Кафедра «Оборудование и технология сварочного производства»
Курсовой проект
по дисциплине: «Проектирование сварных конструкций»
Тема: “Проект сферического резервуара для хранения нефтепродуктов”
Введение
В решении задач научно-технического прогресса важное место принадлежит сварке. Сварка является технологическим прогрессом, широко применяется практически во всех отраслях народного хозяйства. С применением сварки создаются речные суда, шахты, доменные печи, котлы, резервуары, трубопроводы различного диаметра и протяжённости, атомные электростанции и многое другое.
Сварка внесла коренные изменения в конструкцию и технологию производства многих изделий. При изготовлении металлоконструкций, прокладке трубопроводов, установки технологического оборудования на сварку приходится четвёртая часть строительно-монтажных работ.
1 Общая часть
1.1 Оболочковые конструкции
Оболочковые конструкции разделяют на две группы. К первой группе относятся резервуары и другие изделия, предназначенные для хранения невзрывоопасных и неядовитых жидкостей и газов при давлении Р=0,005 МПа, температуре Т=100оС, эти конструкционные узлы изготавливают согласно общим правилам проектирования и требованиям эксплуатации промышленных сооружений. Ко второй группе относят котлы, работающие под высоким давлением эксплуатация которых находится под особым наблюдением. Нас интересует группа оболочковых конструкций, в частности газгольдеры постоянного объёма в сферической форме.
1.2 Сферический резервуар
Газгольдеры постоянного объёма могут быть со сферическим днищем, а так же в форме сферы. При замене цилиндрически резервуаров сферическими достигается экономия металла около 20%. В таких резервуарах соединение листов стыковое. Толщина листов обычно составляет 20…30мм и как правило не превышает 40мм. Это ограничение толщи диктуется отсутствием термообработки конструкции после сварки.
Напряжение в стыке сферического резервуара определяют по той же формуле что и для цилиндрического, но это напряжение в два раза меньше, при тех же радиусах и толщин стенок. Поэтому конструкции резервуаров несколько схожи.
2 Выбор материала
Для хранения дизеля проектируем сферический резервуар. Обычно используют стали марок Ст2, Ст3сп, а так же низкоуглеродистые стали. Проектируемый резервуар располагается в г.Одесса, где колебание температур составляют от-40 до +20. Данным климатическим условиям соответствует Ст3сп, т.к. охватывает диапазон температур от -40 до +200 оС.
Данная сталь отличается увеличенным диапазоном вязкости и сниженной степенью к старению. Химические и механические свойства стали приведены в таблице 1.
Табл.1- Состав и свойства стали
| Марка стали |
Содержание химических элементов |
, МПа |
, МПа |
||
| C |
Mn |
Si |
|||
| Ст3сп |
0,14-0,22 |
0,4-0,65 |
0,12-0,3 |
210-250 |
380-490 |
Ст3сп хорошо сваривается, при этом сварные швы обладают необходимой стойкостью к образованию кристаллизационных трещин, в следствии пониженного содержания углерода.
Ст3сп сравнительно недорогая, поэтому целесообразно её использование.
3 Расчётная часть
3.1 Назначение размеров резервуара
Геометрические параметры резервуара:
где R- радиус резервуара, м ;
V- объём резервуара, м3 .
3.2 Расчёт боковой стенки резервуара
Расчёт боковой стенки резервуара проводим аналогично оболочке, работающей на растяжение от гидростатического давления:
где - допускаемое напряжение на основной металл.
n – коэффициент запаса прочности, для cферических резервуаров;
- коэффициент снижения допускаемых напряжений на сварные соединения по сравнению с допускаемым напряжением на основной металл.
3.3 Расчёт стоек резервуара
Общая нагрузка на стойки:
где - вес жидкости;
- вес кровли.
где - толщина металла, м.
Рн – вес нижней части резервуара, Н;
Рв – вес верхней части резервуара, Н.
S - площадь шара, м2;
ρ– плотность Ст 3сп.
Подбираем сечение стойки. Для этого предварительно определяем момент инерции:
где d и D – соответственно внутренний и наружный диаметры стойки.
