Розділ 1. Спецчастина

1.1Технологічна частина

1. Характеристика виробу. Технічні умови для його виготовлення

Об’єктом дипломного проекту являється підвіска пеналів, яка призначена для щільного збереження пеналів з відпрацьованим ядернім паливом в підземних сховищах, що складається з штоку та фланця.

Дана підвіска пеналів використовується на об’єктах атомної енергетики.

Технічна характеристика пеналів приведена в таблиці 1.1

Таблиця 1.1 - Технічна характеристика підвіски пеналів

Найменування показників та одиниці вимірювання	Величина
Вагопідйомність ,кг(Н)	650 (6500)
Кількість закріплених пеналів, шт.	2
Вага підвіски, кг	7,9
Срок служби, рік	40
Розміри, мм
-Довжина	450
-відстані між осями	110
Робоче середовище:
Склад	Повітря, періодично 5озрізаю ч вода
Температура, Сº
Повітря	18-40
Вода	50
Відносна вологість повітря, %	80

Підвіска (лист1 графічної частини) складається з штока і двох фланців підвіски, з’єднаних між собою осями із шайбами і шплінтами. На кожній основі фланців підвіски передбачено по два отвори діаметром 11мм, через які болтами М10 до підвіски кріпляться два пенали з відпрацьованими касетами. Підвіска із закріпленими пеналами опирається фланцями на балки щілинного перекриття басейну.

Шток (лист 2 графічної частини) представляє собою зварну конструкцію із стержня, до одного кінця якого приварені два фланці і два обмежувачі, а до другого кінця – кронштейн для кріплення двох фланців підвіски пеналів.

Фланець підвіски (лист 3 графічної частини) Представляє собою зварну конструкцію з двох фланців, до яких приварені дві провушини, через які фланець кріпиться до штоку.

До зварних з єднань підвіски пред’являються вимоги міцності, яка повинна бути на рівні нижньої межі міцності основного металу, і корозійна стійкість (загальна і між кристалізаційна) в атмосфері збереження ядерного палива.

Підвіску для пеналів виготовляють у відповідності з вимогами «Спеціальних умов обладнання, приборів, матеріалів і виробів для об’єктів атомної енергетики» і «Технічних умов, визначаючих вимоги до основних і зварювальних матеріалів, якості деталей, поступаючи на складання зварних конструкцій, регламенту зварювання, методам випробувань та контролю зварних з єднань, маркуванню і прийманню підвіски».

Матеріали (основні та зварювальні) повинні відповідати вказівкам на кресленнях. Хімічний склад та механічні властивості їх повинні підтверджуватися сертифікатам на заводі – виробнику. При відсутності сертифікатів на заводі – виробнику виконується вхідний контроль по визначенню хімічного складу та механічних властивостей матеріалів і їх відповідності стандартів на постачання.

Деталі та складальні одиниці не повинні мати окалини, тріщин, за гусениць, раковин та задирів, які знижують працездатність підвіски.

Складання під зварювання і зварювальні операції виконують в повній відповідності з конструкторською – технологічною документацією, Складання під зварювання виконувати відповідно до «Типового технологічного процесу на зварювання, наплавлення ущільнюючих і направляючих поверхонь, що труться, й поопераційний контроль зварювальних і наплавочних робіт для виробів атомних електростанцій(із високолегованих сталей)».

Технологічні вимоги до механічної обробки і різьб у відповідності з ГОСТ 95227-83.

Зварювання повинно виконуватися в закритих приміщеннях при відсутності протягів і при температурі навколишнього повітря вище +5Сº. Допустимі відхилення режиму зварювання: в межах 5% - по струму; в межах 2% - по напрузі. Зварювання виконувати на постійному струмі прямою полярністю вузькими валиками так, щоб ширина зварювальної ванни не перевищувала внутрішнього діаметру пальника.

