Проектирование горизонтального сварного резервуара

 Аннотация

Данный курсовой проект содержит  42 листа, 2 рисунка, 9 таблиц.

В графической части содержится 1 чертёж формата А1 и 1 чертёж формата  А3.

Целью данного проекта является проектирование горизонтального сварного резервуара, выполнение проектировочных и проверочных расчётов сварных соединений, расчёт необходимой толщины стенок резервуара, объёма и площади  поверхности, расчёт прочности сварных швов.

На основе проведенных расчётов даётся оценка о работоспособности  конструкции резервуара.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Введение

Сварка является одним  из ведущих технологических процессов  изготовления и ремонта многообразных  конструкций различных отраслей промышленности во многих странах. 

Широкое применение сварки определяется возможностью создания наиболее целесообразных, эффективных в эксплуатации и одновременно технологичных, удобных в изготовлении конструкций. Сварка позволяет создавать конструкции, в которых целесообразно используются различные металлы и сплавы, в зависимости от назначения тех или иных частей конструкции, а также детали и заготовки, полученные наиболее рациональными методами их изготовления (прокат, штамповка, литье, поковки).

По сравнению с другими  методами изготовления металлических  конструкций (литых, кованых, выполненных  с помощью клепки) аналогичные сварные конструкции, как правило, оказываются более легкими. Экономия в весе металла составляет при этом от 10 до 50%. Целый ряд конструкций при необходимости их длительной эксплуатации при повышенных и высоких температурах, вообще невозможно создать без применения различных сварных соединений. 
Использование новых конструкционных металлов и сплавов для изготовления деталей и изделий разнообразного назначения возможно только при условии разработки методов их соединения и в частности сварки. В настоящее время сварными изготовляются изделия и конструкции не только из углеродистых, но и из различных легированных и высоколегированных сталей.

Особенности проектирования сосудов, работающих под  давлением, технология их изготовления.

Такие сосуды предназначены для хранения, переработки или перевозки жидких и газообразных продуктов. Они могут иметь цилиндрическую, коническую, сферическую формы. К ним относятся аппараты нефтяной и химической промышленности. Их особенностью является воздействие давления (свыше 0,07 МПа), высоких температур, коррозионно-активных сред.

Так как их разрушение может сопровождаться человеческими  жертвами, материальными потерями, то их относят к категории опасных  технических устройств: изготовление, монтаж и ремонт данных конструкций необходимо выполнять в строгом соответствии с требованиями нормативных документов (НД) и правил, утвержденных Ростехнадзором.

Основными НД, регламентирующими  требования к проектированию и изготовлению сосудов являются ПБ, ОСТы, ГОСТы.

 ПБ 03-584-03 (Правило проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных). В соответствие с данным ПБ все сосуды, работающие под давлением разделены на 6 групп. Причем требования к технологии изготовления, к объему и качеству контроля сварных соединений сосудов различных групп могут существенно различаться.

Наибольшее распространение  получили цилиндрические сосуды со сферическим, полусферическим и, реже, плоским  днищем. На корпусе сосуда имеются  штуцеры, патрубки, люки, опорные стойки и т. д. При приварке данных элементов применяют угловые швы с полным проплавлением. Днища и обечайки изготавливают из листового проката путем гибки или штамповки в холодном или горячем состоянии (в зависимости от толщины металла). С целью сокращения трудоемкости сварочных работ следует выбирать листовой прокат максимально возможной ширины, т.е. нужно стремиться к тому, чтобы днища были цельными или имели как можно меньше швов. Однако, не всегда удается обеспечить данные требования и возникает необходимость укрупнения заготовок с помощью сварки.

В зависимости от назначения и условий эксплуатации сосуды изготавливают  из сталей, из цветных сплавов и  т.д.

При выборе материалов следует  учитывать расчётное давление, температуру  стенки, химический состав и вид  среды, свойства материалов.

09Г2С относится к группе свариваемых материалов М01(W01) – это углеродистые и низколегированные конструкционные стали перлитного класса с пределом текучести 360 МПа.