Меньший радиус инерции:
где F- площадь поперечного сечения стойки, см2.
Гибкость стойки
где - высота стойки, см.
По таблице 10.1 [2,стр. 308] в зависимости от гибкости определяем коэффициент продольного изгиба
Напряжение в стойке
где n=12- количество стоек
Сечение подобрано верно.
3.4 Расчёт сварных соединений
Подбор катетов швов определяем исходя из допускаемых касательных напряжений.
Катет шва между сферой и стойкой:
где
- коэффициент для определения расчётной толщины углового шва.
Условие соблюдается, поэтому сохраняем катет К=9 мм.
Катет шва:
где F- сила, действующая на данную площадь, Н.
3.5 Расчёт резервуара на опрокидывание
Условие устойчивости
Опрокидывающий момент
где =35кг/м2 - ветровой напор
=1.6- аэродинамический коэффициент
S - площадь стенки резервуара на которую действует ветровой поток.
h - высота от верхней точки резервуара до земли.
Удельный момент:
Условие соблюдается. Резервуар не опрокинется под напором ветра.
4 Технологическая часть
4.1 Заготовки для сферических резервуаров
При раскроях и толщине до 30мм сферическую поверхность заготовкам придают горячей штамповкой.
При толщине до 22мм лепестки получают холодной вальцовкой с помощью специального многовалкового стенда. Заготовки перед вальцовкой собирают из листов и сваривают автоматической сваркой под флюсом. Исходную форму заготовке придают газовой резкой по шаблону-копиру. Поскольку размеры полученных после вальцовки лепестков превышают размеры железнодорожного состава, их после контрольной сборки разрезают на две неравные части и выпуклостью вниз укладывают в специальные контейнеры для перевозки к месту монтажа.
Элементы поставленные с завода на монтаже собирают в блоки. Сварку блоков выполняют в нижнем положении под флюсом.
4.2 Сборка сферических резервуаров
Сферические резервуары можно собирать по нескольким схемам. По первой схеме полюсный элемент закрепляют на центральной стойке стенда. Блоки, сваренные из двух лепестков, устанавливают по упорам Сборку выполняют с использованием сборочных шайб, приваренных к лепесткам при контрольной сборке на заводе, и типовых клиновых сборочных приспособлений. Сборка завершается укладкой непрерывных прихваточных швов, уплотняющих стык для последующей автоматической сварки под флюсом. По второй схеме полусферу собирают при горизонтальной ориентации блоков. Собранную полусферу кантуют и устанавливают на временную опору. Вторую полусферу после сборки устанавливают на первую и выполняют ручной подварочный замыкающий шов. По третьей схеме осуществляют сборку всей сферы последовательным наращиванием.
Резервуар объемом 2000м3 собирают «вертикальным методом». Основной для временного закрепления днища и купола оболочки резервуара служит центральная стойка. Сборку полюсных блоков с центральной стойкой производят в кондукторе. Здесь же устанавливают кольца жесткости, прикрепляемые раскосами к стойке.
Собранную центральную стойку устанавливают на неподвижную опору. На стойке закрепляют параллелограммный механизм подъемной люльки, которая может перемещаться в вертикальной плоскости и вокруг оси стойки.
Первый блок поднимают в вертикальное положение, устанавливают на ловители днища и с помощью сборочных планок и клиньев прикрепляют к купольной част и днищу. После установки и закрепления очередного блока с наружной стороны оболочки временно подводят опорную стоку, которая частично воспринимает вес блока. Для сохранения формы блоков процессе монтажа в него вваривают трубу жесткости. Центральная стойка и другие вспомогательные элементы демонтируются и удаляются по частям через люк-лаз купола после установки последнего замыкающего блока и окончания ручной сварки всех блоков между собой прихваточным швом с внутренней стороны резервуара.
4.3 Сварка сферических резервуаров
После завершения сборки резервуар устанавливают на манипулятор и автоматической сваркой под флюсом выполняют наружные и внутренние швы. В манипуляторе Кудрявцева опорные неприводные катки, не препятствующие вращению сферического резервуара в любом направлении, расположены на шарнирных опорах и обеспечивают прижатие к резервуару двух пар приводных катков с раздельными приводами. Включение приводов рабочих катков в одном или в противоположных направлениях с одинаковыми или различными скоростями обеспечивают возможность вращения резервуара вокруг любой его оси и позволяет выполнять меридиональные и широтные швы, а также переходить от одного шва к другому.
