1 Технологическая часть
1.1 Описание конструкции сварного изделия, его назначение и условия эксплуатации, требования, предъявляемые к изделию
Горизонтальные стальные резервуары РГС-20 могут использоваться для приема, хранения и выдачи светлых и темных нефтепродутов, нефти, технической и питьевой воды, масел и смазочных материалов, пищевого сырья и других неагрессивных продуктов с плотностью до 1300 кг/м3
Широкое применение горизонтальные стальные резервуары находят в составе резервуарных парков на нефтебазах, автозаправочных станциях (АЗС), складах ГСМ, в системах ТЭС и котельных. Объемы и конфигурации горизонтальных стальных резервуары обычно легко подобрать под специфику предприятия.
Номенклатура устанавливаемого резервуарного оборудования РГС-20 регламентируется технологической частью проектной документации.
В верхней части однокамерных резервуаров должны располагаться люк-лаз (Dy 800) и патрубок для установки оборудования. Применительно к двустенным резервуарам РГСПД-20 (подземного размещения) люки и патрубки должны быть вынесены на высоту 200 мм над поверхностью земли. В случае изготовления двухкамерных резервуаров люки-лазы и технологические патрубки должны быть отдельно предусмотрены для каждой камеры.
Резервуары РГС-20 обычно снабжают заземлением, лестницами, люками-лазами, оборудованием приёма-раздачи, вентиляции и КИПиА. По необходимости резервуар РГС-20 оборудуется устройствами подогрева. Также резервуары горизонтальные подвергаются антикоррозийной защите и теплоизоляции.
Все отверстия в корпусе и днище резервуара для установки патрубков и люков должны быть усилены накладками, расположенными по периметру отверстий. Толщину накладок принимают равной толщине корпуса или днища резервуара. Допускается установка патрубков условным проходом не более 50 мм включительно без усиливающих накладок.
Рисунок 1.1 – устройство резервуара РГС-20
Таблица 1 – устройство резервуара РГС-20
Позиция Наименование
1 Резервуар РГС-20
2 Стремянка
3 Люк-лаз Ду800 Ру=0,07МПа
4 Вход продукта Ду-50 Ру=0,07МПа
5 Выход продукта Ду-50 Ру=0,07МПа
6 Запорная арматура Ду-50
7 Линия деаэрации Ду-50 Ру=0,07МПа
8 Клапан дыхательный СМДК-50
9 Люк замерный Ду-150 Ру=0,07МПа
10 Для механизма управления хлопушей Ду-150 Ру=0,07МПа
11 Линия для обесшламливания
12 Рым строповочный
Климатические, производственные условия, технические характеристики нефтепродуктов сильно разнятся: в каждом конкретном случае используются определенные виды резервуаров для хранения нефтепродуктов.
Классификация проводится по различным критериям. Самые основные – класс опасности и объем:
К 1 классу (особой опасности) относят резервуары-сооружения, объем которых составляет 10 000 м3 и более, а также конструкции вместительностью более 5 000 м3, расположенные в городских зонах, на берегах морей, рек, водоемов.
2 класс (повышенной опасности) – это хранилища с объемом 5 000 – 10 000 м3;
К 3 классу опасности относят резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов вместимостью от 100 до 5 000 м3.
Расположение. Отмечают наземные, полуподземные, подземные, подводные сооружения, хранилища, расположенные в каменных, грунтовых, ледяных шахтах и т.д.
Конструкция. Выделяют каркасные сооружения и мягкие емкости.
Рисунок 1.2 – конструкция емкости
Материалы, используемые для изготовления. Это – металлы и неметаллы, пластик, стеклопластик, резиновые ткани и т.п.
Форма корпуса. Различают цилиндрические, сферические, каплевидные емкости.
Вариант устройства крыши. Существуют резервуары с плавающей и стационарной крышей; с понтоном и без понтона.
Рисунок 1.3 – Способы расположения резервуаров для нефти
Подводные. Считаются более эффективными, чем береговые аналоги. Организация подводного хранилища основана на эффекте от разницы плотности двух сред: водной и нефтяной. Нефть располагают на водяной «подушке» в специальных баках.
