Проектирование сферического резервуара

Министерство образования и  науки РФ

Курганский государственный университет

 

 

 

 

 

 

 

 

Кафедра: «Технология и автоматизация  сварочного производства»

Проектирование сферического резервуара

Пояснительная записка

по курсу ”Проектирование сварочных конструкций”

 

 

 

 

 

 

                                                                                         Принял

                                                                                                     преподаватель 

                                                                                                   Казаков С.И.

 

 

                                                                                                     Выполнил

                                                                                          студент

Ботников  Д.И.

Курган 2011г.

 

 

 

 

Курсовой  проект

“Проектирование сферического резервуара”

                                  Техническое задание

 

Спроектировать  и рассчитать толщину стенок сварного сферического резервуара, предназначенного для хранения жидкости под давлением P=0,6 МПа; V=1000 . Резервуар изготавливается из стали 15ХСНД. При расчете коррозией пренебречь.

 

 

 

Аннотация

 

Целью данной работы является проектирование шарообразного резервуара, выполнение проектировочных и проверочных расчётов сварных соединений, расчёт необходимой толщины стенок резервуара, объёма и площади поверхности сферы, длины сварочных швов, расчёт прочности сварных швов.

На  основе проведенных расчётов даётся оценка о работоспособности конструкции резервуара.

 

Содержание

 

Техническое задание                                                                             2

Аннотация                                                                                             3

1 Расчет радиуса и площади поверхности сферы 5

2 Расчет толщины стенки резервуара 5

3 Расчет длины кольцевых и меридианных швов 6

4 Проверочный расчет кольцевых и меридианных швов  7

5 Расчет опор 8

6 Расчет развертки  сферического элемента 9

Теоретические данные 10

7 Общая характеристика сферического резервуара 12

8 Технология сборки и сварки сферического резервуара  13

9 Выбор и характеристики сварочного материала 17

10 Описание способа сварки 20

11 Характеристика стыковых многослойных швов 23

12 Конструкция стыка с размерами 27

13 Условное обозначение сварных швов 28

14 Дефекты образующиеся при сварке 28

Заключение 30

Список использованных источников 31

 

1. 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.

 

2. 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 = (P+P₀)R0/2s ,

         

где

P- давление жидкости  в резервуаре=0,6 МПа

P₀- гидростатическое давление

γ – удельный вес жидкости=9810 Н/м³

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+0,12)´6,2´10³/233,3=19,1 (мм)

Примем толщину  стенки S₀=20 мм

Расчет  максимального давления вакуума:

           s

        

        р=0.75МПа=7.5бар     

 

 

 

3. Расчёт длины кольцевых и меридианных швов

        

         Длина кольцевого шва равна: =p d_сег , где               d1

d_сег=диаметр сегмента:                                                d2

d1=2,7м d3

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

        

            4. 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 :

 

 

Напряжение, возникающее в кольцевом шве  равно:

s

s

s

Напряжение, возникающее в меридиональном шве, между двумя лепестками сферической  части резервуара рано:

 

                      s

 

Напряжения в кольцевом и меридиональном меньше допустимого s условие прочности выполняется

 

5. Расчет  опор для сферического резервуара

Расчет  веса сферы:

Vсф= Vсф.б – Vcф.м=

Плотность стали:

 

 

 

Масса сферы с водой  Mcф=1061 т

Расчет сечения стержня:

Так как лепестков 30 принимаем  что опор будет 15

Определение площади сечения:

s

 

 

=23,3

Принимаем

Материал трубы  – сталь 16Г2АФ (с440)

Подбираем трубу  по ГОСТ 10704-91 с параметрами

 

Расчет и  проверка сжатых сечений опор:

Определение гибкости λ

 

s

Условие прочности  выполняется

 

 

6. Расчет  развертки сферического элемента.

номер точки	Kx	Ky	Ci	yi
0	0,10472	0	650,94	0
1	0,104662	0,034907	650,57	216,98
2	0,104438	0,069817	649,18	433,98
3	0,103707	0,10472	647,38	650,94
4	0,103139	0,139626	644,64	867,92
5	0,102446	0,174533	641,11	1084,89
6	0,101632	0,209439	636,8	1301,87
7	0,100691	0,244346	630,9	1518,86
8	0,09962	0,279253	625,9	1735,84
9	0,098446	0,314159	619,2	1952,81
10	0,097142	0,349066	611,9	2169,79
11	0,095722	0,383972	603,8	2386,78
12	0,094185	0,418879	595	2603,75
13	0,092536	0,453786	585,4	2820,73
14	0,090772	0,488692	575,2	3037,7
15	0,088395	0,523599	564,2	3254,69
16	0,086913	0,585851	549,4	3471,67
17	0,088395	0,593412	540,25	3688,65
18	0,086913	0,628318	527,29	3905,63
19	0,084828	0,663225	519,86	4122,6
20	0,083632	0,698132	499,39	4339,56
21	0,080339	733038	484,51	4556,56
22	0,077946	0,767945	469,07	477,55
23	0,075461	0,802851	453,03	4990,52
24	0,070211	0,837758	436,43	5207,5
25	0,067452	0,872665	419328	5424,49
26	0,101457	0	630,66	0
27	0,097205	0,034907	604	216
28	0,093827	0,069813	583,23	433,96
29	0,088338	0,10472	549,1	650,94
30	0,083737	0,139626	520,5	867,92
31	0,079025	0,174533	491,22	1084,9
32	0,07422	0,209439	461,35	1301,87
33	0,069319	0,244346	430,35	1518,58
34	0,06433	0,279253	399,8	1735,84
35	0,059258	0,314159	368,29	1952,81
36	0,054115	0,349066	336,38	2169,79
37	0,048903	0,383072	303,98	2381,18
38	0,043628	0,418879	271,19	2603,75
39	0,0383	0,453786	238,07	2820,73
40	0,032919	0,488692	204,62	3037,7

