Проектирование сварного резервуара объемом 5000м3 и расчёт термических циклов при наплавке на сталь С345К

 

Таблица 5 – Расчет длины фланговых швов

Стержень		Катет шва k, мм	Усилие, воспринимаемое лобовым швом, Pл, Н	Нагрузка на фланговый  шов Pфл, Н	Расчетная длина шва		Принятая длина
					l1, мм	l2, мм	l1пр, мм	l2пр, мм
Стойки	a2	3	18144	1556	5,4	2,3	30	30
	bc	3	0	0	0,0	0,0	30	30
	de	4	24192	3208	8,4	3,6	30	30
	fg	3	0	0	0,0	0,0	30	30
	hi	3	0	0	0,0	0,0	30	30
	jk	3	0	0	0,0	0,0	30	30
	l9	3	0	0	0,0	0,0	30	30
Раскосы	ab	8	28384	86616	112,8	48,3	113	49
	cd	6	25224	21176	36,8	15,8	37	30
	ef	3	0	0	0,0	0,0	30	30
	gh	5	18540	16460	34,3	14,7	34	30
	ij	8	25732	32268	42,0	18,0	42	30
	kl	6	35288	17712	30,8	13,2	31	30

Аналогично определяются размеры швов прикрепления раскосов к накладке. Шов приваривающий  накладку к поясу, воспринимает сдвигающее усилие:

Т = N₄ cosa₂ - N₂ cosa₁                                                                                                           (25)

Условие прочности для  этих швов

                                                                                                                  (26)

b = 0,9- для полуавтоматической сварки

Из этой формулы, выводится  формула длины шва:

l=

Результат расчетов сведем в таблицу 6.

 

Таблица 6 – Результаты расчета сдвигающего усилия

Узел	N2, Н	cosa2	N4, Н	cosa1	k, мм	T, Н	Длина шва
							lрас, мм(расч)	lрас, мм(прин)
1-2-a-b-1	0	0,7916	111000	0	8	87868	99,4	100
3-a-b-c-d-4	46000	0,8211	111000	0,7601	8	56178	246,1	245
1-c-d-e-f	46000	0,7538	2000	0,7916	8	-34906	357,5	358
5-e-f-g-h-6	35000	0,7856	2000	0,7200	8	-23629	37,7	38
1-g-h-i-j	35000	0,7171	58000	0,7538	8	15209	79,4	80
7-i-j-k-l-8	67000	0,7510	5800	0,6814	8	-2095,8	96,5	97
l-k-l-9	67000	0	0	0,6969	8	-46692	48,7	49

 

Сварные швы сопряжения стропильной  фермы с опорным кольцом стойки и корпуса резервуара рассчитывается на срез.

τ= ≤[τ’]                                                                                                                               (27)

Соединение с опорным  кольцом стойки:

l= = 75,5 мм

Принимаем длину шва l=80 мм

Соединение стропильной  фермы с корпусом резервуара:

l= =175 мм

Принимаем длину шва l=200 мм

 

 

1.8 Технология изготовления резервуара

 

Резервуар изготовляется методом сворачивания (рулонирования). Метод заключается в том, что стенка и днище вертикального резервуара изготовляются целиком на заводе в виде отдельных плоских полотнищ, которые после сварки сворачиваются в рулоны, имеющие габариты, удобные для перевозки по железной дороге.

Метод позволяет выполнить  большую часть сборочно-сварочных  работ на заводе, где есть возможность  широко использовать сборочно-сварочные  приспособления, а саму сварку осуществить  автоматическим способом.

На месте монтажа производится разворачивание днища, установка рулона стенки в вертикальном положении с последующим разворачиванием его с помощью трактора. При этом на монтаже остается только сравнительно небольшая часть сборочно-сварочных работ — выполнение замыкающих швов.

Этот метод был предложен  Г.В. Раевским в институте электросварки имени Е.О. Патона АН УССР.

Его применение позволило  использование автоматической сварки и сборочно-сварочных приспособлений, что значительно повысил качество и снизил трудоемкость и стоимость изготовления сварных резервуаров.

 

 

2 Технологическая часть

 

2.1 Основной металл изделия и оценка его свариваемости

 

2.1.1 Общая характеристика  основного металла

 

Для изготовления данной металлоконструкции применяют конструкционную низкоуглеродистую сталь  Ст3сп обыкновенного качества ГОСТ 380-2005. Её характеристики сведены в таблицы 7,8,9.

