Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра Оборудования и технологии сварочного производства _

100	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
90
80
70
60
50
40
30
20
10

Подп. и дата
Подп. и дата
Взаим. инв. №
Инв. № подл.
Инв. № дубл.

«Описание физических основ процесса получения неразъемного соединения конструкции дна вертикального цилиндрического резервуара-2000м³ для хранения нефти и нефтепродуктов»

Пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине

«Физические основы получения неразъемных соединений»

1407.790.000.000 ПЗ

(обозначение документа)

Группа СПН-410	Фамилия, и., о., должность	Подпись	Дата	Оценка
Студент	Раянов А.Р.
Консультант	Маркелова Н.И., доцент
Принял	Коленченко О.В., ст.преподаватель

Уфа 2012 г.

Содержание

Список терминов, обозначении сокращений…………………………….5

Таблица 6: Химический состав стали ВСт3сп [7] 12

Достоинства способа сварки в углекислом газе: 15

Список терминов, обозначений и сокращений

1. Неразъемное соединение – это соединение, которые нельзя разобрать без разрушения соединительных элементов или повреждения соединенных деталей.

2. Сварка – это технологический процесс получения неразъёмного соединения посредством установления межатомных и межмолекулярных связей между свариваемыми частями изделия при их нагреве (местном или общем), и/или пластическом деформировании.

3. Температурное поле - линии на графике показывающие распределение температуры в теле в определенный момент времени.

4. ЗТВ – зона термического влияния.

5. Свариваемость - свойство металлов или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

6. РВС-2000- стальной вертикальный цилиндрический резервуар для нефти и нефтепродуктов емкостью 2000 .

Введение

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 м ³».

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 м ³»,

2. описание материала изделия «Резервуар вертикальный цилиндрический стальной для хранения нефти и нефтепродуктов емкостью 2000 м ³» и оценка его свариваемости,

3. описание способа получения неразъемного соединения, его физической сущности,

4. выполнение расчета температурных полей от движущихся источников тепла.

1. Описание изделия и условий его эксплуатации

Резервуар стальной вертикальный цилиндрический V=2000м³. 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 2000м³ 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 19903-74*.

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 13579-78.

Отделка:

Наружная – окраска лаком ПФ-РМ ГОСТ 15907-70* 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 0,15х1,33х10⁴Па (200 мм вод.ст.) для хранения нефти и нефтепродуктов с давлением насыщенных паров 2х1,33х10⁴Па-5х1,33х10⁴Па (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 2х1,33х10⁴Па (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 [1]:

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 200кН/м²) и вакуума (до 100кН/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 10мм, т.к. она в полной мере удовлетворяет всем требованиям (СНиП II – 23 – 81) для изготовления резервуара.

Класс: Сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества Использование в промышленности: несущие элементы сварных и несварных конструкций и деталей, работающих при положительных температурах. Фасонный и листовой прокат (5-й категории) — для несущих элементов сварных конструкций, работающих при переменных нагрузках: при толщине проката до 25 мм в интервале температур от —40 до +425 ° С; при толщине проката свыше 25 мм — от —20 до +425 °С при условии поставки с гарантируемой свариваемостью.

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 [7]

ГОСТ	Состояние поставки	Сечение, мм	σ0,2 (МПа)	σв(МПа)	δ5 (δ5)(%)
			не менее
380-71 16523-70 (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	245 235 225 205 --- ---	370-480 370-480  370-480	26 25 23 23 (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	Поперчное  Продольное Продольное	5-9 10-25  26-40  5-9 10-25 26-40 5-9 10-25 26-40	78 68 49 98 78 68 108 98 88	39 29 ---  49 29 --- 49 29 ---	39 29 --  49 29 --- 49 29 ---

Таблица 5: Физические свойства стали ВСт3сп [7]

Температура испытания,°С	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
Модуль нормальной упругости, Е, ГПа	194	192	187	183	178	167	159	146	120	99
Коэффициент теплопроводности Вт/(м ·°С)		55	54	50	45	39	34	30

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.

С_экв = С + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Сu)/15

С_экв = 0.2+ 0.50/6 + 0.2/5 + (0.2 + 0.2)/15

С_экв = 0.35

Следовательно, Сталь ВСт3сп является удовлетворительно сваривающемся материалом

4. Описание способа получения неразъемного соединения, его физической сущности

Для сварки дна резервуара РВС-2000м³ следует применять механизированную сварку в защитных газах CO₂ сварочной проволкой 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.