Операційному контролю підлягає кожна технологічна операція, яка виконується при виготовленні підвіски. Приймальний контроль і випробування підвіски повинні виконуватися в приміщеннях в приміщеннях з достатнім освітленням при нормальних умовах з використанням засобів з погрішністю вимірювань у відповідності із ГОСТ 8051 – 73. Масу підвіски визначити зважуванням на вагах по ГОСТ 23676 – 79. Допускається відхилення маси підвіски від вказівок на кресленні в межах 10%. Статичне випробування підвіски підлягає при підвішуванні до фланців вантажу масою 812кг і наступним підійманням на висоту від 100 до 200мм і витримуванням в такому положенні протягом 10хв. Випробування виконується при опорі підвіски на фланці або, при замовленні, при підійманні підвіски за грибок (лист 1 графічної частини). Після випробування не допускається залишкової деформації, тріщини і підриви в елементах підвіски.

Виготовлена підвіска повинна бути перевірена і прийнята ОТК підприємства виробника і представниками Держатомнагляд на відповідність вимог креслень і справжніх технічних умов.

2. Аналіз технологічності виробу і рівня технології базового підприємства

Для виготовлення підвіски пеналів використовується високолегована сталь марки 12Х18Н10Т, постачання якої виконується в необхідному сортаменті і яка володіє корозійною стійкістю в атмосфері збереження відпрацьованого ядерного палива.

Цілеспрямовано відпрацювати можливості використання для підвісок менш дорогої і дефіцитної сталі. В конструкції підвіски прийняті також конструктивні рішення, при яких виключаються можливості відкладання продуктів корозії та використані раціональні типорозміри сортаменту металу (лист, круг, полоса), які забезпечують високий коефіцієнт використання металу. При виконанні двосторонніх швів із V – образним розділенням крайок забезпечується достатня міцність і корозійна стійкість зварнихз’єднань. Таким чином конструкція підвіски металів технологічна.

В умовах базового підприємства при виготовленні зварювальних вузлів підвіски (шток та фланець) використовується ручне аргонодугове зварювання неплавким електродом непереривною дугою, що обумовлює високий рівень залишкових напружень, які викликають необхідність правлення і механічної обробки їх після зварювання. Тому завданням в дипломному проекті являється вирішення питання зменшення теплового впливу при зварюванні, що дозволить зменшити деформацію зварювальних вузлів, а внаслідок припуски на механічну обробку після зварювання і трудомісткість правлення зварювальних вузлів. На базовому підприємстві відсутні пристосування для правлення і механічної обробки для кантування зварювальних вузлів в зручне для зварювання положення. Розробка технологічної оснастки для цих операцій будуть сприяти як підвищенню якості, так і зниженню трудомісткість виготовлення зварювальних вузлів і підвіски в цілому. Тому розробки дипломного проекту направлені на удосконалення технології складання та зварювання, а також розроблення прогресивного технологічного оснащення, що забезпечить якість зварювальних з’єднань і трудомісткість виготовлення підвіски.

3. Характеристика металу виробу і його зварюваність, обґрунтування вибраного металу

У відповідності з технічними умовами на виготовлення підвіски і умовами її експлуатації в якості конструкційного матеріалу використана високолегована корозійностійка сталь 12Х18Н10Т, яка містить 10% нікелю.

Надійність збереження пеналів із відпрацьованими касетами ядерного палива можлива при високій корозійній стійкості матеріалів підвіски.

Вивчення даних по корозії реакторних матеріалів[1], показники ферітно – аустенітних сталей марок 08Х22Н6Т і 08Х21Н6М2Т і аустенітної сталі 12Х18Н10Т мають корозійну стійкість як в умовах опроміненням потоком теплових нейтронів, так і в умовах без опромінення (таблиця 2[1]). Швидкість корозії сталей у воді при температурі 50С.

Таблиця 1.2 - Швидкість корозії сталей у воді

Середовище	Умови випробування	Тривалість випробування, год	Швидкість корозії сталей у воді при температурі 50С, в г/м²*доб
			08Х18Н10Т	08Х22Н6Т (ЭП-53)	08Х21Н6М2т(ЄП-54)
Обезсолена фільтрована вода	Без опромінення	1650	0,02	0,01	0,01
Сантурна вода	Опромінена потоком теплових нейтронів	1650	0,08	0,01	0,01

Наявність механічних напружень не знижує корозійну стійкість цих сталей (таблиця1.3). Швидкість корозії сталі при температурі 175Сº приведено в таблиці 1.3.

