Проектирование сферического резервуара. 2
Министерство образования и науки РФ
Курганский государственный университет
Кафедра: «Технология и автоматизация сварочного производства»
Проектирование сферического резервуара
Пояснительная записка
по курсу ”Проектирование сварочных конструкций”
Ботников Д.И.
Курган 2011г.
Курсовой проект
“Проектирование сферического резервуара”
Спроектировать и рассчитать толщину стенок сварного сферического резервуара, предназначенного для хранения жидкости под давлением P=0,6 МПа; V=1000 . Резервуар изготавливается из стали 15ХСНД. При расчете коррозией пренебречь.
Аннотация
Целью данной работы является проектирование шарообразного резервуара, выполнение проектировочных и проверочных расчётов сварных соединений, расчёт необходимой толщины стенок резервуара, объёма и площади поверхности сферы, длины сварочных швов, расчёт прочности сварных швов.
На основе проведенных расчётов даётся оценка о работоспособности конструкции резервуара.
Содержание
Техническое
задание
Аннотация
1 Расчет радиуса и площади поверхности сферы 5
2 Расчет толщины стенки резервуара 5
3 Расчет длины кольцевых и меридианных швов 6
4 Проверочный расчет кольцевых и меридианных швов 7
5 Расчет опор 8
6 Расчет развертки сферического элемента 9
Теоретические данные 10
7 Общая характеристика сферического резервуара 12
8 Технология сборки и сварки сферического резервуара 13
9 Выбор и характеристики сварочного материала 17
10 Описание способа сварки 20
11 Характеристика стыковых многослойных швов 23
12 Конструкция стыка с размерами 27
13 Условное обозначение сварных швов 28
14 Дефекты образующиеся при сварке 28
Заключение 30
Список использованных источников 31
1. Расчёт радиуса и площади поверхности сферы
Объём сферы определяется по формуле: V=4πR03/3=1000 (м3)
м
R=6,2 м
Площадь поверхности сферы определяется по формуле:
S= pD2,
где D-диаметр сферы=12,4 м
S= pD2=3.14´(12,4´103)2=482,8()
Для расчёта объёма резервуара наиболее предпочтительной является конструкция показанная в таблице на рисунке . При диаметре сферы d=12,4м и объёме резервуара V=1000м3 лепесток будет состоять из двух частей 30 и 20 соответственно.
2. Расчёт толщины стенки резервуара
При изготовлении сферического резервуара применяют сталь 15ХСНД:
Её предел прочности sв=520мПа, предел тякучести sт=350 мПа.
Допустимое напряжение можно определить:
[s]р= sт/n , где n-коэффициент запаса=1,5
[s]р=350/1,5=233,3 мПа
Толщина стенки сферического резервуара определяется по формуле:
S0 = (P+P0)R0/2s ,
где
P- давление жидкости в резервуаре=0,6 МПа
P0- гидростатическое давление
γ – удельный вес жидкости=9810 Н/м3
R0- радиус сферы=6,2м
s- напряжение в стенке резервуара, мПа
Из условия s£[s]р примем что s= [s]р=233,3 мПа
Подставив исходные данные P,R0,s в формулу получим:
S0 =(0,6+0,12)´6,2´103/233,3=19,1 (мм)
Примем толщину стенки S0=20 мм
Расчет максимального давления вакуума:
s
р=0.75МПа=7.5бар
3. Расчёт длины кольцевых и меридианных швов
Длина кольцевого шва равна: =p dсег , где d1
dсег=диаметр
сегмента:
d1=2,7м d3
d2=8м
d3=12,4
Длина меридионального шва определяется по формуле
Lм=l=2pR0a/360 , где
a=центральный угол=1570, который был найден графическим путём, из построения графического резервуара в масштабе 1:100
Lм=l=2´3.14´6.2´157/360=17(м)
Ширина одного лепестка в зоне соединения со сферическим днищем составляет: Вл==0,8м
4. Проверочный расчёт кольцевого и меридианного швов
Давление распределяется равномерно по внутренней поверхности сферического резервуара. На сварные швы действует усилие N, которое стремится разорвать изделие: N=P×S , где S площадь днища (Sд) и сферической части без днищ (Sсф). Площадь днища определяется по формуле :
