Сварочное производство

Введение 

       Листовыми конструкциями называют емкостные  конструкции, состоящие из металлических листов и предназначенные для хранения или транспортирования жидкостей, газов и сыпучих материалов. Они занимают особое место среди всего многообразия металлических конструкций. Для листовых конструкций характерно двухосное напряженное состояние, а в местах сопряжения различных оболочек, расположения колец жесткости, примыкания к днищам возникают местные напряжения, называемые краевым эффектом. Нормы проектирования не требуют обязательной проверки листовых конструкций на напряжения в зонах краевого эффекта. Однако в ответственных случаях необходимо учитывать повышенный уровень напряжений в этих зонах.

       Для листовых конструкций характерно двухосное  напряженное состояние, а в местах сопряжения оболочек, у колец жесткостей и т.п. – наличие местных изгибающих моментов, называемых краевым эффектом. Сварные швы листовых конструкций должны быть прочноплотными. При конструировании листовых конструкций необходимо предусматривать индустриальные методы их изготовления и монтажа путем применения:

       - лент и листов больших размеров;

       - способа рулонирования, изготовления  заготовок в виде скорлуп и  др.;

       - раскроя, обеспечивающего минимальное  количество отходов;

       - минимального количества сварных  швов, выполняемых на монтаже.

       Среди многообразия листовых конструкций  можно выделить по принципу единой методики расчета и конструирования  цилиндрические резервуары и газгольдеры (низкого давления), которые имеют широкое распространение из-за простоты изготовления и монтажа.

       В зависимости от свойств хранимой жидкости, режима эксплуатации и климатических  особенностей района строительства  определяется форма, и тип резервуара Широкое распространение получили вертикальные и горизонтальные цилиндрические резервуары. Вертикальные резервуары со стационарной крышей в большинстве своем являются сосудами низкого давления с избыточным давлением в паровоздушной зоне до 2 кПа (200 мм водяного столба и вакуумом до 0,25 кПа). Эти резервуары просты в изготовлении и монтаже, экономичны по расходу металла.

       Круглая форма в плане вертикальных резервуаров  и газгольдеров вызывает необходимость  конструирования покрытий над ними в виде куполов (реже висячих систем). По своей конструкции купола бывают ребристыми, ребристо-кольцевыми и сетчатыми. Наиболее приемлемыми куполами для рассматриваемых сооружений являются ребристо-кольцевые и сетчатые. Чаще всего применяются ребристо-кольцевые купола, собираемые из криволинейных трапециевидных стальных щитов.

       В общем случае сбор нагрузок и расчет купола представляют достаточно сложную  задачу даже с применением ЭВМ.

       Исходные данные 

       Спроектировать  цилиндрический резервуар со сферической  крышей и плоским днищем для хранения нефтепродуктов.

       Хранимая  жидкость    – нефть;

       плотность,    – 0,92;

       объем,      – 2200;

       избыточное  давление,  – 0,25;

       местонахождение   – Харьков. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1 Общая часть

       1.1 Описание конструкции  и ее назначение 

       До  восьмидесятых годов прошлого века нефть и нефтепродукты хранили  в открытых земляных ямах и амбарах, не обеспечивающих их сохранность и  пожарную безопасность.

       Хранение  нефти и нефтепродуктов в стальных резервуарах стало возможным после того как была найдена их рациональная конструктивная форма, обеспечивающая при наименьшей затрате материалов быстроту и дешевизну изготовления и монтажа резервуаров. Эта задача была решена В.Г.Шуховым.

       Для успешного осуществления строительства  резервуарных парков должны применяться новые, прогрессивные методы индустриального изготовления и монтажа конструкций.

       Основными элементами вертикального резервуара являются боковая стенка, кровля и днище. Днище в большинстве случаев плоское, корпус цилиндрический. Такая форма рациональна с точки зрения прочности и возможности изготовления ее с наименьшим расходом металла.

       Проектируемый резервуар имеет плоское днище  и сферическую крышу, и предназначен для хранения нефти в Харькове объемом 2200 . 

       1.2 Выбор и обоснование  материала 

       При выборе материала для листовых конструкций  необходимо учитывать его физико-химические свойства, условия эксплуатации, технологии изготовления и монтажа конструкций и местоположения.

       Исходя  из технико-экономических требований и климатических условий местоположения резервуара г. Харьков , хранимая жидкость – нефть не является агрессивной, назначаем низкоуглеродистую сталь Ст3пс ГОСТ 380-2005. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       2 Расчетная часть

       2.1 Определение основных  геометрических параметров  конструкции

  2.1.1 Определяем генеральные размеры резервуара 

       При проектировании резервуара ориентируемся  на индустриальный метод изготовления, т.е. метод рулонирования, что предопределяет последовательность определения генеральных размеров. Высоту резервуара, являющуюся на этапе рулонирования шириной стенда для рулонирования, задаем, а диаметр резервуара определим исходя из его объема.

       Оптимальное с позиции расхода металла соотношение между высотой h резервуара и его диаметром D определяется условием, что масса металла в днище и покрытии равна массе металла в цилиндрической части. При этом для объектов объемом до 10000 – h/D = 0,8…0,35.