Манипуляторы другого типа обеспечивают вращение сферического резервуара только в плоскости приводных роликов. Переход к другой плоскости вращения осуществляется разворотом манипулятора в горизонтальной плоскости с предварительным опусканием резервуара на временные опоры.
Форма разделки кромок и последовательность ее заполнения зависят от толщины стенки резервуара. При толщине стенки 16мм применяют двустороннюю автоматическую сварку без разделки кромок. Первый шов выполняют с внутренней стороны оболочки по ручному подварочному слою, второй шов – снаружи. При толщине оболочки 34мм большинство слоев укладывают с наружной стороны.
Применение манипуляторов позволило основной объем сварочных работ при монтаже резервуара выполнить автоматической сваркой. Однако очевидны и серьезные недостатки такой технологии. Для обеспечения работы только одного сварочного автомата необходимо вращать огромную и тяжелую конструкцию, используя при этом сложные манипуляторы. В результате действия сосредоточенных сил от опор имеет место изменение формы оболочки при вращении, что даже при использовании надувных роликов не позволяет сооружать таким образом резервуары объемом более 2000 м3.
Для крупных сферических резервуаров более эффективна технология монтажа в проектном положении на постоянных опорах без вращения. Меридиональные стыки сваривают автоматической сваркой порошковой проволокой с принудительным формированием.
Сварка с принудительным формированием может выполняться с одной стороны или с двух сторон. Собранные стыки закрепляют или прихваточными швами, или с помощью временных скоб. Уплотнение стыков может обеспечиваться и без прихваточных швов формирующими подкладками или водоохлаждаемыми трубками. Для их прижатия используют двуплечие рычаги.
Сварочный автомат вместе с ползуном перемещается по направляющему уголку. Уголок закреплен параллельно свариваемым кромкам с помощью проушин, опор, клиньев.
4.4 Сварочное оборудование
При сварке и сборке используем следующее оборудование:
Для автоматической сварки под флюсом источник питания ТДСМ-1002, сварочный трактор
Для полуавтоматической сварки в
Для ручной дуговой сварки используем выпрямительВД-306
4.5 Режимы сварки
В зависимости от применяемого метода сварки и толщины материала выбираем необходимые режимы сварки из нижеследующих таблиц.
Табл.2 – Режимы сварки покрытыми электродами.
| Марка электрода |
Диаметр электрода |
Iсв, А – при положении шва в пространстве |
||
| нижнее |
вертикальное |
потолочное |
||
| АНО-3 АНО-4 |
3 4 5 6 |
100-140 170-200 270-320 200-270 |
90-100 140-160 150-170 - |
100-200 140-170 - - |
| АНО-9 |
4 5 |
150-170 200-240 |
130-150 160-180 |
- - |
| ОМ-11 |
3 4 5 6 |
100-130 160-200 200-240 240-290 |
90-100 140-180 160-200 - |
90-110 150-180 - - |
Табл.3 – Режимы для сварки под флюсом без разделки кромок
| Толщина |
Зазор |
Тип шва |
Ø,мм |
Iсв, А |
Uд |
Скорость сварки |
|
| 3 5 8 8 8 10 10 |
0-1,5 0-2 2-4 2-4 2-4 2-4 1-3 |
односторонний односторонний односторонний двухсторонний двухсторонний двухсторонний двухсторонний |
2 2 4 4 5 5 5 |
275-300 400-425 575-625 650-700 625-675 700-750 650-700 |
28-30 28-30 28-30 34-38 34-38 34-38 34-38 |
26-28 26-28 26-28 30-32 30-32 30-32 30-32 |
48-50 38-40 42-50 35-37 35-37 28-30 32-30 |
5 Контроль качества
В зависимости от ответственности сварных конструкций применяются различные методы контроля.
