Изготовление и монтаж опоры технологического трубопровода
Введение
В 1802 г. русский академик В.В. Петров впервые в мире открыл и описал явление электрической дуги, а также указал на возможность использования ее теплоты для расплавления металлов. В 1882 г. русский академик Н.Н. Бенардос изобрел способ дуговой сварки с применением угольного электрода. В 1888 г. русский инженер-металлург Н.Г. Славянов разработал металлургические основы дуговой сварки, создал первый автоматический регулятор длины сварочной дуги и изготовил первый в мире сварочный генератор.
Сваркой называется процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагревании или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого (ГОСТ 2601-84). Различают два вида сварки: сварку плавлением и сварку давлением.
Сущность сварки состоит в том, что металл по кромкам свариваемых частей оплавляется под действием теплоты источника нагрева. Сущность сварки давлением состоит в пластическом деформировании металла по кромкам свариваемых частей путем их сжатия под нагрузкой при температуре ниже температуры плавления.
К сварке плавлением относится также газовая сварка, при которой для нагрева используется тепло пламени смеси газов, сжигаемой с помощью горелки. Способ газовой сварки был разработан в конце прошлого столетия, когда началось промышленное производство кислорода, водорода и ацетилена.
Газовая сварка применяется во многих отраслях промышленности при изготовлении и ремонте изделий из тонколистовой стали, сварке изделий из алюминия и его сплавов, меди, латуни и других цветных металлов и их сплавов. Разновидностью газопламенной обработки является газотермическая резка, которая широко применяется при выполнении заготовительных операций при раскрое металла. Контактная сварка занимает ведущее место среди механизированных способов сварки. Особенность контактной сварки - высокая скорость нагрева и получение сварного шва, это создает условия применения высокопроизводительных поточных и автоматических линий сборки узлов автомобилей, отопительных радиаторов, элементов приборов и радиосистем.
Сварку плавлением в зависимости от различных способов, характера источников нагрева и расплавления свариваемых кромок деталей можно условно разделить на следующие основные виды:
- электрическая дуговая, где источником тепла является электрическая дуга;
- электрическая сварка, где источником теплоты является расплавленный шлак, через который протекает электрический ток;
- электронно-лучевая, при которой нагрев и расплавление металла производится потоком электронов;
- лазерная, при которой нагрев и расплавление металла происходит сфокусированным мощным лучом микрочастиц - фотонов;
- газовая, при которой нагрев и расплавление металла происходит за счет тепла пламени газовой горелки.
1. Общая часть
1.1 Назначение сварочной конструкции; условия работы.
Опора технологического трубопровода представляет из себя металлическую конструкцию из стали марки 09Г2С, установленную на металлические сваи из трубы Ш219S8, также из стали 09Г2С.Сваи установлены вибропогружной установкой на глубину не ниже 6 м,т. е. до отметок термостабильного грунта. На сваи установлены колонны из труб Ш219S8,которые связаны между собой поперечными траверсами из профилей коробчатого и двутаврового сечения с раскосами. Конструкция в сборе представляет из себя опору технологического трубопровода-линию факельного газа,с рабочим давлением до 0,2 МПА,Ш630 мм S12.Условия работы-статически нагруженная конструкция, рабочий диапазон температур от -45С до +35С.
1.2 Технические условия на материал конструкции
Объект, частью которого является изготовляемая опора расположен в районе Крайнего Севера, в арктической зоне. Поэтому металл опоры должен обладать определённой хладостойкостью, не образовывать закалочных структур при сварке, иметь хорошую свариваемость, а также обладать относительно невысокой себестоимостью. Всем данным условиям удовлетворяет сталь марки 09Г2С.
Свойства и характеристика стали 09Г2С, как материала с уникальными свойствами:сталь 09Г2С - сталь конструкционная низколегированная для сварных конструкций, по своим свойствам эта сталь относится к морозостойким сталям, выдерживающим очень низкие эксплуатационные температуры.
Применение стали 09Г2С наиболее целесообразно в районах Крайнего Севера.