Площадь двух лепестков (Sсф2) сферической части резервуара без днищ определяется по формуле :
Напряжение, возникающее в кольцевом шве равно:
s
s
s
Напряжение, возникающее в меридиональном шве, между двумя лепестками сферической части резервуара рано:
s
Напряжения в кольцевом и меридиональном меньше допустимого s условие прочности выполняется
5. Расчет
опор для сферического
Расчет веса сферы:
Vсф= Vсф.б – Vcф.м=
Плотность стали:
Масса сферы с водой Mcф=1061 т
Расчет сечения стержня:
Так как лепестков 30 принимаем что опор будет 15
Определение площади сечения:
s
=23,3
Принимаем
Материал трубы – сталь 16Г2АФ (с440)
Подбираем трубу по ГОСТ 10704-91 с параметрами
Расчет и проверка сжатых сечений опор:
Определение гибкости λ
s
Условие прочности выполняется
6. Расчет
развертки сферического
номер точки |
Kx |
Ky |
Ci |
yi |
0 |
0,10472 |
0 |
650,94 |
0 |
1 |
0,104662 |
0,034907 |
650,57 |
216,98 |
2 |
0,104438 |
0,069817 |
649,18 |
433,98 |
3 |
0,103707 |
0,10472 |
647,38 |
650,94 |
4 |
0,103139 |
0,139626 |
644,64 |
867,92 |
5 |
0,102446 |
0,174533 |
641,11 |
1084,89 |
6 |
0,101632 |
0,209439 |
636,8 |
1301,87 |
7 |
0,100691 |
0,244346 |
630,9 |
1518,86 |
8 |
0,09962 |
0,279253 |
625,9 |
1735,84 |
9 |
0,098446 |
0,314159 |
619,2 |
1952,81 |
10 |
0,097142 |
0,349066 |
611,9 |
2169,79 |
11 |
0,095722 |
0,383972 |
603,8 |
2386,78 |
12 |
0,094185 |
0,418879 |
595 |
2603,75 |
13 |
0,092536 |
0,453786 |
585,4 |
2820,73 |
14 |
0,090772 |
0,488692 |
575,2 |
3037,7 |
15 |
0,088395 |
0,523599 |
564,2 |
3254,69 |
16 |
0,086913 |
0,585851 |
549,4 |
3471,67 |
17 |
0,088395 |
0,593412 |
540,25 |
3688,65 |
18 |
0,086913 |
0,628318 |
527,29 |
3905,63 |
19 |
0,084828 |
0,663225 |
519,86 |
4122,6 |
20 |
0,083632 |
0,698132 |
499,39 |
4339,56 |
21 |
0,080339 |
733038 |
484,51 |
4556,56 |
22 |
0,077946 |
0,767945 |
469,07 |
477,55 |
23 |
0,075461 |
0,802851 |
453,03 |
4990,52 |
24 |
0,070211 |
0,837758 |
436,43 |
5207,5 |
25 |
0,067452 |
0,872665 |
419328 |
5424,49 |
26 |
0,101457 |
0 |
630,66 |
0 |
27 |
0,097205 |
0,034907 |
604 |
216 |
28 |
0,093827 |
0,069813 |
583,23 |
433,96 |
29 |
0,088338 |
0,10472 |
549,1 |
650,94 |
30 |
0,083737 |
0,139626 |
520,5 |
867,92 |
31 |
0,079025 |
0,174533 |
491,22 |
1084,9 |
32 |
0,07422 |
0,209439 |
461,35 |
1301,87 |
33 |
0,069319 |
0,244346 |
430,35 |
1518,58 |
34 |
0,06433 |
0,279253 |
399,8 |
1735,84 |
35 |
0,059258 |
0,314159 |
368,29 |
1952,81 |
36 |
0,054115 |
0,349066 |
336,38 |
2169,79 |
37 |
0,048903 |
0,383072 |
303,98 |
2381,18 |
38 |
0,043628 |
0,418879 |
271,19 |
2603,75 |
39 |
0,0383 |
0,453786 |
238,07 |
2820,73 |
40 |
0,032919 |
0,488692 |
204,62 |
3037,7 |
Теоритические данные:
Как всем известно, из всех геометрических фигур соотношение площади поверхности к внутреннему объёму у сферы наименьшее. Следовательно, вес шарообразных резервуаров несколько ниже, чем у резервуаров другой формы, так что их применение с экономической точки зрения является эффективным, так как на их сборку расходуется меньшее количество металла, но с другой стороны их изготовление несколько сложнее. Вместо среднеуглеродистых сталей при изготовлении сварных конструкций в машиностроении целесообразно использовать легированные стали, что обеспечивает снижение массы конструкций и позволяет повысить надежность сварных деталей и изделий. Легированные конструкционные стали отличаются повышенной прочностью при комнатной температуре, отсутствием склонности к старению, их можно применять при повышенных (до 500 °С) температурах. Обычно сферические резервуары используют в химической промышленности для хранения жидкостей и газов (в том числе сжиженных).