У подводных резервуаров, напоминающих по форме колокола, часто отсутствует днище.
Изготавливают изделия из металлов и неметаллов, пластичных и эластичных материалов.
Заполняют с помощью насосов, опорожняют, используя действие гидростатического давления воды.
Закрепляют на дне водоемов с помощью якорей.
Применяют на морских базах и нефтепромыслах.
Подземные. Резервуары погружают в грунт и для обеспечения безопасности заливают бетонной смесью. Устройство хранилищ проводится с учетом влажности грунта, которая, в свою очередь, является дополнительной защитой емкостей.
Среди основных преимуществ подземных конструкций:
комфортная эксплуатация;
эргономичность;
устойчивость к перепадам суточных температур;
возможность размещения в сейсмически опасных регионах.
К наиболее востребованным относят двустенные модели с защитной внешней колбой. Расстояние между стенками в 4 мм заполняется газом или жидкостью. Резервуары надежно герметизируются. За состоянием межстенной полости осуществляется контроль, гарантирующий исключение аварийных ситуаций.
Солевые. Размещаются на глубине 100 м и ниже, используются для хранения топлива. Формируются через скважины путем выщелачивания (размыва соли водой). Для опорожнения хранилища закачивают концентрированный солевой состав.
Рисунок 1.4 – Формы резервуаров для нефтепродуктов
Что касается форм резервуаров, то здесь стоит выделить 3 самых ходовых варианта:
Цилиндрические стальные сооружения – самый востребованный вариант, отличается несложным процессом изготовления и легким монтажом.
Сферические резервуары. Их успешно применяют на химических производствах. Конструкция резервуара для нефтепродуктов состоит из отдельных стальных листов 25 – 30 мм толщиной, шарообразно сваренных или свальцованных. Устанавливаются конструкции на ж/б фундаменте.
Каплевидные хранилища формируют на месте монтажа из деталей, изготовленных в виде лепестков.
Горизонтальные стальные резервуары РГС-20 могут использоваться для приема, хранения и выдачи светлых и темных нефтепродутов, нефти, технической и питьевой воды, масел и смазочных материалов, пищевого сырья и других неагрессивных продуктов с плотностью до 1300 кг/м3.
Рисунок 1.5 – Общий вид резервуара РГС-20 для нефтепродуктов
Конструктивные элементы резервуара
Корпус резервуара
Опора
Люк-лаз
Патрубка обслуживания
Строповочные крепления
1.2 Химический состав материала изделия, структура и свойства, оценка свариваемости
От правильного выбора металла для сварных конструкций в значительной мере зависят их эксплуатационная надежность и экономичность.
Учитывая назначение и условие эксплуатации РГС-20, для его изготовления следует использовать материалы, обладающие следующими свойствами:
высокой коррозионной стойкостью;
повышенной пластичностью и ударной вязкостью одновременно с высокой прочностью;
стойкостью против разрушения под действием знакопеременных нагрузок;
хорошей свариваемостью;
способностью к вытяжке, гибке, отбортовке и другим операциям холодной и горячей штамповки.
Из всего многообразия конструкционных материалов в данном случае наиболее предпочтительным является применение нержавеющих сталей, сочетающих в себе все выше перечисленные свойства.
Сталь конструкционная низколегированная для сварных конструкций, марка стали 09Г2С широко применяется при производстве труб и другого металлопроката.
Сталь 092С относится к аустенитной стали и применяется как корозионно-стойкий и жаропрочный материал. По системе легирования материал относится к хромоникелевым сталям.
Сталь имеет аустенитную структуру (см. рисунок 1.2.1)
Рисунок 1.2.1. - Структура стали 092С
Данную сталь используют в сварных конструкциях, работающих в контакте со средами окислительного характера; некоторых органических растворителях, атмосферных условиях и т.д. Из стали 092С изготавливают емкостное, теплообменное и реакционное оборудование.
Химический состав стали 092С приведен в таблице 1.2.1.