 

 

Теоритические данные:

 

Как всем известно, из всех геометрических фигур соотношение площади поверхности к внутреннему объёму у сферы наименьшее. Следовательно, вес шарообразных резервуаров несколько ниже, чем у резервуаров другой формы, так что их применение с экономической точки зрения является эффективным, так как на их сборку расходуется меньшее количество металла, но с другой стороны их изготовление несколько сложнее. Вместо среднеуглеродистых сталей при изготовлении сварных конструкций в машиностроении целесообразно использовать легированные стали, что обеспечивает снижение массы конструкций и позволяет повысить надежность сварных деталей и изделий. Легированные конструкционные стали отличаются повышенной прочностью при комнатной температуре, отсутствием склонности к старению, их можно применять при повышенных (до 500 °С) температурах. Обычно сферические резервуары используют в химической промышленности для хранения жидкостей и газов (в том числе сжиженных).

Сварка  – это процесс неразъёмного соединения посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании.

Существует  огромное количество видов сварки, приведем некоторые классификации. По физическим признакам сварка делится на следующие виды по классам:

 

Таблица 1 - Классификация сварки по физическим признакам

Класс сварки	Вид сварки
Термический	Дуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменно-лучевая, ионно-лучевая, тлеющим разрядом, световая, индукционная, газовая, термитная, литейная.
Термомеханический	Контактная, диффузионная, индукционнопрессовая, газопрессовая, термокомпрессионная, дугопрессовая, шлакопрессовая, термитнопрессовая, печная.
Механический	Холодная, взрывом, ультразвуковая, трением, магнитоимпульсная.

 

По  техническим признакам сварка делится  на следующие виды:

 

Таблица 2 - Классификация сварки по техническим  признакам

Виды сварки

По способу защиты металла в  зоне сварки

По непрерывности процесса

По степени механизации процессов  сварки

В воздухе

В вакууме

В защитном газе

Под флюсом

По флюсу

В пене

С комбинированой защитой

Прерывные

непрерывные

Ручные

Механизированые

Автоматизированные

Автоматические

 

В данной работе учтем, что сварные швы выполнены на флюсовой подушке односторонней многослойной автоматической сваркой под флюсом.

 

7 Общая характеристика сферического резервуара

 

В целях экономного использования  металла в различных отраслях химической промышленности строят резервуары в виде сфер различных диаметров. Сферические резервуары применяют  для хранения сжиженных газов  или газов под давлением 2—6 атм (рисунок 1). У нас часто применяются  сферические резервуары объемом 600 и 2000 м³, однако экономически целесообразнее использовать более крупные. За рубежом такие конструкции достигают 30000 м³ и более.

 

Рисунок 1 – Пример конструкции сферического резервуара

 

В сферических резервуарах лепестки соединяются встык, их толщина обычно составляет 10-30 мм и, как правило, не превышает 40 мм. Это ограничение  толщины диктуется отсутствием  термообработки конструкции после  сварки.

Напряжения  в стенке сферического резервуара определяют по формуле:

 

 

где - радиус сферы;

- толщина стенок.

Напряжение  в сферическом резервуаре в 2 раза меньше, нежели в цилиндрическом, при  одинаковых радиусах и толщинах стенок. Поэтому вес сферических резервуаров  меньше цилиндрических, но изготовление сложнее. За рубежом сферическими выполняют  конструкции атомных реакторов.

 

8 Технология сборки и сварки сферического резервуара

 

В нашей стране сооружают сферические резервуары вместимостью 600 и 2000 м³ на внутреннее давление до 18 кгс/см². Тип раскроя оболочек приведен в таблице 4. Сферическую поверхность листовым заготовкам при толщине до 36 мм придают горячей штамповкой (типы раскроя а и в), при толщине до 28 мм — вальцовкой на специальных гибочных вальцах со сферическими валками (раскрой б). В последнем случае плоскую заготовку предварительно сваривают из листов, вырезают газовой резкой по копиру и затем вальцуют.

При раскрое типа а укрупнение блоков и их сварку под флюсом выполняют  на шарнирно-качающихся стендах. Блоки  собирают в полусферу на стенде (рисунок 2), подварку швов под последующую  автоматическую сварку осуществляют вручную. После завершения сборки нижнюю полусферу  кантуют и устанавливают на временную  опору. На этом же стенде собирают верхнюю  полусферу, затем поднимают ее и  монтируют на нижнюю. Сборка заканчивается  ручной подваркой замыкающего шва.

При раскрое типа б лепестки также предварительно укрупняют в блоки, причем для сферы вместимостью 2000 м³ каждый меридиональный лепесток собирают из двух заводских элементов (большого и малого). Для этого типа раскроя получил применение «вертикальный» способ сборки сферы. На временной опоре 1 (рисунок 3) устанавливают нижнее днище 2, к нему крепят трубчатую монтажную стойку 3 с верхним днищем 4 и монтажной люлькой 5.