Сварка – это процесс неразъёмного соединения посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании.
Существует огромное количество видов сварки, приведем некоторые классификации. По физическим признакам сварка делится на следующие виды по классам:
Таблица 1 - Классификация сварки по физическим признакам
Класс сварки |
Вид сварки |
Термический |
Дуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменно-лучевая, ионно-лучевая, тлеющим разрядом, световая, индукционная, газовая, термитная, литейная. |
Термомеханический |
Контактная, диффузионная, индукционнопрессовая, газопрессовая, термокомпрессионная, дугопрессовая, шлакопрессовая, термитнопрессовая, печная. |
Механический |
Холодная, взрывом, ультразвуковая, трением, магнитоимпульсная. |
По техническим признакам сварка делится на следующие виды:
Таблица 2 - Классификация сварки по техническим признакам
Виды сварки | ||||||||||||
По способу защиты металла в зоне сварки |
По непрерывности процесса |
По степени механизации | ||||||||||
В воздухе |
В вакууме |
В защитном газе |
Под флюсом |
По флюсу |
В пене |
С комбинированой защитой |
Прерывные |
непрерывные |
Ручные |
Механизированые |
Автоматизированные |
Автоматические |
В данной работе учтем, что сварные швы выполнены на флюсовой подушке односторонней многослойной автоматической сваркой под флюсом.
7 Общая характеристика сферического резервуара
В целях экономного использования металла в различных отраслях химической промышленности строят резервуары в виде сфер различных диаметров. Сферические резервуары применяют для хранения сжиженных газов или газов под давлением 2—6 атм (рисунок 1). У нас часто применяются сферические резервуары объемом 600 и 2000 м3, однако экономически целесообразнее использовать более крупные. За рубежом такие конструкции достигают 30000 м3 и более.
Рисунок 1 – Пример конструкции сферического резервуара
В
сферических резервуарах
Напряжения в стенке сферического резервуара определяют по формуле:
где - радиус сферы;
- толщина стенок.
Напряжение
в сферическом резервуаре в 2 раза
меньше, нежели в цилиндрическом, при
одинаковых радиусах и толщинах стенок.
Поэтому вес сферических
8 Технология сборки и сварки сферического резервуара
В нашей стране сооружают сферические резервуары вместимостью 600 и 2000 м3 на внутреннее давление до 18 кгс/см2. Тип раскроя оболочек приведен в таблице 4. Сферическую поверхность листовым заготовкам при толщине до 36 мм придают горячей штамповкой (типы раскроя а и в), при толщине до 28 мм — вальцовкой на специальных гибочных вальцах со сферическими валками (раскрой б). В последнем случае плоскую заготовку предварительно сваривают из листов, вырезают газовой резкой по копиру и затем вальцуют.
При раскрое типа а укрупнение блоков и их сварку под флюсом выполняют на шарнирно-качающихся стендах. Блоки собирают в полусферу на стенде (рисунок 2), подварку швов под последующую автоматическую сварку осуществляют вручную. После завершения сборки нижнюю полусферу кантуют и устанавливают на временную опору. На этом же стенде собирают верхнюю полусферу, затем поднимают ее и монтируют на нижнюю. Сборка заканчивается ручной подваркой замыкающего шва.
При раскрое типа б лепестки также предварительно укрупняют в блоки, причем для сферы вместимостью 2000 м3 каждый меридиональный лепесток собирают из двух заводских элементов (большого и малого). Для этого типа раскроя получил применение «вертикальный» способ сборки сферы. На временной опоре 1 (рисунок 3) устанавливают нижнее днище 2, к нему крепят трубчатую монтажную стойку 3 с верхним днищем 4 и монтажной люлькой 5.
Рисунок 2 - Схема сборки полусферы на стенде
Таблица 3 - Типы раскроя оболочек
Вместимость, м3 |
Диаметр сферы, м |
а) б) в) Число элементов | ||
600 |
10,5 |
28 |
20 |
- |
2000 |
16 |
- |
54 |
- |
Блоки 6 с распорками жесткости 7 поднимают в вертикальное положение и крепят с помощью сборочных планок и клиньев к днищам и друг к другу, а также временными прихватками к опорам 8, устанавливаемым на фундаменте. Затем блоки соединяют прихваточным швом, а перед установкой последнего блока удаляют трубы жесткости, монтажную стойку и люльку.