Таблица 1.2.1 – Химический состав в % материала 09Г2С ГОСТ 19281 - 2014
C Si Mn Ni S P Cr V N Cu As
до 0.12 0.5 - 0.8 1.3 - 1.7 до 0.3 до 0.035 до 0.03 до 0.3 до 0.12 до 0.008 до 0.3 до 0.08
Сталь 092С обладают достаточной коррозионной стойкостью против межкристаллитной коррозии. При непрерывной работе сталь устойчива против окисления на воздухе и в атмосфере продуктов сгорания топлива при температуре до 900°С и при работе в условиях теплосмен до 800°С. Данная сталь имеет также высокую жаростойкость в интервале 600 – 800°С.
Стали сочетают умеренную прочность при комнатной температуре с достаточно высокой пластичностью (?в = 660 МПа, ? = 45%).
Механические характеристики стали 092С по ГОСТ 7350-77, приведены в таблице1.2.2, а физические свойства в таблице 1.2.3.
Таблица 1.2.2 - Механические свойства стали 092С по ГОСТ 7350-77
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
Трубы, ГОСТ 10705-80 490 343 20
Сорт, Класс прочности 265, ГОСТ 19281-2014 до 250 430 265 21
Таблица 1.2.3 - Физические свойства стали 092С
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
Сталь сваривается всеми видами ручной и автоматической сварки. Сварные соединения обладают высокой коррозионной стойкостью к общей и межкристаллитной коррозии в 65%-ной азотной кислоте при 70 – 80°С, повышенной пластичностью и прочностью [6].
Таким образом, замечательное сочетание коррозионной стойкости и необходимых механических свойств, хорошая свариваемость и достаточно высокие прочность и пластичность сварных соединений служат основанием использовать сталь 092С для изготовления горизонтальные стальные резервуары
1.2.1 Оценка свариваемости материала изделия
Под свариваемостью понимают способность материала к образованию при данном технологическом процессе соединений с требуемыми свойствами.
Различают физическую и технологическую свариваемость. Физическая свариваемость – способность металлов образовывать в результате сварки каким-либо способом монолитные соединения с химической связью. Технологическая свариваемость характеризует возможность получения сварного соединения требуемого качества, удовлетворяющего требованиям надежности конструкции при эксплуатации, с применением существующего оборудования при наименьших затратах труда и времени [9].
Свариваемость материала тем лучше, чем большим числом способов может быть получено качественное соединение, чем проще их технология и шире диапазон допускаемых режимов, обеспечивающих заданные показатели свойств соединений.
Для оценки свариваемости проводят ряд испытаний, каждая из которых характеризует те или иные свойства. Основными видами испытаний на свариваемость обязательными для любых материалов, используемых при изготовлении сварных конструкций, являются следующие [9]:
оценка стойкости металла шва против образования горячих и холодных трещин;
оценка стойкости металла зоны термического влияния против образования горячих и холодных трещин;
оценка стойкости сварного соединения против охрупчивания;
определение механических свойств соединений в условиях близких к условиям эксплуатации.
Способы оценки склонности сталей к возникновению горячих и холодных трещин подразделяют на косвенные и прямые.
Косвенные способы позволяют получать оценку склонности к трещинам расчетным путем без непосредственного испытания материалов.
Прямые способы предусматривают сварку технологических проб, специализированные испытания сварных соединений или образующих его материалов в условиях, имитирующих сварочные.
Сопротивление образованию горячих трещин при сварке высоколегированных аустенитных сталей оценивают по параметрическому уравнению [13]:
?"Cr" ?_"э" /?"Ni" ?_"э" "=" (" " )/(" " ) " " " " " (1.1)"
Если Сrэ/Niэ - 0.41–0.45 — хорошая свариваемость
Сталь 092С
?"Cr" ?_"э" /?"Ni" ?_"э" "=" "0,3+1.337•0+1.5•0.8+2•0+3•0" /"0,3+0.31•1,7+22•0,12+14.2•0+0,008" "=0,44"
Данная сталь хорошо сваривается всеми видами ручной и автоматической сварки. Сварные швы имеют высокую пластичность и не склонны к хрупкому разрушению.