 

Таблица 7 – Механические характеристики материала Ст3сп [17]

Марка стали	Термическая обработка заготовок	Предел текучести σт , МПа	Предел прочности σв , МПа	Относительное удлинение   δ%	Модуль упругости Е, МПа
Ст3сп	Нормализация	240	380	25	2,1*105

 

Таблица 8 – Химический состав стали Ст3сп [17]

Марка стали	С %	Si %	Mn %	Cr %	Ni %	Cu	S %	P %
Ст3сп	0,14-0,22	0,15-0,30	0,40-0,65	≤ 0,3	≤ 0,3	≤0,3	≤ 0,05	≤ 0,04

 

Для определения физических свойств стали применяют теплофизические коэффициенты: объемная теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность.

Для расчета тепловых процессов  при сварке сталей необходимо знание осредненных (при температурах 500-600 ⁰С) значения теплофизических коэффициентов. Их можно рассчитать в зависимости от содержания легирующих элементов по следующим уравнениям:

 [6]  (28)

, [10]                                                                                                         (29)

где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/см К,

, [10]                                                                                                       (30)

где   сγ – объёмная теплоёмкость, Дж/см²К,

[10]                                                                                                                              (31)

где   а – температуропроводность, см²/с

Температура плавления  сталей определяется температурой ликвидус, которая может быть рассчитана в зависимости от содержания легирующих элементов по уравнению:

  (32)

Если принять, что Тср~0,4 Тл, то коэффициент полной поверхностной теплоотдачи можно рассчитать по уравнению:

 [10]                                                                                     (33)

 

 

 

Таблица 9 – Теплофизические  коэффициенты стали Ст3сп

№ параметра	Наименование параметра	Обозначение	Размерность	Величина
1	Теплопроводность	α	Вт/смК	0,67
2	Объемная теплоемкость	сγ	Дж/см3К	8,407
3	Температуропроводность	а	см2/с	0,0797
4	Поверхностная теплоотдача	α	Вт/см2К	0,0065
5	Температура ликвидус	Тл	Градус цельсия	1520
6	Коэффициент линейного  расширения	λС	1/0С	11,1*10-6

 

2.1.2 Оценка свариваемости основного металла

 

Обязательными критериями при оценке свариваемости являются стойкость сварного соединения против образования горячих и холодных трещин, величина оптимального интервала скоростей охлаждения и степени равноценности механических свойств сварного соединения основному металлу.

Свариваемость конструкционных углеродистых сталей можно определить по химическому  составу с помощью эквивалента  углерода (Сэ):

 [20]                                                                           (34)

 [21]                                                                           (35)

С_Э^Г = 0,22+0,1+0,013-0,01+0,025+0,02 = 0,37 < 0,4

С_Э^Х = 0,22+0,11+0,013+0,0075+0,06 = 0,41 < 0,45

где C_Э^Г – эквивалент углерода по горячим трещинам (<0.4 – отсутствие горячих трещин)

С_Э^Х – эквивалент углерода по холодным трещинам (<0.45 – отсутствие холодных трещин)

Следовательно, сталь  Ст3сп имеет хорошую свариваемость  и не склонна к образованию  горячих и холодных трещин. Она  способна образовывать прочные сварные  соединения без существенного ухудшения их технологических свойств. Хорошая свариваемость стали  Ст3сп обуславливается следующими показателями:

- в химическом составе  отсутствуют элементы, образующие  тугоплавкие сплавы.

- высокая пластичность  в широком интервале температур.

-малая чувствительность  к закалке (т.к.имеет низкое  содержание С=0.22%)

- узкий интервал кристаллизации, т.е. малая склонность к образованию  горячих трещин.

Условия сварки стали  Ст3сп имеют следующие критерии: без ограничений в широком  диапазоне режимов сварки независимо от толщины металла, жесткости конструкции, температуры окружающей среды. Кроме того, сталь Ст3сп имеет широкий интервал скорости охлаждения ∆W.

 

 

 

 

2.2 Выбор вида сварки

 

Резервуар изготовляется  методом сворачивания (рулонирования). Метод позволяет выполнить большую часть сборочно-сварочных работ на заводе, где есть возможность широко использовать сборочно-сварочные приспособления, а саму сварку осуществить автоматическим способом.

На месте монтажа  производится разворачивание днища, установка рулона стенки в вертикальном положении с последующим разворачиванием его с помощью трактора. При этом на монтаже остается только сравнительно небольшая часть сборочно-сварочных работ - выполнение замыкающих швов.

В сварном цилиндрическом резервуаре имеются следующие сварные соединения: кольцевые и вертикальные швы корпуса резервуара, швы сопряжения корпуса с днищем, приварки обвязочного уголка к корпусу, сварные соединения стойки, стропильной фермы, щитов покрытия, лестницы, швы, присоединяющие патрубки, люки, лазы к корпусу резервуара, кровле и фланцам