Сварку
сферических резервуаров
Рисунок 3 - Схема сборки сферического резервуара
При
выполнении сборочных и сварочных
работ над резервуаром
Рисунок 4 - Положение сферического резервуара при сварке полюсного шва
Положение резервуара на кантователе при сварке полюсного шва показано на рисунке 4. Одна из приводных станций манипулятора выключается, другая работает со скоростью 34 м/ч. При этом скорость сварки полюсного шва составляет около 17 м/ч.
9 Выбор и характеристики сварочного материала
Марка стали 15ХСНД
Назначение:
- Для изготовления специальных фасонных профилей судостроения (полосо-бульбовая несимметричная и симметричная зетовая сталь и др.).
- Для сварных конструкций и аппаратов химической промышленности
- Для изготовления шпуптовых свай корытного профиля 1ЛК-1, ШК-2, зетового ШД-3 и ШД-5 и плоскою П1П-1 и ШП-2
Таблица - Химический состав стали, % (ГОСТ 4543-71)
Марка стали |
С |
Si |
Мn |
Сг |
Ni |
Сu+ | |
10ХСНД 15ХСНД 15ГФ |
<0,12 0.12—0,18 0,12-0.18 |
0.80-1,10 0.40—0.70 0,17-0.37 |
0,50-0.80 0.40—0.70 0.90—1,20 |
0,60-090 0,6-0,9 0,3 |
050-0,8 0,3-0,6 0,3 |
0,4-,-0,65 0,2-0,4 0,3 | |
| |||||||
Сэ
=C+Mn/6+Cr/5+V/5+Mo/4+Ni/15+
Сэ=0,15+0,15/6+1/5+0/5+0/5+0,
Сэ>0,45Þсталь плохо сваривается, необходим предварительный подогрев и последующая термическая обработка
Примечание. Угол загиба для всех марок стали в холодном состоянии 180°.
Таблица Прокат стали 15ХСНД
|
Марка |
Толщина |
Механические свойства при растяжении для проката всех категорий поставки |
Ударная вязкость KCU (а1), Дж/см2 (кгс·м/см2), для проката категорий, при температуре, °С |
Испытание на изгиб в холодном состоянии до параллельности | |||||||||
стали
|
проката, мм
|
Временное сопротивление sв, Н/мм2 (кгс/мм2) |
Предел текучести sт, Н/мм2 (кгс/мм2) |
Относительное удлинение d5, % |
1 |
2 |
3 |
1 и 2 |
3 |
сторон для проката | |||
|
–40 |
–60 |
–70 |
+20 |
–20 |
категорий | ||||||||
после механического старения |
1 |
2, 3 | |||||||||||
не менее |
|||||||||||||
15ХСНД |
8-32 |
490-685 (50-70) |
345 (35) |
21 |
29 (3,0) |
29 (3,0) |
29 (3,0) |
29 (3,0) |
29 (3,0) |
d |
d | ||
Таблица
| |||||||||||||
Выбор сварочных материалов
Сварочная проволока СВ08ГС
Таблица Механические свойства проволоки
Диаметр, мм |
Временное сопротивление разрыву, Н/кв.мм |
Относительное удлинение,%,термически необработанная | ||||
Термически необработанная |
Термически обработанная |
Не менее: | ||||
Группа I |
Группа II |
Без покрытия |
С покрытием |
Без покрытия |
С покрытием | |
0.8 - 1.0 |
690-1270 |
690-1180 |
- |
- |
15 |
12 |
1.0 - 1.2 |
590-1270 |
690-1180 |
- |
- |
15 |
12 |
1.2 - 2.5 |
590-1180 |
690-980 |
- |
- |
15 |
12 |
2.5 - 3.2 |
540-1080 |
640-930 |
- |
- |
20 |
18 |
3.2 - 3.6 |
440-930 |
640-930 |
- |
- |
20 |
18 |
3.6 - 4.5 |
440-930 |
590-880 |
290-490 |
340-540 |
20 |
18 |
4.5 - 6.0 |
390-830 |
490-780 |
- |
- |
20 |
18 |
Таблица[ ] Химический состав , % , сварочной проволоки
Марка проволоки |
Химический состав, %, не более: | |||||||
Al |
Mn |
C |
Si |
Cr |
Ni |
S |
P | |
СВ08Г2С |
0,01 |
1.80-2.10 |
0.05-0.11 |
0.70-0.95 |
0.20 |
0.25 |
0.025 |
0.03 |
10. Описание способа сварки
Сварка
под флюсом в большинстве случаев
используется как автоматический процесс.