1.3 Обоснование выбранного технологического процесса
Все способы сварки по своему физическому характеру подразделяют на две группы: сварка плавлением и сварка с применением давления.
Специфические свойства нержавеющих сталей – пониженная теплопроводность, повышенное электросопротивление, высокий коэффициент линейного расширения, малая температура плавления (1440°С) служат причиной их усиленного коробления при сварке. Поэтому для уменьшения коробления изделий из нержавеющих сталей требуется использовать способы и режимы сварки, характеризующиеся максимальной концентрацией тепловой энергии [10].
Кроме того, с учетом конструкции бака и условий его эксплуатации следует, что наиболее рационально применение способов сварки плавлением. Полученные таким образом неразъемные соединения обладают наибольшей экономичностью и работоспособностью.
К способам сварки плавлением относят те, где в качестве источника нагрева используют электрическую дугу, дуговую или высокочастотную плазму, газовое пламя, электронный и лазерный луч, т.е. сосредоточенные внешние источники расплавления [10]. Для аустенитных сталей к классу которых относиться сталь напорного бака 092С могут применяться все способы электрической сварки плавлением. Выбор способа сварки производится с учетом толщины свариваемого металла, размеров и формы конструкции, расположения швов в пространстве и их доступности, требований к сварным соединениям и т. д.
Характерной особенностью сварки стали 092С является возникновение межкристаллитной коррозии. Она развивается в зоне термического влияния при температуре 500-8000С. При пребывании металла в таком критическом интервале температур по границам зерен аустенита выпадают карбиды хрома. Все это может иметь опасные последствия - хрупкие разрушения конструкции в процессе эксплуатации. Чтобы добиться стойкости стали нужно исключить или ослабить эффект выпадения карбидов и стабилизировать свойства стали в месте сварного шва.
Сварку высоколегированных сталей под флюсом осуществляют с применением или нейтральных по кислороду фторидных флюсов, или защитно-легирующих в сочетании с высоколегированной электродной проволокой. С металлургической точки зрения для сварки высоколегированных сталей наиболее рациональны фторидные флюсы типа АНФ-5, которые обеспечивают хорошую защиту и металлургическую обработку металла сварочной ванны и позволяет легировать сварочную ванну титаном через электродную проволоку. При этом процесс сварки малочувствителен к образованию пор в металле шва из-за водорода. Однако фторидные бескислородные флюсы имеют относительно низкие технологические свойства. Именно низкие технологические свойства фторидных флюсов служат причиной широкого использования для сварки высоколегированных сталей флюсов на основе оксидов.
Сварку высоколегированных сталей для снижения вероятности формирования структуры перегрева, как правило, выполняют на режимах, характеризующихся малой величиной погонной энергии. При этом предпочтение отдают швам малого сечения, получаемым при использовании электродной проволоки небольшого диаметра (2-3мм). Поскольку высоколегированные стали обладают повышенным электросопротивлением и пониженной электропроводностью, то при сварке вылет электрода из высоколегированной стали уменьшают в 1,5-2 раза по сравнению с вылетом электрода из углеродистой стали.
При дуговой сварке в качестве защитных газов используют аргон, гелий (реже), углекислый газ.
Аргонодуговую сварку выполняют плавящимися и неплавящимися вольфрамовыми электродами. Плавящимся электродом сваривают на постоянном токе обратной полярности, используя режимы, обеспечивающие струйный перенос электродного металла. В некоторых случаях (в основном при сварке аустенитных сталей) для повышения стабильности горения дуги и особенно снижения вероятности образования пор из-за водорода при сварке плавящимся электродом используют смеси аргона с кислородом или углекислым газом (до 10%).
Сварку неплавящимся вольфрамовым электродом в основном осуществляют на постоянном токе прямой полярности. В некоторых случаях при наличии в сталях значительного количества алюминия используют переменный ток для обеспечения катодного разрушения оксидной плёнки.