Внешний осмотр (ГОСТ 3242-78) служит для определения наружных дефектов в сварочных швах и производится невооруженным глазом или с помощью лупы, увеличивающей 65-10 раз.
При осмотре швов и прилегающего к ним металла производят очистку от шлаков, брызг, загрязнений. Размеры сварного шва и дефектных участков определяется измерительным прибором специальными шаблонами.
Выбор метода испытания плотности шва зависит от типа конструкции, условий производства и других факторов.
Существуют следующие методы испытания сварных швов
1 испытание керосином (ГОСТ 3285-77)
2 испытание обдувом воздуха
3 испытание вакуумным методом
4 испытание методом химических реакций
5 испытание водой
6 испытание воздушным давлением (ГОСТ 3242-78)
7 испытание гидравлическим давлением
8 просвечивание сварных соединений
9 ультразвуковой метод контроля
10 технологическая проба (ГОСТ 3242-78)
11 магнитографический метод контроля
12 механические испытания (ГОСТ 6996-66)
Для данного случая применим испытания вакуумным методом. Этот способ контроля сварных соединений проводится с помощью специальной вакуумной камеры. На определенном участке шва устанавливают камеру. Притом перед проверкой покрывают это место мыльным раствором. Если шов неплотный, то через прозрачную крышку вакуумной камеры видны пузырьки или пена. Данный способ обычно применяется при испытании на прочность и плотность днищ вертикальных резервуаров и других конструкций, у которых затруднен доступ другой стороне шва. Вакуумным методом определяют неплотности размером до 0,1мм и выше в металле толщиной до 16 мм.
Для создания вакуума в определенном месте шва используют плоские кольцевые и сегментные камеры. Разряжение в которых составляет0,06-0,08 МПа, длительность испытания – 20 секунд.
6 Охрана труда
Санитарные правила при сварке и резке металла предусматривают следующие правила:
1.Все виды работ должны проводиться в электросварочных цехах или на специально оборудованных участках.
2.Сварочные посты, находящиеся как на открытом воздухе, так и в помещениях, необходимо ограждать переносными щитами или ширмами для защиты окружающих от действия электрической дуги.
3.На участке, где систематически производится сварка изделий более 20 кг, должны быть установлены подъёмно-транспортные механизмы. При работе на высоте электросварщики должны комплектоваться испытанными предохранительными поясами и специальными сумками для инструмента.
4. В электросварочных цехах должны быть предусмотрены проходы обеспечивающие удобство и безопасность сварочных работ и передвижение цехового транспорта. При всех условиях ширина прохода должна быть не менее 1 метра.
5. Сборочно-сварочные цеха должны иметь отопление, для того чтобы температура в рабочей зоне была в зимний период не ниже 16оС.
6. Воздушная среда производственных помещений, где производится сварочные работы, загрязняется сварочным аэрозолем, в составе которого могут содержаться оксиды марганца, хрома, цинка, диоксида кремния, фториды и другие соединения. Для улавливания сварочного аэрозоля и газов на стационарных рабочих местах, а также на нестационарных постах следует предусматривать местные отсосы.
7. В сварочных цехах должна применяться система общего или комбинированного освещения.
8. Сварочные работы должны выполняться в специальной одежде и обуви, которые защищают от лучистой энергии, брызг металла и шлака. Для защиты лица и глаз от лучей сварщики должны пользоваться щитками или масками, а газорезчики и вспомогательные рабочие - очками. Выбор щитка или маски определяется характером работы.
Для защиты от соприкосновения с влажной холодной землёй и снегом, а также с холодным металлом как при наружных работах, так и в помещении сварщики должны обеспечиваться тёплыми подстилками, матами, наколенниками и подлокотниками из огнестойких материалов с эластичной прослойкой.
Во избежание поражения электрическим током необходимо соблюдать следующие требования :
1. Корпуса электрических машин и трансформаторов, рабочий стол сварщика и все металлические нетоковедущие части устройства должны быть надёжно заземлены.
2. Подключение и отключение электросварочных аппаратов, наблюдение за их исправной работой и ремонт должны осуществлять электромонтёры. Производить эти операции сварщикам запрещается.
3. Провода электросварочных аппаратов к электродвигателю должны быть надежно золированы и защищены от механических повреждений и действия высокой температуры.