Полуавтоматическая сварка под флюсом
применяется в значительно
При
сварке под флюсом производительность
процесса по машинному времени повышается
в 6—12 раз, что даже при коэффициенте
использования сварочной
Резкое повышение абсолютной величины тока и плотности тока в электроде без увеличения потерь на угар и разбрызгивание и без ухудшения формировании шва возможно благодаря наличию плотного слоя флюса вокруг зоны сварки; это предотвращает выдувание жидкого металла шва из сварочной ванны и сводит потери на угар и разбрызгивание до 1—3%.
Таблица 11 - Сила и плотность тока в электроде при сварке покрытыми электродами и под флюсом
Диаметр электродного стержня или проволоки, мм |
Сварка покрытыми электродами вручную |
Автоматическая сварка под флюсом | ||
Сила тока, А |
Плотность тока, А/мм2 |
Сила тока, А |
Плотность тока, А/мм2 | |
|
5 4 3 2 |
190-350 125-200 80-130 50-65 |
10-18 10-16 11-18 16-20 |
700-1000 500-800 350-600 200-400 |
35-50 40-63 50-85 63-125 |
Увеличение силы тока позволяет сваривать металл значительной толщины без разделки кромок с одной или двух сторон (производительность сварки для этого случая определяется в основном глубиной проплавления основного металла) и увеличивать количество наплавляемого в единицу времени металла. Коэффициент наплавки при сварке под флюсом составляет 14—18 г/А·ч против 8—12 г/А·ч при сварке покрытыми электродами. Повышение силы тока, увеличение глубины провара и коэффициента многослойных швов. Отсутствие брызг — также серьезное преимущество сварки под флюсом, так как отпадает надобность в трудоемкой операции очистки от них поверхности свариваемых деталей.
При
сварке под флюсом обеспечивается высокое
и стабильное качество сварки. Это
достигается за счет надежной защиты
металла шва от воздействия кислорода
и азота воздуха, однородности металла
шва по химическому составу, улучшения
формы шва и сохранения постоянства
его размеров. В результате обеспечивается
меньшая вероятность
Автоматическую и полуавтоматическую сварку под флюсом применяют в заводских и монтажных условиях для выполнения швов, расположенных в нижнем положении, обычно при толщине металла 2—100 мм. Сваривают стали различного состава, медь, титан, алюминий и сплавы на их основе. Сварку алюминия ведут не под флюсом, а по флюсу. Под флюсом сваривают и горизонтальные швы, расположенные на вертикальной плоскости. В отечественной промышленности этот способ из-за трудности удаления шлаковой корки и удержания флюса не находит практического применения. Сварку под флюсом широко используют и при наплавочных работах. Автоматическую сварку под флюсом ведут сварочной проволокой сплошного сечения диаметром 1—6 мм при силе тока 150—2000А и напряжении дуги 22—55 В, полуавтоматическую — сварочной проволокой диаметром 0,8—2 мм при силе тока 100—500 А и напряжении дуги 22—38 В. В обоих случаях возможно применение активированной и порошковой проволок.
Основным
методом автоматической и полуавтоматической
сварки под флюсом является сварка
одной дугой. С целью повышения
производительности труда при сварке
многослойных швов одной дугой в
разделку вводят металлические наполнители
в виде порошка, проволоки, окатышей
и других материалов. В некоторых
случаях наполнители вводят не только
для увеличения производительности,
но и для улучшения качества шва.
Для повышения коэффициента расплавления
электрода можно применять
Повысить производительность процесса и качество сварного соединения можно путем автоматической сварки под флюсом двумя и более электродами. Различают многоэлектродную и многодуговую сварку. При многоэлектродной сварке все электроды присоединены к одному полюсу источника питания. При многодуговой сварке каждый из электродов подсоединен к отдельному источнику питания и они электрически изолированы друг от друга.
Существуют
две разновидности многодуговой
сварки: сварка в общую ванну, когда
расплавляемый всеми дугами металл
образует единую ванну, кристаллизующуюся
как одно целое (рисунок 5, а); сварка
в раздельные ванны, или, как ее называют,
сварка раздвинутыми дугами, в этом
случае каждая дуга образует свою ванну
и последующая дуга расплавляет
уже закристаллизовавшийся
а) б)
Рисунок 5 - Сварка двумя дугами (стрелкой показано направление сварки):
а) - в общую ванну;