zavarivanje posuda pod pritiskom
TRANSCRIPT
-
8/9/2019 zavarivanje posuda pod pritiskom
1/15
UNIVERZITET U TUZLI
MAŠINSKI FAKULTET
SMJER: Proizvodno mašinstvo
PREDMET: Zavarivanje i termička obrada I
DATUM: 10.02.2015. god.
SEMINARSKI RAD
TEMA: Zavareni spojevi pri gradnji kotlova i posuda
pod pritiskom
Student: Lejla Mujezinović
Broj indeksa: II-475/12
-
8/9/2019 zavarivanje posuda pod pritiskom
2/15
1
1. Konstrukcija kotlova, posuda pod pritiskom i cjevovoda
Posude pod pritiskom su zaptiveni objekti, koji služe za smještaj fluida. One
mogu biti proizvoljnog oblika i prilagođene prema zamisli projektanta. Problemiu projektovanju se javljaju, kada su posude namjenjene za visok pritisak,ekstremne temperature i složenu funkciju. Riječ “projektovanje” ovdje ne značisamo proračun dimenzija elemenata, već je sveobuhvatni termin, kojioznačava: (1) razmatranje najvjerovatnijeg oblika oštećenja ili loma, (2)postupak analize napona i ocjenu rezultata, i (3) izbor vrste materijala i njegove
karakteristike za datu sredinu. Pri tome je i ekonomičnost veoma važna.
Plastičnost materijala je mjera njegove otpornosti prema lomu, prihvaćenihdeformacija i apsorbovane energije. Ona se određuje iz istog dijagramazatezanja iz koga se određuju i elastična svojstva materijala. Biće posebnoistaknute tri osobine koje opisuju plastiIčno ponašanje materijala.
Tako, npr. čelični lim za izradu omotača i danca posude (sl.1) mora imatidovoljnu plastičnost da bi mogao da se savije ili izvlači do konačnog oblika bezpojave prslina, Često je ipak potrebno da se materijal zagrije do visoketemperature da bi se povećala njegova plastičnost pri oblikovanju.
Slika 1: Glavni dijelovi posude pod pritiskom (a) i preostali ligament (b)
-
8/9/2019 zavarivanje posuda pod pritiskom
3/15
2
Sve veća primjena posuda u industrijskim procesima (sl. 2), za skladištenje (sl. 3) i
proizvodnju energije pod izuzetnim pritiscima, temperaturama i radnim sredinama
upućuje na značaj analitičkih i eksperimentalnih metoda određivanja radnih napona.
Isto je tako važno ocjeniti vrstu i značaj tih napona, utvrđivanjem ponašanja
ugrađenog materijala i ocjenom saglasnosti ta dva faktora u radnoj sredini.
Poznavanje ponašanja materijala je potrebno ne samo da bi se preduhitrio lom, već ida bi se dostigla maksimalna ekonomičnost u korištenju materijala. Tako, npr. ako
su naponi i deformacije nepotrebno mali, dimenzije elemenata će biti velike i
ekonomičnost korištenog materijala nedovoljna. Razvoj svemirske, nuklearne I
hemijske industrije postavlja nove zahtjeve za material pogodan za ekstremne
temperature, udar I zamor.
Posude pod pritiskom imaju oblik cilindra, lopte, elipsoida ili njihovih kombinacija kao
što je ilustrovano na sl. 1. U praksi se posude sastoje od omotača sa prirubnimprstenovima I elementima za pričvršćavanje I spajanje dijelova. Kao što ime kaže,
osnovna namjena je smještaj medija pod pritiskom I temperaturom, ali u toku rada
mogu biti izloženi konstantnom ili promjenjivom opterećenju, reakcijama od
cjevovoda, termičkim šokovima, što uslovljava, poznavanje svih napona radi
postizanja sigurnog rada I dugog vijeka.
Kada se posuda izrađuje od lima čija je deljina h mala u odnosu na unutrašnji radijus
r ( h/r < 0,05 ), tako da ima malu otpornost prema savijanju u pravcu normalno na
površinu lima, naziva se membranom ili ljuskom I naponi se računaju zanemarujući
savijanje ( membranski napon ). Ovo se može ocijeniti kao povoljno jer dopušta
posudi da se lako deformiše bez uvođenja velikih deformacija savijanja na mjestima
diskontinuiteta. Membranski napon je prosječni napon zatezanja ili pritiska po debljini
zida I uzima se da djeluje tangencijalno na površinu.
2. Naponi u kružnom prstenu, cilindru I lopti
Ako je kružni prsten izložen dejstvu radijane sile, ravnomjerno raspoređene po
njegovom obimu, javi se obimna sila po debljini, koja djeluje u tangencijalnom
pravcu. Dolazi do ravnomjernog povećanja prstena ako sila djeluje iznutra, odnosno
do njegovog smanjenja ako djeluje spolja. Veličina sile F u prstenu se može odrediti
metodom presjeka, uzetog horizontalno kao na sl. 4. Ako je sila po jedinici dužine
obima q, sila koja djeluje na element prstena je qrdØ. Zbir vertikalnih komponeneti
svih sila koje djeluju na polukružni prsten daj jednačinu ravnoteže:
(1.1.)