4. Рукоятка электродвигателя должна быть изготовлена из токонепроводящего и огнестойкого материала.
5. Присоединение провода к электродвигателю должно быть надежным и изолированным.
6. Присоединение обратного провода к свариваемому изделию должно осуществляться механическими зажимами.
7. В передвижных сварочных установках провод должен быть изолирован. Это требование не распространяется на те случаи, когда свариваемое изделие является обратным проводом.
8. Исправлять электрическую цепь можно только при выключении рубильника.
9. Сварочные аппараты на время их передвижения необходимо отключить от питающей сети.
10. Сварочные аппараты, содержащие накопительные конденсаторы, должны меть устройства для автоматической разрядки при доступе к ним.
11. После окончания работы или при временной отлучке с рабочего места сварщик обязан отключить оборудование от сети. Для предупреждения поражения глаз и открытых участков кожи лучами сварочной дуги необходимо выполнить следующие требования:
1. Пользоваться только исправными защитными щитками и масками.
2. Работать в брезентовой одежде, которая защищает от лучей сварочной дуги все участки тела.
3. Рабочее место ограждается щитами высотой не менее 1.8 м. окрашенными в темный цвет.
4. Подручные рабочие, работающие вместе со сварщиком, должны обеспечиваться защитными щитками или очками со светофильтрами.
5. Возбуждая дугу, сварщик должен предупредить окружающих его лиц.
6. При сварке конструкции, которой невозможно оградить от окружающих рабочих, следует вывесить табличку – «Не смотри на горящую дугу».
7. При поражении глаз следует немедленно обратиться за медицинской помощью.
Во избежание ожогов следует соблюдать следующие правила:
Работать в одежде из огнестойкого материала, рукавицах, берете и плотно зашнурованной обуви.
Следить за тем, чтобы на спецодежде не было рваных мест.
Перед сваркой расправить складки одежды, застегнуться на все пуговицы, одеть рукавицы.
Карманы куртки должны надежно закрываться клапанами.
Запрещается вправлять куртку в брюки, т.к. за пояс могут попасть капли металла.
Брюки должны быть на столько длинными чтобы закрывались ботинки.
При потолочной сварке, сварщик должен пользоваться асбестовыми или брезентовыми нарукавниками и плотно завязывать их у кистей рук.
8. При сбивании шлака глаза сварщика должны быть защищены очками с простыми стеклами.
Для предупреждения отравления вредными газами необходимо соблюдать следующие правила безопасности:
На стационарных местах сварки должна быть устроена вытяжная вентиляция.
При сварке внутри закрытых резервуаров и емкостей необходимо обеспечивать надежную вентиляцию и, кроме того, подачу воздуха под щиток сварщика.
Запрещается одновременная работа электросварщиков и газорезчиков ( газосварщиков ) внутри закрытых сосудов.
По возможности применять электроды с низко токсичными рутиловыми покрытиями.
При работе в тесных местах и внутри резервуара следует делать перерывы с выходом сварщика на чистый воздух для отдыха.
Заключение
При работе над курсовым проектом по дисциплине «Проектирование сварных конструкций» был спроектирован резервуар со следующими показателями: объем – 4400м3, Диаметр резервуара – 17.06м. В ходе работы на курсовым проектом приобретены практические навыки проектирования оболочковых конструкций, работа с научной литературой, практическими расчетами параметров данной конструкции, комплект деталей и узлов.
Список использованных источников
1.Технология, механизация и автоматизация производства сварных конструкций: Атлас. Учебное пособие для студентов машиностроительных специальностей Вузов./ С.А.Куркин, В.М. Ховов, А.М. Рыбачук.-М: машиностроение, 1989-328с.
2. Г.А. Николаев, В.А. Винокуров. Сварные конструкции. Расчет и проектирование. Москва “Высшая школа” 1990г.
3. Технология и оборудование сварки плавлением: Учеб. пособие.- Могилев: ММИ, 1998.- 256с.
Г.А. Николаев, В.А. Винокуров. Сварные конструкции. Расчет и проектирование. Москва “Высшая школа” 1990г.