Проектирование сферического резервуара

     Автоматическую  и полуавтоматическую сварку под  флюсом применяют в заводских  и монтажных условиях для выполнения швов, расположенных в нижнем положении, обычно при толщине металла 2—100 мм. Сваривают стали различного состава, медь, титан, алюминий и сплавы на их основе. Сварку алюминия ведут не под  флюсом, а по флюсу. Под флюсом сваривают  и горизонтальные швы, расположенные  на вертикальной плоскости. В отечественной  промышленности этот способ из-за трудности  удаления шлаковой корки и удержания  флюса не находит практического  применения. Сварку под флюсом широко используют и при наплавочных  работах. Автоматическую сварку под  флюсом ведут сварочной проволокой сплошного сечения диаметром 1—6 мм при силе тока 150—2000А и напряжении дуги 22—55 В, полуавтоматическую — сварочной  проволокой диаметром 0,8—2 мм при силе тока 100—500 А и напряжении дуги 22—38 В. В обоих случаях возможно применение активированной и порошковой проволок.

     Основным  методом автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом является сварка одной дугой. С целью повышения  производительности труда при сварке многослойных швов одной дугой в  разделку вводят металлические наполнители  в виде порошка, проволоки, окатышей и других материалов. В некоторых  случаях наполнители вводят не только для увеличения производительности, но и для улучшения качества шва. Для повышения коэффициента расплавления электрода можно применять автоматическую и полуавтоматическую сварку под  флюсом с увеличенным вылетом  электрода. При этом достигается  предварительный нагрев электродной  проволоки па участке вылета.

     Повысить  производительность процесса и качество сварного соединения можно путем  автоматической сварки под флюсом двумя  и более электродами. Различают многоэлектродную и многодуговую сварку. При многоэлектродной сварке все электроды присоединены к одному полюсу источника питания. При многодуговой сварке каждый из электродов подсоединен к отдельному источнику питания и они электрически изолированы друг от друга.

     Существуют  две разновидности многодуговой сварки: сварка в общую ванну, когда  расплавляемый всеми дугами металл образует единую ванну, кристаллизующуюся  как одно целое (рисунок 5, а); сварка в раздельные ванны, или, как ее называют, сварка раздвинутыми дугами, в этом случае каждая дуга образует свою ванну  и последующая дуга расплавляет  уже закристаллизовавшийся слой, сваренный предыдущей дугой (рисунок 5, б). Многоэлектродная сварка ведется  только в общую ванну. 

     

     а)     б)

     Рисунок 5 - Сварка двумя дугами (стрелкой показано направление сварки):

     а) - в общую ванну;

     б) – в раздельные ванны. 

     5. Характеристика стыковых многослойных швов 

     Если  проплавляющая способность источника  теплоты не обеспечивает возможности  провара основного металла с  одной или двух сторон на всю толщину, то производят специальную подготовку свариваемых кромок. В этом случае между соединяемыми элементами оставляют  пространство, позволяющее приблизить источник теплоты к самой отдаленной от поверхности точке основного  металла. Достигается это за счет скоса кромок с оставлением небольшого нескошенного участка - притупления, которое проплавляется в процессе сварки (рисунок 6, а—г).

     

Рисунок 6 - Форма разделки кромок, применяемая  при дуговой сварке многослойных швов:

     а) – V-образная;

     б) – рюмкообразная;

     в) – Х-образная;

     г) – двойная рюмкообразная. 

     К многослойной сварке со скосом кромок даже для толщин, которые могут  быть сварены в один слой, прибегают  и в тех случаях, когда отсутствуют  источники питания достаточной  мощности, необходимо уменьшить долю основного металла в металле  шва (например, при сварке среднеуглеродистых, среднелегированных и других марок  стали), создать благоприятный термический  цикл или снизить вероятность  образования дефектов и пр. Очевидно, что такое решение вопроса  менее целесообразно, чем сварка без разделки кромок, так как в  этом случае искусственно удаляется  часть основного металла, а образовавшаяся полость заполняется другим, более  дорогим, электродным или присадочным  металлом. При этом металл шва на 60—80% состоит из электродного и только на 20—40% из основного металла. Производительность сварки существенно снижается.

 

     

     Рисунок 7 - Размещение шва при различной  подготовке кромок:

     а) – без скоса кромок;

     б) – с малым углом скоса кромок;

     в) – с оптимальным углом скоса  кромок. 

     Условия, благодаря которым осуществляется провар корня шва при многослойной сварке, ясны из схем, приведенных на рисунке 7. При сварке без разделки кромок при данной мощности источника  нагрева шов будет формироваться  так, как показано на рисунке 7,а. Если раздвинуть кромки на расстояние, превосходящее  ширину шва, то при той же мощности источника нагрева шов погрузится в разделку до такого положения, при  котором ширина его совпадет с  шириной разделки (рисунок 7,б).