-
8/9/2019 zavarivanje posuda pod pritiskom
4/15
3
F=qr (1.2.)
Jedinični napon će se dobiti djeljenjem sile F sa površinom poprečnog presjeka A
prstena:
(1.3.)
U jednačini 1.2. je projekcija obimnog elementa na prečnik; desna strana jeproizvod jedinične sile I projektovanje dužine dodirne površine.
Ako se prsten posmatra kao presjek jedinične dužine cilindrične posude debljine h
izložene unutrašnjem pritisku p, u jednašini 1.2. je q=p I A=h, pa je obimni napon
cilindrične ljuske
(1.4.)
Aksijalni napon može da se izračuna izjednačavanjem dejstva unutrašnjeg pritiska
na krajeve posude sa aksijalnim silama, koje djeluju u poprečnom presjeku cilindra
(sl. 5 ), tako da je
(1.5.)
-
8/9/2019 zavarivanje posuda pod pritiskom
5/15
4
Slika 2: Konventor amonijaka Slika 3: Loptasti rezervoar
Slika 4: Radijalni I obimni napon u tankom prstenu
-
8/9/2019 zavarivanje posuda pod pritiskom
6/15
5
Slika 5: Uzdužni napon u cilindru i lopti
Na sličan način određuju se I obimni I aksijalni napon u lopti izloženoj unutrašnjem
pritisku:
Kakos u obimni I aksijalni napon u lopti isti, a minimalne aposlutne vrijednosti
izlazi da je u pogledu napona oblik lopte idealan. Debljina zida lopteće biti sva puta manja od debljine zida cilindrične posude, a ista je debljina ko ja
odgovara aksijalnim naponima u cilindru, oblikovanom u vidu omotanog ili
višeslojnog.
3. Povećanje obima posude pod pritiskom
Dilatacija ili povećanje obima posude pod pritiskom može da se odredi integracijom
obimnog napona zida posude kroz centralnu osu na sljedeći način:
(1.7.)
Slijedi da je dilatacija cilindrične posude I lopte:
(2-v)
(1-v) (1.8.)
-
8/9/2019 zavarivanje posuda pod pritiskom
7/15
6
Slika 6: Konstrukcija posude korištenjem omotanih Slika 7: Izduženje obima
ili višeslojnih cilindara i polulopti posude zbog unutrašnjeg pritiska
4. Lom puzanjem
Pojava loma puzanjem se iskazuje obrazovanjem šupljina silama klizanja ili smicanja
na granicama zrna, njihovim povećavanjem I spajanjem dejstvom napona zatezanja.
Ove se šupljine koncentrišu prvo na granicama zrna koje su normalne na maksimalni
djelujući napon, a konačni lom je prvenstveno krti integranularni lom preoma teoriji
loma usljed maksimalnih glavnih napona. Oštećenje materijala se povećava sa
vremenom tako da je udio materijala koji može da prenese opterećenje smanjen, što
uslovljava veće napone u presjeku sve do pojave loma. Ova oštećenja (šupljine i
prsline) u suštini se javljaju ravnomjerno raspoređena o relativno velikom poprečnompresjeku ili zapremini, tako da je u pitanju prosječni napon. Prema tome u opisivanju
ovog stanja napona primjenljiva je analogija sa ligamentom. Uvodi se faktor
kontinualnog oštećenja Ψ, definisan kao količnik neprekidne efektivne površine
materijala koja ostaje poslije određenog vremena, t, izražen u procentu
prvobitne površine poprečnog presjeka, :
Ψ
(1.9.)
Ako je početni poprečni presjek površine izložen dejstvu sile, F, početni napon, , je
(1.10.)
Pretpostavljajući da je brzina rasta kontinualnog opterećenja materijala funkcija
napona, I iskazujući to u vidu polinoma dobija se, kada se zamijeni vrijednost iz 1.10.
:
-C
(1.11.)
-
8/9/2019 zavarivanje posuda pod pritiskom
8/15
7
U trenutku t=0 kontinuitet materijala je 100%, Ψ=1, a u trenutku loma, t= ,kontinuitet materijala je sveden na nulu, Ψ=0. Integracija jednačine 1.11. za
konstantni napon, :
Gdje je vrijeme do loma pri naponu .
