Получение неразъемного соединения конструкции дна
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… Читать ещё >
Получение неразъемного соединения конструкции дна (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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 19 903–74*.
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 13 579–78.
Отделка:
Наружная — окраска лаком ПФ-РМ ГОСТ 15 907–70* 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 0,15×1,33×104 Па (200 мм вод. ст.) для хранения нефти и нефтепродуктов с давлением насыщенных паров 2×1,33×104 Па-5×1,33×104 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 2×1,33×104Па (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]
C | Si | Mn | Ni | S | P | Cr | Cu | As | |
0.14 — 0.22% | 0.12 — 0.3% | 0.4 — 0.65% | до 0.3% | До 0.05% | до 0. 4% | до 0.3% | до 0.3% | до 0.08% | |
Таблица 3. Механические свойства проката стали ВСт3сп
ГОСТ | Состояние поставки | Сечение, мм | у0,2 (МПа) | ув(МПа) | д5 (д5) (%) | |
не менее | ||||||
380−71 16 523−70 (Образцы поперечные) | Прокат горячекатаный Листы горячекатаные Листы холоднокатаные | До 20 Св. 20 до 40 Св. 40 до 100 Св. 100 До 2,0 вкл Св. 2,0 до 3,9 вкл До 2,0 вкл Св. 2,0 до 3,9 вкл | ; ; | 370−480 370−480 370−480 | (20) (22) (22) (24) | |
Таблица 4. Ударная вязкость KCU, Дж/см2 [8]
Вид проката | Направление вырезки образца | Сечение, мм | Т= +20°С | Т= -20°С | после механического старения | |
не менее | ||||||
Лист Широкая полоса Сортовой и фасонный | Поперечное Продольное Продольное | 5−9 10−25 26−40 5−9 10−25 26−40 5−9 10−25 26−40 | ; ; ; | ; ; ; | ||
Таблица 5. Физические свойства стали ВСт3сп [7]
Температура испытания, °С | |||||||||||
Модуль нормальной упругости, Е, ГПа | |||||||||||
Коэффициент теплопроводности Вт/(м ?°С) | |||||||||||
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]
Химический элемент | % | |
Углерод (C) | 0.14−0.22 | |
Кремний (Si) | 0.12−0.30 | |
Медь (Cu), не более | 0.30 | |
Мышьяк (As), не более | 0.08 | |
Марганец (Mn) | 0.40−0.65 | |
Никель (Ni), не более | 0.30 | |
Фосфор (P), не более | 0.04 | |
Хром (Cr), не более | 0.30 | |
Сера (S), не более | 0.05 | |
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. 3. Ограничено сваривающиеся — до 0,48% углерода.
4. 4. Плохо сваривающиеся — свыше 0,48% углерода.
Сэкв = С + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Сu)/15
Сэкв = 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
Fe + 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:
2FeO+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:
— коэффициент температуропроводности ,
— 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.
2. Сварка в машиностроении: Справочник. В 4-х томах / Под ред. Г. А. Николаева. — М.: Машиностроение, 1978.
3. http://penzaelektrod.ru/articles/art18.htm
4. http://www.svarkainfo.ru/rus/technology/autoflus/
5. СТО УГАТУ 016−2007.
6. СНиП II — 23 — 81