерода, вызывающей вскипание ванны и могущей приводить к значительной пористости наплавленного металла.

Простейшая оценка свариваемости стали проводится по углеродному эквиваленту (риск развития холодных трещин).

Эквивалент углерода низколегированных конструкционных сталей, независимо от состояния их поставки - горячекатаные, нормализованные и термически упрочненные - определяется по формуле:

, (3)

где С, Мn, Сr, Мo, V, Ti, Nb, Cu, Ni, B - содержание, % от массы, в составе металла стали соответственно углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, титана, ниобия, меди, никеля, бора.

Величина эквивалента углерода низкоуглеродистых марок стали и низколегированной стали, только с кремнемарганцевой системой легирования, рассчитывается по формуле:

. (4)

В последнем случае медь, никель и хром, содержащиеся в сталях как примеси, при подсчете не учитываются.

Тогда для стали Ст3пс5:

%.

Для высоколегированных катаных сталей рассчитывается хромоникелевый эквивалент по формулам:

; (5)

, (6)

где в правой части уравнения химические символы означают процентное содержание данных элементов в металле шва.

Тогда для стали 12Х18Н10Т:

%;

%.

Для стали 12Х18Н10Т хромоникелевый эквивалент, определенный по формулам (5), (6), попадает в область диаграммы Шеффлера (рисунок 2), при которой происходит образование лучшей структуры для сварки - аустенит + небольшое содержание феррита; для стали Ст3пс5 углеродный эквивалент, определенный по формуле (4), составляет 0,21-0,33, что позволяет считать эти стали свариваемыми без ограничений. При этом для сварки могут применяться такие способы, как ручная дуговая покрытыми электродами, автоматическая под флюсом, механизированная и автоматическая в защитном газе, электро-шлаковая и т.д.

Рисунок 2. Структурная диаграмма нержавеющих сталей (диаграмма Шеффлера)

При этом при сварке изделий при положительной температуре воздуха предварительный и сопутствующий подогрев не требуется.

Раздел 3. Расчет и проектирование сварной конструкции

Проектируемый емкостной аппарат (рисунок 1) состоит из следующих основных частей: сварной обечайки (рисунок 3), изготавливаемой из проката сортового горячекатаного из стали 12Х18Н10Т ГОСТ 7350-77; левого и правого эллиптических днищ (рисунок 4), изготавливаемых из той же коррозионно-стойкой стали по ГОСТ 6533-78; подвижной и неподвижной опор (рисунки 5а, 5б соответственно), изготавливаемых из листов из стали Ст3пс5 ГОСТ 380-94.

Рисунок 3. Сварная обечайка

Диаметр обечайки D в соответствии с исходными данными на проектирование и ГОСТ Р 52630-2006 (таблица 1) составляет 1600 мм.

Рисунок 4. Эллиптическое днище



Рисунок 5. Опоры ёмкости: а) Подвижная опора; б) Неподвижная опора (вид в разрезе)

Длина обечайки L из геометрических соображений (рисунки 1, 4 и 6) составит 2500 мм.

Нормативно-техническая документация не устанавливает специальных требований к конструкции опор сосудов, поэтому конструкция может быть любой, однако, она должна обеспечивать устойчивость ёмкости в горизонтальном положении и быть достаточно и экономичной. Одна из опор должна быть подвижной, чтобы иметь возможность небольших перемещений при изменениях температуры. Опоры из углеродистых сталей допускается применять для сосудов из коррозионно-стойких сталей при условии, что к сосуду приваривается переходная обечайка опоры из коррозионно-стойкой стали высотой, определяемой расчетом. В настоящем проекте примем конструкцию опор, показанную на рисунке 5.

Из конструктивных соображений высота опоры из стали Ст3пс5 - 560 мм при ширине 300 мм, а ширина переходной обечайки - 400 мм.