Данный сварной горизонтальный резервуар относится к повышенному  уровню ответственности конструкций. Изготовление данных аппаратов должно осуществляться организацией, имеющей соответствующее разрешение органов Ростехнадзора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Раздел 1.  Обоснование выбора основных материалов сварной конструкции

Основной металл конструкции должен обладать свойствами, обеспечивающими его высокую эксплуатационную технологическую прочность, т. е. материал сварных конструкций должен выдерживать без разрушения усилия, возникающие в процессе сварки. Правильный выбор основного материала должен обеспечивать необходимые свойства металла в тех участках элементов, которые расположены непосредственно в зонах сварных швов и подвергаются тепловому воздействию процесса сварки.

Свойствами основного  металла, а также металла шва, определяется и степень того влияния, которое могут оказать сварочные напряжения на прочность конструкции.

В данном курсовом проекте используется сталь 09Г2С - конструкционная низколегированная, по качеству относится к группе B. Применяется для изготовления различных деталей и элементов сварных металлоконструкций (работающих при температуре от -70 до +425 °С), паровых котлов, аппаратов и емкостей (работающих под давлением при температуре от -70 до +450 °С).  Поставляется  по гарантированным механическим   свойствам   и   химическому   составу   с   избирательным гарантированием свойств и химического состава. Стали этой группы широко применяются для изготовления сварных и других конструкций, где важно знать химический состав и свойства металла.

Химический состав и  механические свойства стали 09Г2С представлены в таблицах 1 и 2 соответственно.

Таблица 1 - Химический состав стали 09Г2С

Марка		Химический состав, % по массе
	С		Мn	Si	S	Р	Сг	Ni	N	Сu	Аs
09Г2С	0,12		1,7	0,8	0,04	0,035	0,3	0,3	0,008	0,3	0,08

 

     

 

 

 

 

Таблица 2 - Механические свойства стали 09Г2С

 

Марка	Свариваемость	σв, кг/мм2	σт, кг/мм2 1	σ, %
09Г2С	Удовлетворительная	51	36	21

 

Электродуговая  сварка углеродистых сталей  ведется электродными материалами, обеспечивающими необходимые  механические свойства или теплоустойчивость наплавленного металла. Основная трудность   при сварке таких сталей заключается в закалке зоны термического влияния и возможности  образования холодных трещин.

Определим эквивалентное  содержание углерода:

С_э= С + Мn/6 + (Сг + Мо + V)/5 + (Ni + Сu)/15 =

= 0,18 + 0,6/6 + 0,3/5 + (0,3 + 0,3)/15 = 0,38

Стойкость против образования холодных трещин удовлетворительная. Следовательно,    для    предупреждения    образования    холодных   трещин рекомендуется производить только подогрев изделий до 100-300°С.

Сортаментом проката  называют совокупность прокатных профилей по их форме и геометрическим размерам. Для изготовления резервуаров используют листовой прокат. А в данном курсовом проекте применяется прокат стальной горячекатаный широкополосный универсальный. Согласно ГОСТ 82-70 прокат изготовляют длиной от 5 до 12 м, а по требованию потребителя от 2 до 18 м; немерной длины, мерной длины, кратной мерной длины.

Предельные отклонения по размерам широкополосного проката  должны соответствовать:

 по толщине:

толщиной до 20 мм, включая мм;

толщиной от 22 до 30 мм включая мм;

    

толщиной от 32 до 50 мм включая мм;

 

толщиной от 55 мм и  более мм

по ширине:

шириной до 400 мм включ. мм;

шириной от 420 до 800 мм включ. мм;

шириной от 850 мм и более мм

по длине (мерной и  кратной мерной):

толщиной до 12 мм включ + 15 мм;

толщиной от 14 до 25 мм включ. + 25 мм;

толщиной от 28 мм и  более + 35 мм.

В таблице 3 приведены  размеры и предельные отклонения листов, выбранных для сварки резервуара.

          Таблица 3

Толщина, мм	Ширина, мм	Длина, мм	Предельные отклонения,мм
13 15	2000	16000	по толщине: по ширине: по длине: + 15

 

 

 

 

 

 

 

 

  Раздел 2. Расчёт и  проектирование сварной конструкции

 

1 Расчёт цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним давлением.