       Высоту  резервуара выбираем 10,5 м, что при недоливе 0,81 м позволяет получить требуемый объем. В результате получаем D = 17 м.  

 

       2.1.2 Определение гидростатического давления в каждом поясе 

       Гидростатическое  давление определяют на высоте 300 мм от нижнего края каждого пояса. По высоте резервуара стенка состоит из семи поясов. 

(по ф.13.1 ист.1) 

       Пример  расчета для первого пояса 

 МПа 

       Избыточное  давление 

 МПа 

       Максимальное давление в резервуаре 

 МПа 

       Результаты  расчета для остальных поясов приведены в таблице 1. 
 

       2.1.3 Определение требуемой толщины листа обечайки 

       Требуемую толщину листа обечайки определяем по формуле 

(по ф. 13.5 ист. 1),

где R – радиус резервуара в сечениях на расстоянии 300 мм от нижней кромки

      пояса рассчитываемой обечайки;

      R=8,5 м;

     P – давление. 

(по ф. 13.6 ист.1) 

       Для резервуаров из стали Ст3, сваренных  электродами Э42, при использовании физических методов контроля швов расчетное сопротивление МПа, m = 0,8 – коэффициент условий работы, n = 1,1 – коэффициент надежности для гидравлического давления жидкости. 

 МПа 

       Пример  расчета для первого пояса 

 

       Результаты  расчета для остальных поясов приведены в таблице 1.

       Исходя  из требуемой толщины листа обечайки назначаем толщину листов обечаек S. Значения S приведены в таблице 1. 

       Таблица 1 – Определение толщины S поясов резервуара 

 

       2.1.4 Расчет на прочность  пояса стенки резервуара 

       По  безмоментной теории оболочка рассматривается  как гибкая, учитывающая лишь мембранные напряжения. Основными рабочими соединениями являются продольные швы обечаек. Их прочностью определяется толщина стенок резервуара. Расчет оболочек производится как тонкостенных безмоментных систем по формулам Лапласа. Игнорирование изгибающим моментам объясняется малой толщиной оболочек.

       Определим напряжения в вырезанном из обечайки кольце шириной, равной единице. Рассечем кольцо плоскостью и приложим в месте разреза силы 

,

где – напряжение в кольце;

       s – толщина кольца. 

       Условие статического равновесия полукольца 

(по ф. 13.2 ист.1),

       откуда

 (по ф. 13.3 ист.1)

 

       Напряжение  в кольце 

 

       При P = 0,1 МПа и S = 8 мм 

 МПа 

       Из  условий прочности напряжение должно быть 

106,25 МПа < 152,73 МПа 

       Условие прочности выполняется.

       2.2 Расчет кровли 

       Делим кровлю на 19 одинаковых секторов, каждый из которых имеет угол при вершине  .

       Расчет  конструкции перекрытия ведется  на два типа нагрузок: временную  и постоянную. Постоянная – собственный вес конструкции.

       Для покрытия используется листовой металл толщиной 3 мм. Вес одного сегмента и его площадь определялись при помощи программного комплекса Kompas-3D, рисунок 1 

 

Рисунок 1 – Сегмент кровли 

       

       К этому следует прибавить  кг уголка и двутавра.

       Временная нагрузка – вес людей и снега. Предположим, что трое рабочих с  инструментом весят примерно 300 кг.

       Снеговая  нагрузка для г. Саратов, где предполагается установить резервуар, составляет 70 , что помноженное на площадь сектора составляет 863,8 кг. Окончательно расчетная нагрузка равна 1725,8 кг.

       Расчетную схему выбираем в виде трехшарнирной  арки, нагруженной равномерной распределенной нагрузкой (рис. 2) 

 

 Рисунок 2 

       Отношение l/f=17/1,5=11,33 следовательно арку можно считать пологой и прикладывать распределенную нагрузку как показано на рис.1

       Интенсивность распределенной нагрузки определяется исходя из веса одного сегмента и нагрузок приходящихся на него q=8,15 кН/м.

       Вертикальные  составляющие реакций опор определяются по следующей формуле 

 

       Распор  определяется по формуле 

где – балочный изгибающий момент в сечение под шарниром.

 

       Пролет  арки разбивается на десять сечений  с расстояние между ними 1,7 метра.

       Значения  внутренних силовых факторов в любом  сечении арки определяются по формулам 

       

       

       

где и – значения внутренних силовых факторов в сечениях двухопорной

      балки. 

Расчет  внутренних силовых факторов арки сводим в таблицу 2 

    Таблица 2 – Внутренние силовые  факторы 

 

       Эпюры внутренних силовых факторов приведены  на рис.2-6 

 

Рисунок 3 – Эпюра Q⁰ 

 

Рисунок 4 – Эпюра M⁰ 

 

Рисунок 5 – Эпюра M_X 

 

Рисунок 6 – Эпюра Q_X 

 

Рисунок 7 – Эпюра N_X 

       Нормальные  напряжения в сечениях арки определяются по формуле 

где   – расчетное напряжение;

       W – момент сопротивления сечения;

       F  – площадь поперечного сечения. 