Применение дуговой сварки в атмосфере углекислого газа позволяет снизить вероятность образования пор в металле шва из-за водорода; при этом обеспечивается относительно высокий коэффициент перехода легкоокисляющихся элементов. Так, коэффициент перехода титана из проволоки достигает 50%. При сварке в атмосфере аргона коэффициент перехода титана из проволоки составляет 80-90%. При сварке в углекислом газе сталей, имеющих высокое содержание хрома и низкое содержание кремния, на поверхности шва образуется тугоплавкая трудноудаляемая оксидная плёнка. Её присутствие затрудняет проведение многослойной сварки.
При сварке сталей с малым содержанием углерода (ниже 0,07-0,08%) возможно науглероживание наплавленного металла. Переход углерода в сварочную ванну усиливается при наличии в электродной проволоке алюминия, титана, кремния. В случае сварки аустенитных сталей некоторое науглероживание металла сварочной ванны в сочетании с окислением кремния снижает вероятность образования горячих трещин.
Однако науглероживание может изменить свойства металла шва и, в частности, снизить коррозийные свойства. Кроме того, наблюдается повышенное разбрызгивание электродного металла. Наличие брызг на поверхности металла снижает коррозийную стойкость.
Технологии сварки нержавеющих высоколегированных сталей постоянно совершенствуются. На данном этапе при строгом соблюдении технологического процесса качество сварного шва нержавейки практически не уступает по своим свойствам металлу соединяемых деталей и гарантирует высочайшую надежность сварного соединения. Для рассматриваемого напорного бака из рассмотренных видов сварки требованиям прочности и герметичности сварных швов наиболее полно удовлетворяет сварка плавлением, в частности такой её метод, как аргонодуговая сварка (АрДС).
1.3.1 Сварка в среде защитных газов неплавящимся вольфрамовым электродом
К основным преимуществам сварки в среде защитных газов относятся:
– отсутствие необходимости применения флюсов или обмазок, а, следовательно, и очистки швов от шлака и неиспользованных остатков флюса;
– высокая степень концентрации источника тепла, позволяющая значительно сократить зону структурных превращений и уменьшить коробление изделия;
– минимальное взаимодействие металла шва с кислородом и азотом воздуха;
– возможность наблюдения за открытой дугой, чем облегчается управление процессом сварки.
Недостатки способа сварки неплавящимся электродом:
– низкая производительность;
– необходимость в устройствах, обеспечивающих начальное возбуждение дуги;
– высокая скорость охлаждения сварного соединения.
В качестве защитного газа используются аргон.
Аргонодуговую сварку неплавящимся электродом, можно использовать для соединения материалов различной толщины (от десятых долей до десятков миллиметров). Применение аргона с различными теплофизическими свойствами и их смесей изменяет тепловую эффективность дуги и условия ввода тепла в свариваемые кромки и расширяет технологические возможности процесса сварки. При сварке в аргоне неплавящимся электродом повышается стабильность дуги и снижается угар легирующих элементов, что важно при сварке высоколегированных сталей. Заданный химический состав металла шва можно получить путем изменения состава присадочной проволоки и доли участия основного металла в образовании шва, когда составы основного и электродного металлов значительно различаются. Сварка в аргоне неплавящимся электродом обеспечивает формирование швов в различных пространственных положениях, что позволяет применять этот способ вместо ручной дуговой сварки покрытыми электродами [7].
Сварку вольфрамовым электродом производят в аргоне по ГОСТ 10157-79 и гелии или их смесях и применяют обычно для материала толщиной до 5-7 мм.
В зависимости от толщины и конструкции сварного соединения сварку вольфрамовым электродом производят с присадочным материалом или без него. Процесс осуществляют вручную с использованием специальных горелок или автоматически на постоянном токе прямой полярности.
Сварку можно выполнять непрерывно горящей или импульсной дугой. Импульсная дуга уменьшает зону термического влияния и коробление свариваемых кромок, а также обеспечивает хорошее формирование шва при сварке материала малой толщины. Особенности кристаллизации металлов сварочной ванны при этом способе сварки способствуют дезориентации структуры, что уменьшает вероятность образования горячих трещин, однако может способствовать образованию околошовных надрывов. Для улучшения защиты и формирования корня шва используют, поддув газа, а при сварке корневых швов на металле повышенных толщин применяют и специальные расплавляемые вставки. При сварке вольфрамовым электродом в инертных газах погруженной дугой увеличение доли тепла, идущей на расплавление основного металла, позволяет без разделки кромок, за один проход сваривать металл повышенной толщины. Однако околошовная зона расширяется, и возникает опасность перегрева металла.