Табл. 1. Обозначения
|
Марка: |
09Г2С |
|
|
Заменитель: |
09Г2, 09Г2ДТ, 09Г2Т,10Г2С |
|
|
Классификация: |
Сталь конструкционная низколегированная для сварных конструкций |
|
|
Применение: |
различные детали и элементы сварных металлоконструкций, работающих при температуре от --70 до +425°С под давлением. |
Табл. 2. Химический состав в % материала сталь 09Г2СГОСТ 19281 - 89
|
C |
Si |
Mn |
Ni |
S |
P |
Cr |
N |
Cu |
As |
|
|
до 0.12 |
0.5 - 0.8 |
1.3 - 1.7 |
до 0.3 |
до 0.04 |
до 0.035 |
до 0.3 |
до 0.008 |
до 0.3 |
до 0.08 |
Температура критических точек материала сталь 09Г2С = Ac1 = 725, Ac3(Acm) = 860, Ar3(Arcm) = 780, Ar1 = 625
Табл. 3. Механические свойства (характеристики) при Т=20С материала сталь 09Г2С
|
Сортамент |
Размер |
Напр. |
sв |
sT |
d5 |
y |
KCU |
Термообр. |
|
|
- |
мм |
- |
МПа |
МПа |
% |
% |
кДж / м2 |
- |
|
|
Лист ГОСТ 5520-79 |
- |
430-490 |
265-345 |
21 |
590-640 |
Нормализация 930 °С, воздух |
Табл. 4. Физические свойства (характеристики) материала сталь 09Г2С
|
T |
E 10- 5 |
a 10 6 |
l |
r |
C |
R 10 9 |
|
|
Град |
МПа |
1/Град |
Вт/(м·град) |
кг/м3 |
Дж/(кг·град) |
Ом·м |
|
|
20 |
|||||||
|
100 |
11.4 |
||||||
|
200 |
12.2 |
||||||
|
300 |
12.6 |
||||||
|
400 |
13.2 |
||||||
|
500 |
13.8 |
||||||
|
T |
E 10- 5 |
a 10 6 |
l |
r |
C |
R 10 9 |
Табл. 5. Технологические свойства (характеристики) материала сталь 09Г2С
|
Свариваемость (сварка стали 09Г2С): |
без ограничений. |
|
|
Флокеночувствительность: |
не чувствительна. |
|
|
Склонность к отпускной хрупкости: |
не склонна. |
Табл. 6
|
Механические свойства: |
||
|
sв |
- Предел кратковременной прочности [МПа] |
|
|
sT |
- Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации) [МПа] |
|
|
d5 |
- Относительное удлинение при разрыве[ % ] |
|
|
y |
- Относительное сужение[ % ] |
|
|
KCU |
- Ударная вязкость [ кДж / м2] |
|
|
HB |
- Твердость по Бринеллю [МПа] |
|
|
Физические свойства: |
||
|
T |
- Температура, при которой получены данные свойства [Град] |
|
|
E |
- Модуль упругости первого рода , [МПа] |
|
|
a |
- Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o - T ) [1/Град] |
|
|
l |
- Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) [Вт/(м·град)] |
|
|
r |
- Плотность материала [кг/м3] |
|
|
C |
- Удельная теплоемкость материала (диапазон 20o - T ) [Дж/(кг·град)] |
|
|
R |
- Удельное электросопротивление [Ом·м] |
Табл. 7
|
Свариваемость: |
||
|
без ограничений |
- сварка производится без подогрева и без последующей термообработки, однако при температурах менее +5 требуется просушка кромок (Т?50C)-ВСН 006-89 |
1.3 Свариваемость сталей. Расчёт эквивалента углерода
Для расчёта режимов сварки конструкции необходим расчёт эквивалента углерода, абсолютная величина которого в достаточной мере характеризует свариваемость стали, как один из основополагающих параметров режима.
Табл. 8. Химический состав стали 09Г2С (указаны максимальные значения компонентов)
|
С |
Si |
Mn |
Ni |
Cr |
Cu |
S |
P |
As |
|
|
0,12 |
0,8 |
1,7 |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
0,04 |
0,035 |
0,08 |
Рассчитаем эквивалент углерода по следующей эмпирической формуле:
Сэкв=С+Mn/20+Cr/10+Ni/15+V/10+Mo/10+Cu/10; Сэкв. 09Г2С=0,12+1,7/20+0,3/10+0,3/15+0,3/10=0,285.,
II группа свариваемости, хотя в реальности сварка данного сорта стали не имеет ограничений.