Рассчитаем толщину стенки обечайки по формуле:

, (7)

где - расчетное (избыточное) внутреннее давление, принимаемое с учетом последующих испытаний равным , вычисленным ранее по формуле (1);

- внутренний диаметр обечайки;

- допускаемое напряжение при растяжении;

=0,7…1,0 - коэффициент прочности сварных швов;

с - прибавка на коррозию и неправильную сборку (приблизительно 1,5…2 мм/год).

При определении допускаемого напряжения важно заметить, что расчет на прочность при статических нагрузках деталей из хрупких материалов, разрушающихся хрупко, производится по пределам прочности.

В то же время, для пластичных материалов с вязким механизмом разрушения, к которым относится большинство конструкционных сталей, расчет допускаемого напряжения проводится по формуле:

, (8)

где - физический или условный () предел текучести материала.

Принимая в расчетах средние значения коэффициентов n = 1,2 и = 0,9, а также = 236 Н/мм для стали 12Х18Н10Т (таблица 5) и подставляя все в выражения (5) и (6), получим:

МПа;

1,8 мм.

Толщина эллиптических днищ ёмкости определяется:

, (9)

где h = 1600 мм - высота выпуклой части.

Подставляя числовые значения, получим:

мм.

Как видно из приведенных расчетов, полученные значения толщины обечайки и днищ ёмкости отличаются, что с технологической точки зрения приводит к необходимости дополнительной механической обработки для плавного перехода сечений в месте сварки. Технически это сложнее и может быть невыгодно экономически. Поэтому предварительно принимаем мм.

По сортаменту листов из стали 12Х18Н10Т (таблицы 8,9) принимаем листы с толщиной 3,0 мм.

Мы получили, что требуемую прочность обеспечивает толщина стенки мм. По установленным нормативам, средняя надбавка на коррозию, связанную с условиями работы, составляет мм. Тогда:

мм. (10)

Поэтому принимаем окончательную толщину стенок и днищ ёмкости, равную 10,0 мм.

Исходя из имеющегося сортамента горячекатаных (таблица 8) или холоднокатаных (таблица 9) листовых сталей, принимаем ближайшую большую толщину стенки обечайки баллона 10 мм. Принимаем горячекатаную листовую сталь.

Принятые толщины стенок обечайки и днища одинаковы, следовательно, дополнительных технологических трудностей при сварке не будет.

Согласно ПБ 03-581-03, при сварке обечаек и труб, приварке днищ к обечайкам следует применять стыковые швы с полным проплавлением. Допускается применять угловые и тавровые швы при приварке штуцеров, люков, труб, трубных решеток, плоских днищ и фланцев. Допускается применять нахлесточные сварные швы для приварки укрепляющих колец и опорных элементов.

Исходя из конструкции аппарата емкостного (рисунок 1), в нем можно выделить три наиболее важных сварных соединения (рисунок 6) - два стыковых 1 и 2 (продольный шов обечайки и кольцевое соединение обечайки со сферическим днищем соответственно) и одно угловое 3 (кольцевое соединение люка с обечайкой).

Рисунок 6. Схема сварного аппарата емкостного

По конструктивным соображениям и последовательности выполнения технологического процесса сначала спроектируем сварное соединение 1 (рисунок 6).

Сварное соединение 1 (рисунки 3 и 6) следует конструктивно оформлять в соответствии с РД РТМ 26-298-78. Для обеспечения полного проплавления сварного соединения при возможности двухсторонней сварки с учетом рекомендаций ГОСТ 8713-79 принимаем стыковое соединение типа С29. Конструктивные элементы подготовленных кромок свариваемых деталей и шва сварного соединения представлены на рисунке 7.

Рисунок 7. Конструктивные элементы подготовленных кромок свариваемых деталей и шва сварных соединений 1 и 2 типа С29 ГОСТ 8713-79

Согласно выполненному ранее расчету и ГОСТ 8713-79, кромки деталей и сварной шов имеют следующие конструктивные параметры: толщины S = S1 = 10,0 мм; e = 24 мм, не более; b = 2 ± 1,0 мм; g = мм.