Таблиця 1.3 - Швидкість корозії сталі при температурі 175Сº, в г/м²*доб

Марки сталей	Прикладання напруг,Н/мм²	Тривалість випробування, год
		4320	5000	16500
12Х18Н10Т	160	0,14-0,17	0,155-0,126	0,094-0,081
08Х22Н6Т	160	0,152-0,062	0,126-0,121	0,1-0,103
08Х21Н6М2Т	160	0,21-0,17	0,186-0,187	0,137-0,138

Сталі 08Х22Н6Т і 08Х21М2Т не схильні до міжкристалічної корозії при випробуванні по методу АМ ГОСТ 6032-89, а також більш стійкі проти кристалізаційного розтріскування під напругою ніж сталь 12Х18Н10Т. Відповідно, ферітно-аустенітні сталі ЭП- 53 і ЭП-54 з пониженим вмістом нікелю можуть бути рекомендовані в якості конструкційного матеріалу замість сталі 12Х18Н10Т в умовах збереження контейнерів з відходами ядерного палива.

Вибираємо сталь 08Х22Н6Т (ЭП-53) для виготовлення підвіски пеналів, яка постачається по ГОСТ 5632-72 з гарантією хімічного складу і механічних властивостей при вимаганні для виготовлення підвіски сортаменту метала.

Хімічний склад та механічні властивості сталі марки 08Х22Н6Т приведені в таблицях 4, 5.

Таблиця 1.4 - Хімічний склад сталі 08Х22Н6Т по ГОСТ 5632-72, у відсотках

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
до 0,8	до 0,8	до 0,8	5,3-6,3	до 0,025	до 0,035	21-23	до 0,3

Таблиця 1.5 – Механічні властивості сталі 08Х22Н6Т по ГОСТ 5632-72

Сортамент	Розміри, мм	σ0,2, Мпа	σвМпа	d5, %	Ψ, %	KCU, Дж/м2	Термообробка
Прутки	60	345	590	20	45		Гартування 950-1050Сº, повітря або вода
Листи гарячекатані і холоднокатані	більше 4	340	588	18		59	Гартування 1000-1050Сº, вода

Сталь 08Х22Н6Т відноситься до феритно-аустенітного класу. Основною відмінністю при зварюванні цієї сталі являється суттєвий ріст зерна фериту в зоні термічного впливу зварного з’єднання, який обумовлює зниження його пластичності.

На ряду з ростом феритного зерна при високотемпературному нагріванні збільшується кількість фериту, а склад аустеніту зменшується. Ці зміни призводять до зниження ударної в’язкості металу і корозійної стійкості зони термічного впливу тим значніше, чим більша погонна енергія. Щоб запобігти кристалізаційну і структурно утворювальну корозію, забезпечити оптимальну загальну корозійну стійкість зварних з’єднань швів 20-22%, кількість феритної сталі в них повинна знаходитися в межах 40-60%. Для цього шви повинні бути леговані титаном і ніобієм. Вміст нікелю в швах повинен бути не менше 7%. При такому легуванню швів забезпечуються високі механічні властивості зварних з’єднань і оптимальна стійкість швів проти утворення гарячих тріщин. По стійкості проти утворення гарячих тріщин, вміст фериту повинен бути 30-60%, перевершують хромонікелеві аустенітні сталі 6-8% фериту. Зварювання сталі 08Х22Н6Т слід виконувати короткою дугою постійним струмом зворотної полярності в атмосфері інертних газів або під флюсами [2].

4. Розрахунок зварних вузлів на міцність

Шарнірне кріплення фланців до коромисла штока підвіски здійснюється за допомогою осі з шайбою та шплінтом (рисунок 1).

Рисунок 1.1 – Схема кріплення фланця до штоку підвіски

Вихідні дані для розрахунку:

діаметр – d = 20мм;

робоча довжина осі – l = 32мм;

товщина провушини – t = 8мм;

Ширина перемичок – a = b = 10мм;

межа міцності сталі 08Х22Н6Т - σ_в = 650кг/мм²;

межа текучості – σ_т = 20кг/мм²;

зусилля статичного випробування Р_роб = 812кгс;

зусилля на одну вісь Р_роб = 812/2 = 406кгс;

довжина таврового зварного шву z =30мм * 2 = 60мм.