Аргонодуговая сварка неплавящимся электродом происходит следующим способом: «масса» подается на свариваемую деталь подобно обычной электросварке.
Сварщик, если подразумевается ручная аргонодуговая сварка, в правой руке держит горелку, а в левой — проволоку (присадку). Процесс аргонодуговой ручной сварки неплавящимся электродом представлен на рисунке 1.3.1.
Рисунок 1.3.1 – Схема процесса аргонодуговой ручной сварки
1.4 Обоснование выбора сварочных материалов
Низколегированная сталь марки 09г2с за счет своих свойств (малый процент легирующих компонентов) при сварке не перегревается и не закаливается. Это дает возможность варить сталь и конструкции из нее широким рядом электродов для сварки . Выберем сварочные материалы, обеспечивающие требуемые свойства.
При сварке нержавеющих сталей нет необходимости в металлургической обработке металла шва, так как эти стали являются хорошо раскисленными. Высококачественные швы получаются на этих сталях при сварке в инертных газах, обеспечивающих максимальное усвоение швом легирующих элементов основного и присадочного материалов. Сварку вольфрамовым электродом следует выполнять постоянным током прямой полярности (переменным током в случае повышенного содержания Al). Для рассматриваемой конструкции используется сварка на постоянном токе прямой полярности и применяется вольфрамовый электрод марки ВТ-15 по ГОСТ 19671-91 [2].
Для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом используется вольфрам различных марок: ВИ, ВТ, ВА, ВД, ВЧ. В нашем случае более целесообразно будет использовать: вольфрамовый электрод марки ВТ-15 содержит 1,5-2,0 % окиси тория и других примесей не более 0,09 %. За счёт присадки окиси тория значительно повышается эмиссионная способность электрода, снижается катодное падение напряжения, уменьшается температура конца электрода.
Выбор присадочной проволоки производится как по металлургическим, так и по технологическим свойствам. Согласно рекомендациям [6] применим проволоку Св-08Г2С по ГОСТ 2246-80, следующего химического состава (таблица 1.4.1).
Проволока сварочная СВ08Г2С, самая универсальная и распространенная - предназначена для сварки углеродистых и низколегированных сталей. Чаще всего СВ08Г2С применяют при работе со сварочными автоматами и полуавтоматами в промышленности. С ее помощью можно выполнять ручную сварку любых изделий из стали. Она гарантирует прочное высококачественное соединение, характеризуемое чистым и очень ровным сварочным швом.
Качество проволоки СВ08Г2С контролируется ГОСТ 2246-70.
Проволока бывает как неомедненная, так и с медным покрытием (в обозначении литера "О"). Последний вариант подвергается "жесткой" калибровке, что снижает износ наконечника.
Проволока СВ08Г2С поступает на рынок, как правило, в кассетах или в катушках по 15 или 5 кг. При этом она обязана состоять из отрезка без разрывов. Изделия наматываются плотно, ровными рядами, исключающими вероятность разматывания либо распушивания материала при транспортировке и хранении.
Однако лучшим вариантом считается приобретение материала в упаковке (без намотки на бобину) – 80, 250 кг. В этом случае обеспечивается минимальный износ подающей системы, так как проволока выходит «напрямую». Да и стоимость ее на единицу веса получается ниже.
Таблица 1.4.1 - Химический состав сварочной проволоки Св-08Г2С по ГОСТ 2246-70, %.
С Si Mn Cr Mn Ni
до 0,08 <1,0 2,0 18,0-20,0 2,0 8,0-10,0
Для сварки коррозионностойких сталей рекомендуется использовать аргон высшего сорта по ГОСТ 10157-79, для борьбы с трещинами следует применять материалы повышенной чистоты. Состав газа указан в таблице 1.4.2.
В сварочном производстве используется аргон, поставляемый в газообразном состоянии.