Для сварки указанного соединения может быть принят любой дуговой способ из числа анализируемых в разделе 4.

После выполнения операции обечайка сваривается полностью.

Этот сварной шов выполняется автоматической сваркой на флюсовой подушке.

Геометрические параметры сварных соединений 1 и 2 (рисунок 6) в этом случае будут регламентироваться ГОСТ 8713-79.

Конструкция ёмкости позволяет выполнить двухстороннюю сварку. В этой связи можно принять двухсторонние соединения, выполняемые на флюсовой подушке. Назначаем двухстороннее сварное соединение с полным проплавлением без использования выводных планок. Первый шов выполняется на флюсовой подушке, второй - под слоем флюса.

Тип сварного соединения 2 принимаем также С29, для которого конструктивные элементы подготовленных кромок свариваемых деталей и шва представлены на рисунке 7. Конструктивные параметры - те же. Назначаем также двухстороннее сварное соединение с полным проплавлением без использования выводных планок.

Толщину стенки люка принимаем равной толщине 8,0 мм, а его диаметр = 500 мм.

Сварное соединение 3 (рисунок 8) приварки люка к обечайке следует конструктивно оформлять в соответствии с ГОСТ 14771-76 «Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры». Для обеспечения полного проплавления сварного соединения при условии односторонней сварки с учетом рекомендаций ГОСТ 14771-76 принимаем угловое соединение типа У6 с односторонней разделкой одной из кромок (кромки обечайки). Конструктивные элементы подготовленных кромок свариваемых деталей и шва сварного соединения представлены на рисунке 8.

Рисунок 8. Конструктивные элементы подготовленных кромок свариваемых деталей и шва сварного соединения 3 типа У6 ГОСТ 14771-76

Кромки деталей и сварной шов имеют следующие конструктивные параметры: S = 10,0 мм; S = 8,0 мм; b = 1 ± 1,0 мм; с = 1 ± 1,0 мм; е = 20 ± 2,0 мм; g = 1 ± 1,0 мм; .

Для этого соединения назначаем механизированную аргонодуговую сварку плавящимся электродом.

В соответствии с принятым способом сварки и назначенными типами соединений, сварные швы по ГОСТ 2.312-72 будут обозначаться как:

- соединение 1:;

- соединение 2:;

- соединение 3:.

В условных обозначениях указано, что шов выполняется по замкнутой линии (кроме соединения 1) способами сварки АФф и МАДП с типами соединений С29 и У6 по ГОСТ 8713-79 и ГОСТ 14771-76.

Проектируемые сварные соединения должны быть проверены на прочность.

Проверка прочности сварных соединений 1 и 2 производится по формуле:

, (11)

где - напряжение в сварном соединении; N - продольная нагрузка, растягивающая шов; - площадь поперечного сечения шва; - допускаемое напряжение при растяжении.

Сначала выполним расчёт сварного соединения № 1.

К данному моменту неизвестными величинами в формуле (11) являются параметры N и , которые при известной геометрии конструкции изделия и сварных соединений и при заданном давлении будут рассчитываться:

; (12)

, (13)

где S - расчетная площадь поверхности, на которую действует избыточное давление в баллоне; - длина рассчитываемого сварного шва.

Площадь внутренней (расчетной) поверхности рассчитываемой части обечайки, на которую действует избыточное давление, определяется по правилам геометрии:

, (14)

где D = 1600 мм - внутренний диаметр обечайки, = 1600 мм - длина данной части обечайки.

Тогда расчетная площадь поверхности S составит:

мм.

Исходя из равномерного распределения давления по рабочей площади поверхности обечайки ёмкости, растягивающее усилие по формуле (9) определится:

Н 691 кН.

Длина рассчитываемого сварного шва = 1600 мм, но нужно учесть технологическую составляющую =10 мм, так как шов выполняется без вводных технологических планок:

= 1600 - 10 = 1590 мм.