Шарнірний вузол, який складається із провушин які з’єднуються осями, являються відповідальними елементами підвіски. Спостерігаються чотири види випробування провушин: розрив по перченому перетину (І), зрізання із крученням по перетину (ІІ), розрив перемички (ІІІ), зминання по площі контакту з віссю (ІV).

Умови міцності на зминання по допустимим напругам, σ, кг/мм , визначається по формулі:

σ_{3 =} Р_е/d*t≤K₃[σ_в] (1.1)

Де К₃ – коефіцієнт міцності (К=0,6);

Р_e – максимальне допустиме навантаження на вісь, кгс

Максимальне допустиме навантаження на вісь Р_е, кгс визначається за формулою:

Р_е = Р_роб*f (1.2)

де f – коефіцієнт безпеки для атомної промисловості (f = 10)

Р_е = 406*10=4060кгс

Звідси умови міцності на зминання по допустимим напругам мають вигляд:

σ₃ = 4060/20*8 = 25,38кг/мм²

Емпіричний коефіцієнт при циліндричному контакту складає К₃ = 0,6, звідки:

К₃ * σ_в = 0,6*650 = 390кг/мм² (1.3)

Умови міцності на зминання по допустимим напругам дотримується так як σ_в ≤К₃<[σ_в].

Умови міцності на розрив перетину І по середнім допустимим напругам σ_р, кг/мм² , визначається за формулою:

σ_р=Р_е/2*b*t≤K_зв[σ_в] (1.4)

де К_зв – коефіцієнт міцності (К_зв = 0,9);

σ_р = 4060/2*10*8 = 25,38кг/мм²

Емпіричний коефіцієнт міцності складає К_зв = 0,9, звідси:

K_зв* σ_в = 0,9*650 = 585 кг/мм² .(1.5)

Умови міцності на розрив дотримано так, як σ_р ≤K_зв[σ_в]

Умови міцності на зрізання по середнім допустимим напругам τ, кг/мм², визначається за формулою:

= Р_е/2* (a+0.2*d)t≤K_τ*τ_ср (1.6)

де K_τ – коефіцієнт міцності на зрізання (К? = 0,5);

τ_ср – напруга на зрізання,кг/мм², яка визначається за формулою:

τ_ср= 0,6* σ_в

τ_ср= 0,6*650 = 390кг/мм² (1.7)

Звідси умови міцності на зрізання по середнім допустимим напругам мають вигляд:

τ = 4060/2*(10+0,2*20)*8 = 18,13кг/мм² (1.8)

Умови міцності на зрізання дотримується так, як τ≤K_τ* τ_ср.

Умови міцності на розрив перетину ІІІ по середнім допустимим значенням σ_р, кг/мм², визначається за формулою:

σ_р = Р_е/2at≤K_σп*[σ_в] (1.9)

де К_σп – коефіцієнт міцності, який визначається за формулою:

К_σп = 1,15-0,3*a/b (1.10)

К_σп = 1.15 – 0.3*10/10 = 0.85

Звідси умови міцності на розрив перетину ІІІ по середнім допустимим значенням мають вигляд:

σ_р = 4060/2*10*8 = 25,38кг/мм² (1.11)

К_σп* σ_в= 0.85*650 = 552кг/мм²

Умови міцності на розрив перетину ІІІ дотримуються так, як σ_р ≤К_σп*[σ_в].Перевіримо достатність міцності зварного з’єднання провушини з основою , виконаного в тавр зі скошуванням крайок провушини (рисунок 1).

Умови міцності зварного з’єднання τ, кг/мм², визначається за формулою:

τ = Р_е/z*t+6*M/t*z² ≤ [σ] (1.12)

де [σ] – допустиме значення міцності зварного шва;

М – згинаючий момент,кг*мм, який визначається за формулою:

M = Р_е*z/2 (1.13)

M = 4060*60/2 = 121800кг/мм

Звідси умови міцності зварного з’єднання мають вигляд:

Допустиме значення зварного шва [σ],кг/мм², визначається за формулою:

(1.14)

де φ – коефіцієнт зварного шва першої категорії (φ = 0,9);

Умови міцності зварного таврового з’єднання дотримано так, як τ ≤[σ].

Таким чином при прийнятих конструктивних розмірах провушини таврового з’єднання із сталі 08Х22Н6Т забезпечується достатній запас якості шарнірного кріплення фланців на коромислі штока підвіски пеналів.