     При увеличении угла раскрытия кромок произойдет дальнейшее понижение уровня сварочной  ванны и при той же мощности источника нагрева и форме  шва будет достигнут провар соединяемых  деталей в корне шва (рисунок 7,в). При малом угле разделки кромок трудно обеспечить провар и при многослойном шве.

     Кромки  под сварку разделывают путем  удаления части металла по плоскости, расположенной под некоторым  углом к вертикальной оси (V-образная разделка кромок, рисунок 6,а), или же по специально подобранной криволинейной  поверхности (рюмкообразная разделка кромок, рисунок 6,б). Характер подготовки кромок под сварку при V-образной разделке определяется углом раскрытия кромок или углом скоса кромок , величиной притупления и расстоянием (зазором) между свариваемыми деталями а (рисунок 6, а).

     Угол  раскрытия кромок выбирают с таким  расчетом, чтобы были обеспечены провар вершины угла притупления и оптимальный  коэффициент формы провара. При  малом угле раскрытия возможны непровар вершины угла (рисунок 7,б) и возникновение  кристаллизационных трещин. Последнее  связано с тем, что для достижения провара при этих условиях слой должен иметь малый коэффициент формы. Угол раскрытия кромок практически  не зависит от толщины свариваемого металла и мало зависит от способа  сварки. При любой толщине необходимо создать условия для качественного  выполнения первого слоя.

     Форма подготовки кромок при рюмкообразной  разделке определяется величиной притупления  и величиной зазора а, назначаемыми из тех же соображений, что и для V-образной разделки, радиусом , изменяемым в пределах 5—8 мм, и углом скоса кромок , равным 10—14°. По условиям формирования металла первого слоя и по сечению разделки предпочтительна рюмкообразная подготовка кромок. Однако в этом случае увеличивается сложность подготовки под сварку и требуется более точное направление электрода по оси соединения для обеспечения провара кромок.

     Параметры различных видов разделки и выбор  способов подготовки кромок для различных  методов дуговой сварки регламентированы ГОСТ 8713-70, 14771-69 и 5264-69. 

     6. Расчёт радиуса и площади поверхности сферы 

       Объём сферы определяется по формуле: V=4πR₀³/3=1000 (м³)

     

     

_м

                        

     R=6,2 м

     Площадь поверхности сферы определяется по формуле: 

     S= pD², 

     где D-диаметр сферы=12,4 м

     S= pD²=3.14´(12,4´10³)²=482,8()

     Для расчёта объёма резервуара наиболее предпочтительной является конструкция  показанная в таблице на рисунке . При диаметре сферы d=12,4м и объёме резервуара V=1000м³ лепесток будет состоять из двух частей 30 и 20 соответственно. 

7. Расчёт толщины стенки резервуара 

     При изготовлении сферического резервуара применяют сталь 15ХСНД:

     Её  предел прочности s_в=520мПа, предел тякучести s_т=350 мПа.

     Допустимое  напряжение можно определить:

     [s]_р= s_т/n , где n-коэффициент запаса=1,5

     [s]_р=350/1,5=233,3 мПа

     Толщина стенки сферического резервуара определяется по формуле: 

     S₀ = PR₀/2s , 

     где

     P- давление жидкости в резервуаре=0,6 МПа

     R₀- радиус сферы=6,2м

     s- напряжение в стенке резервуара, мПа

     Из  условия s£[s]_р примем что s= [s]_р=233,3 мПа

     Подставив исходные данные P,R₀,s в формулу получим:

     S₀ =0,6´6,2´10³/233,3=15,9 (мм)

     Примем  толщину стенки S₀=16мм 

            8. Расчёт длины кольцевых и меридианных швов

        

         Длина кольцевого шва равна: =p d_сег , где

     d_сег=диаметр сегмента:

     d1=2,7м

     d2=8м

     d3=12,4

      

      

      

     Длина меридионального шва определяется по формуле 

     L_м=l=2pR₀a/360 , где  

     a=центральный угол=157⁰, который был найден графическим путём, из построения графического резервуара в масштабе 1:100

     L_м=l=2´3.14´6.2´157/360=17(м)

     Ширина  одного лепестка в зоне соединения со сферическим днищем составляет:  Вл==0,8м

 

      9. Проверочный расчёт кольцевого и меридианного швов 

     Давление  распределяется равномерно по внутренней поверхности сферического резервуара. На сварные швы действует усилие N, которое стремится разорвать  изделие: N=P×S , где S площадь днища (Sд) и сферической части без днищ (Sсф). Площадь днища определяется по формуле : 
 
 

     Площадь двух лепестков (Sсф2) сферической части  резервуара без днищ определяется по формуле :