Подставляя полученные значения и значение , определенное по формуле (6), в выражение (8), получим для сварного шва № 1:

МПа < МПа.

Так как вычисленное значение напряжения в сварном шве, равное 43,2 Н/мм, меньше нормативного значения 196,7 Н/мм, то сварное соединение работоспособно.

Затем произведём расчёт сварного соединения № 2.

Так как в конструкции ёмкости применяются эллиптические днища, площадь их внутренней (расчетной) поверхности, на которую действует избыточное давление, определяется по правилам геометрии:

, (15)

где = 400 мм - длина большой полуоси, b = 225 мм - длина малой полуоси.

Тогда расчетная площадь поверхности S составит:

мм.

Исходя из равномерного распределения давления по рабочей площади поверхности днища баллона растягивающее усилие по формуле (9) определится:

Н 24 кН.

Длина рассчитываемого сварного шва находится как длина окружности свариваемых деталей по наружной поверхности за вычетом технологической составляющей =10 мм, так как шов выполняется без вводных технологических планок:

мм. (16)

Подставляя полученные значения и значение , определенное по формуле (6), в выражение (8), получим для сварного шва № 2:

МПа < МПа.

Так как вычисленное значение напряжения в сварном шве, равное 0,48 Н/мм, меньше нормативного значения 196,7 Н/мм, то сварное соединение работоспособно.

Расчет углового соединения 3 проводится по формуле:

, (17)

где - напряжение среза в угловом сварном соединении; N - продольная нагрузка, растягивающая шов; - площадь поперечного сечения шва; - допускаемое напряжение при срезе.

Для углового шва:

, (18)

где - коэффициент определения расчетной толщины углового шва; - толщина углового шва, принимаемая равной катету вписанного в шов равнобедренного прямоугольного треугольника.

При однопроходной механизированной сварке в защитном газе = 0,85.

Для рассматриваемого углового сварного соединения (рисунок 8) назначаем в соответствии с ГОСТ 8713-79 величину катета углового шва = 5 мм.

Для проектируемого люка ёмкости длина сварного шва равна:

мм, (19)

где мм - диаметр люка.

Допускаемое напряжение при срезе рассчитывается как:

МПа. (20)

При этом растягивающее усилие N определяется по формуле (12).

Значение S для люка будет определяться следующим образом:

мм. (21)

Тогда:

Н 17 кН.

Исходя из этого:

МПа < МПа.

Так как вычисленное значение напряжения на срез в угловом сварном шве, равное 6,37 Н/мм, меньше нормативного значения 98,35 Н/мм, то сварное соединение работоспособно.

Таким образом, в проекте окончательно принимаем толщину стенки обечайки аппарата емкостного и толщину стенки его днищ, равную 10,0 мм, а толщину стенки люка - равной 8,0 мм. Остальные геометрические размеры принимаем из приведенных расчетов и схем.

Схемы и геометрические параметры проектируемой конструкции используем для оформления чертежей в графической части проекта, дополняя чертежи техническими требованиями и условиями с проставлением соответствующих конструкции предельных отклонений и шероховатости поверхности деталей.

Важным этапом в проектировании сварных конструкций и разработке технологических процессов является установление коэффициента использования материала (КИМ), что влияет на себестоимость производства и конкурентоспособность продукции.

В настоящем проекте для производства ёмкостей используются листы из стали 12Х18Н10Т ГОСТ 7350-77 с техническими условиями по ГОСТ 19903-74 (прокат листовой горячекатаный). Размеры листов указаны в таблице 8. Для изготовления одной ёмкости понадобятся: 2 листа длиной 5024 мм при ширине 1600 мм и 900 мм для обечайки, 2 листа длиной 2010 мм и шириной 980 мм (полуднища) и 4 листа длиной 1005 мм и шириной 490 мм (четверти днищ) для сварных днищ. Размеры одного эллиптического днища приведены на рисунке 4.

Также необходимо несколько листов для изготовления переходных накладок.

Из экономических соображений предварительно принимаем 2 листа размерами ...