Также, если провести расчёт Сэкв.согласно СНиП 2.05.06-85, свариваемость данного вида стали (расчётная) окажется ограниченной, что не соответствует действительности. Расхождения в величине Сэкв ещё раз доказывают, что реальную картину свариваемости любого вида стали дают только испытания..
1.4 Обоснование выбора способа сварки
В зависимости от типа производства, особенностей конструкции и оснащенности сборочного цеха сборка может производиться на одном стационарном рабочем месте, к которому подаются все детали и узлы, инструмент и приспособление, либо при перемещении изделия от одного рабочего места к другому: при этом на каждом рабочем месте устанавливается определенная деталь или узел. Кроме того, в зависимости от ранее указанных факторов, существует два вида сборки
- сборка конструкции из отдельных деталей - подетальная методом наращивания
- сборка из отдельных узлов - поузловая, на которые расчленяют конструкцию. В серийном и массовом производстве сборка ведется на специальных сборочных стендах, или в специальных сборочно-сварочных приспособлениях. Они обеспечивают требуемое расположение входящих в узел деталей и точность сборки изготавливаемого узла в соответствии с требованиями и технических условий на сборку. Кроме того, сборочные приспособления обеспечивают сокращение длительности сборки и повышение точности сборки, и улучшение качества готовой сварной конструкции. Собираемые под сварку детали крепятся в приспособлениях и на стендах с помощью различного вида винтовых, рычажных, пневматических и других зажимов, также электродуговой сваркой прихватки.
При выборе способа сварки проводят экономическое сравнение. Для этого производят расчеты стоимости сварки одного погонного метра наплавленного металла по тем показателям, которые зависят от способа сварки. Такое сравнение стоимости одного погонного метра наплавленного металла при различных способах сварки даст возможность сделать вывод о применении наиболее экономичного способа сварки.
Для сварки данной сварной конструкции рациональным решением будет выбор из следующих способов сварки: РДС с покрытыми электродами(способ ММА) и полуавтоматическую сварку в среде защитных газов(способ MIG/MAG). Определённая стоимость одного погонного метра шва при РДСбольше аналогичного параметра при полуавтоматической сварке. .Однако стоимость транспортных издержек по доставке сварочных газов,устройство укрытий для п/а сварки сводит к минимуму экономическое превосходство MIG/MAGнад MMA в монтажных условиях открытой строительной площадки на Крайнем Севере. Наш выбор- РДСпокрытым штучным электродом(ММА).
1.5 Выбор рода и полярности тока
Ручная дуговая сварка имеет технологические свойства, обеспечивающие быстрое зажигание, устойчивое горение и малую чувствительность к изменению длины дуги в определенных пределах, быстрое зажигание дуги после погашения, нужное проплавление основного металла. Сварка данным способом возможна как на переменном токе, так и на постоянном.
Преимуществом сварки на переменном токе является меньшая себестоимость, простота оборудования. Недостатком- более низкая, по сравнению с постоянным током, производительность наплавки вследствие более высокого коэффициента потерь на разбрызгивание. Но для сварки данной конструкции данное свойство не критично, а вот возможность сварки электродами с основным видом покрытия, которые ,в основном, подразумевают сварку на постоянном токе обратной полярности, весьма желательна.
Поэтому рекомендуется применение постоянного тока обратной полярности, но возможно и применение постоянного тока прямой полярности, если производитель сварочных материалов и проект не запрещают прямо данный вид сварки по технологическим причинам.
Полуавтоматическую сварку в среде защитных газов, учитывая условия производства данной конструкции, применять не целесообразно.
Сущность данного способа сварки: электрическая дуга и расплавленный металл, защищенный от влияния кислорода и азота воздуха потоком защитного газа и шлака, образующегося при сгорании обмазки покрытого электрода под воздействием тепловой энергии электрической дуги.