       Касательные напряжения в сечениях арки находятся по формуле 

где – статический момент полусечения сечения;

       – момент инерции полусечения;

        b  – ширина сечения. 

       Эквивалентные напряжения в соответствии с третьей  теорией прочности 

 

       Сечение двутавра выбирается исходя из эквивалентного напряжения, эквивалентные напряжения для наших сечений сведены в таблицу 3. 

    Таблица 3 – Эквивалентные напряжения 

 

       Максимальное  значение в 6 сечении не превышает допускаемого значения, следовательно, двутавр № 20 удовлетворяет нашим требованиям. В качестве других элементов используем двутавр № 10 и уголок .

       Общий вес кровли, состоящей из 19 секторов равен 27390 кг.

       В конструкции предусмотрена средняя  стойка, она воспринимает около 33% всей вертикальной нагрузки на крышу. 

       2.3 Расчет днища 

       Резервуар ставится на песчаную подушку, поэтому  никаких особых требований не предъявляется. Основную часть днища выполняем из стального листа толщиной 6 мм. Часть днища в месте установки центральной стойки изготавливаем из листа толщиной 8 мм. Восьмимиллиметровый лист также используется по периметру днища, так как в месте соединения стенки резервуара с днищем возникают значительные напряжения.

       Приближенный  момент, возникающий в месте соединения на единицу длины, определяется по формуле 

 

       Напряжения  в стенке резервуара 

 

       2.4 Расчет центральной  стойки 

       Расчет  центральной стойки проводим с учетом того требования, что стойка воспринимает около 33% всей вертикальной нагрузки на крышу, что составляет 9038,7 кг.

       Требуемую площадь сечения стойки определяем по формуле 

 

       Эта площадь соответствует трубе  диаметром 130 мм с толщиной стенки 3 мм. Так как центральная стойка при производстве рулона резервуара используется как катушка, то принимаем стойку из труб стальных электросварных по ГОСТ-10704-69 d – 159 мм со стенкой толщиной 5 мм.

       Для предотвращения отрыва покрытия полость  стойки заполняют песком. 

       2.5 Проверка устойчивости  резервуара 

       Проверку  устойчивости резервуара делаем исходя из нормативной ветровой нагрузки при резервуаре.

       Определяем нормативную ветровую нагрузку 

 

       Определяем  опрокидывающий момент от действия ветровой нагрузки 

 

       Ориентировочно  принимаем общий вес резервуара 50 т.

       Определяем  момент от общего веса резервуара, удерживающий от опрокидывания 

 

       Так как  , то для крепления резервуара особых средств не требуется. 

       2.6 Расчет сварных  швов 

       Резервуар изготовлен из низкоуглеродистой стали Ст3сп ГОСТ 380-2005, которая имеет следующие механические свойства 

    Таблица 4 – Механические свойства  стали 

 

       Уголок 50 50 мм имеет площадь сечения 40 см². Допускаемое напряжение в металле уголка МПа, допускаемое напряжение среза в шве МПа.

       Спроектируем  сварное соединение, равнопрочное уголку; сварка однопроходная автоматическая ( ).

       Допускаемое растягивающее усилие в уголке 

 

       Проектируем лобовой шов с катетом К=5 мм.

       Усилие, допускаемое на лобовой шов 

 

       Остальная часть усилия должна быть передана на фланговые швы 

 

       Усилие, передаваемое на первый шов 

 

       Катет шва принимаем 10 мм, тогда требуемая  длина 

l₁=

 

       Принимаем l₁=41 см.

       Усилие, передаваемое на второй шов 

 

       Катет второго шва принимаем К=7 мм, тогда  требуемая длина 

l₂=

 

       Принимаем l₂ = 25 см.

       Швеллер № 20 прикреплен к листу лобовыми и фланговыми швами. Сварка однопроходная автоматическая ( ). Определим напряжения в швах при P = 160 кН.

       Площадь сечения лобового шва, имеющего катет  К=5 мм: 

 

       Площадь сечения двух фланговых швов при  К = 5 мм 

 

       Площадь сечения всех угловых швов прикрепления 

 

       Напряжение  среза в швах: 

 

       Расчет  шва, крепящего патрубок к стенке. Сварка ручная дуговая ( ).

       Допускаемое напряжение среза в шве МПа.

       Усилие  на уровне патрубка 

 

       Найдем  катет сварного шва 

       Принимаем катет шва К=5 мм. 

       2.7 Необходимое сварочное  оборудование режимы  сварки 

       Автоматическая  сварка применяется в заводских условиях. Для этого используются сварочные трактора типа УДГ-502. В качестве сварочных материалов применяются высококремнистый марганцевый флюс АН-348Л и сварочная проволока.

       Режимы  сварки 

       S = 4 мм; ; ; ; ; 

       S = 6 мм; ; ; ; ; 

       S > 5 мм; ; ; ; ; 

       Для РДС электроды УОНИ 13/45; d = 4мм; ; .