Исходные данные:

Материал корпуса сталь  ст.3

Расчётная температура 20⁰С

Давление Р=6 атм ( кг/см²)= 0,6 Н/мм²

Внутренний диаметр обечайки D=5м=5000мм

Величина прибавки на коррозию  С=0 мм

Коэффициент прочности сварного шва  f_p=1

Предел текучести материала  при 20⁰С σ_т= 21 кг/мм²=205,8 Н/мм²

Плотность жидкости γ=13,7 кН/м³=13,7·10^-6 Н/мм²

Коэффициент запаса прочности для  рабочих условий n=1,5

Радиус днища R_дн=6 м= 6000мм

Результаты расчётов:

Давление жидкости гидростатическое

Р_д= γ·D=13,7·10^-6 Н/мм²·5000мм=0,0685 Н/мм²

Давление расчётное

Р_р=Р+Р_д=0,6 Н/мм²+0,0685 Н/мм²=0,6685 Н/мм²

Допускаемое напряжение материала стенки при расчётной  температуре 

     [σ]= σ_т/n= 205,8 Н/мм²/1,5=137Н/мм²

Расчётная толщина стенки

S_р= Р_р· D/(2[σ]· f_p- Р_р)=12,2 мм

Исполнительная толщина  стенки принимается с округлением  расчётной толщины в большую сторону, нос учетом наличия такой толщины в сортаменте

S=13 мм

Допускаемое внутреннее избыточное давление

Р_dop=2[σ]· f_p·S/(D+S)=0,7105 Н/мм²

Условия прочности выполняются, т.к.:

Р_р≤ Р_dop

0,6685 Н/мм²<0,7105 Н/мм²

 

2 Расчёт стенки сферических  днищ, нагруженных внутренним давлением.

Исходные данные:

Материал корпуса сталь  ст.3

Расчётная температура 20⁰С

Расчётное давление Р=0,6 Н/мм²

Величина прибавки на коррозию С=0мм

Коэффициент прочности  сварного шва f_p=1

Допускаемое напряжение материала стенки [σ]= 137Н/мм²

Радиус днища R_дн = 6000мм

Результаты расчёта:

Расчетная толщина стенки днища 

S_рд= Р_р· R_дн/(2[σ]· f_p-0,5 Р_р)=14,6 мм

Исполнительная толщина стенки принимается с округлением расчётной толщины в большую сторону, нос учетом наличия такой толщины в сортаменте

S_д=15 мм

     Допускаемое  внутреннее избыточное давление 

Р_dop=2[σ]· f_p·(S_д-С)/( R_дн+0,5(S_д-С))=0,6841 Н/мм²

Условия прочности выполняются, т.к.:

Р_р≤ Р_dop

0,6685 Н/мм²<0,6841 Н/мм²

 

 

 

 

 

 

     3 Расчёт  объёма и площади горизонтального  резервуара 

Исходные данные:

Длина обечайки L=7м

Внутренний диаметр  обечайки D=5м

Радиус сферической  части резервуара R=2,5м

Объём рассчитывается по формуле

V_p=V_об+2V_дн

V_об=πD²L/4=137,375м³

V_дн=2πR³/3=32,7м³

V_p=202,775м³

Площадь резервуара рассчитывается по формуле

S_p=S_об+2S_дн

S_об= πDL=109,9м²

S_дн=2πR²=39,25м²

S_p=188,4м²

 

4 Расчёт усилия 

Будем считать, что давление жидкости распределяется равномерно по внутренней поверхности горизонтального резервуара.

На сварные швы действует  усилие N, которое стремится разорвать изделие.

Для кольцевого шва:

N_k=P·S_дн=0,6Н/мм²·39,25·10⁶мм²=23,55·10⁶Н

Для горизонтального  шва:

N_г=P·S_об=0,6Н/мм²·109,9·10⁶мм²=65,94·10⁶Н

 

 

 

 

 

5 Расчёт прочности  сварного шва

Для кольцевого шва:

σ_шк=N_k/πD·S_д=23,55·10⁶Н/3,14·5000мм·15мм=100Н/мм²

Для горизонтального  шва:

σ_шг=N_г/L_ш·S=65,94·10⁶Н/2000мм·10мм=126Н/мм²

Условия прочности выполняются:

 σ_шк≤[σ]

100Н/мм²≤137Н/мм²

σ_шг≤[σ]