Ista formula važi I za uslove promejnjivog nominalnog napona sa konačnim izrazom:
Glavne komponente kotlova na čvrsta goriva koji rade u uslovima puzanja su cijevi
pregrijača I zagrijača, njihova spojna danca I pripadajući parovodi. U ovimkomponentama je pritisak unutrašnji, a zagrijavanje spoljašnje. One se projektuju sa
radnim vijekom kotla. Ako se temperature metala prati tokom eksploatacije, vijek ovih
komponenti se može predvidjeti korištenjem formula za puzanje odgovarajućeg
materijala. Ako se utvrdi da je to manje od predviđenog vijeka mogu se promijeniti
režimi rada kotla, raspored cijevi ili material cijevi da bi se postigao planirani vijek.
Lom puzanjem je najčešći tip otkaza u cijevima zagrijača I pregrijača kotla. Slika 3.9.
pokazuje prirodu loma puzanjem takve cijevi, koji je pretežno untergranularni sa
površinom preloma upravno na pravac maksimalnog napona(obimni naponi). Veliko
izbočavanje I stanjenje ivica na prelomu su karakteristični za kratkotrajni lompuzanjem, sl.3.9.b). U ovom slučaju se pri projektovanju mora tačno utvrditi
maksimalna radna temperature, jer samo njeno povećanje značajno smanju je
vrijeme loma pri datom naponu. Najznačajniji faktor koji doprinosi ovom lomu je
prslina puzanja koja se javlja u grešci sučeonog zavarenog spoja cijevi. Tada se lom
javlja u mnog kraćem vremenu nego u zdravom osnovnom materijalu cijevi.
Pri projektovanju za rad na viskokim temperaturama osnovni prilaz podrazumijeva:
(a) smanjenje broja, veličine I složenosti komponenata izloženim najvišim
temperaturama; (b) smanjenje opterećenja (mehaničkih napona) I temperaturnog
gradijenta (termičkih napona) u pojedinim komponentama. Ako se time ne postižeprihvatljivi vijek, problem puzanja treba rjšavati drugačijom konstrukcijom. Unutrašnja
izolacija je I vodeni omotač, zidovi, ili namotaji su dva postupka koji se često koriste u
konstrukciji kotla. Da bi se isključila opasnost od lokalnog loma zbog zračenja
izolacije koje izaziva vruću tačku na zidu posude, ugrađuje se višestruka spirala
hlađena vodom blizu unutrašnje površine zida posude. Omotač za hlađenje sa
spoljne strane posude se također često koristi kao sredstvo za odvođenje toplote
provođenjem sa površine zida posude.
-
8/9/2019 zavarivanje posuda pod pritiskom
9/15
8
Slika 9: Lom puzanjem cijevi: (a) veliko izbočenje I stapanje ivice preloma, karakteristično za
krat kotrajni lom puzanjem; (b) ograničeno izbočavanje I malo stapanje ivica preloma
karakteristično za dugotrajni lom puzanjem
5. Konstrukcijske komponente (prirubnice, priključci, ljuske,
kompenzacijske ploče)
Posude pod pritiskom se uglavnom proizvode zavarivanjem dijelova ili podsklopova,
koji se prethodno izrađuju kao cilindrični ili loptasti segmenti. Na osnovu posude se
zavarivanjem dodaju potrebni elementi, kao što su priključci, nosači, otvori. Samo
otvori koji u toku eksploatacije treba da se češće otvaraju se izvode kao vijčani
-
8/9/2019 zavarivanje posuda pod pritiskom
10/15
9
spojevi ili drugačiji mehanički sklopovi. Na taj način se ostvaruje hermetičnost
(zaptivost) posuda, jer je smanjen broj mehaničkih zaptivača.
6. Klasa kvaliteta zavarenih spojeva
Potrebna ispitivanja za projektovanje I proizvodnju komponenti pritiskom se često
definišu propisima. Jedan primjer koji se koristio u Jugoslaviji dar je u tab. 1. Uz
podatke koji su dati na sl. 10.
Klasa zavarenog spoja definiše se klasom kvaliteta, koja predstavlja nivo
pouzdanosti zavarene konstrukcije. Standardom JUS.C.T3.010. definisane su klase
kvaliteta zavarenih spojeva, a propisima za određene zavarene konstrukcije utvrđuje
se veza između klase kvaliteta zavarenog spoja I klase zavarene konstrukcije. U tab.
1 prikazana je ova veza za posude pod pritiskom.
Tabela 1: Najniža dozvoljena klasa kvaliteta zavarenog spoja
-
8/9/2019 zavarivanje posuda pod pritiskom
11/15
10
Kao nemiran rad smatraju se hidraulični udari I druga neravnomjerna opterečenja na
priključcima posude.
Pod vrstama zavarenih spojeva u tab. 1. podrazumijevaju se grupe zavarenih
spojeva na posudama (sl. 10.) prema položaju, gdje je:
1. Vrsta zavarenog spoja A- uzdužni zavareni spoj na omotaču posude,
cilindričnom I koničnom, i priključcima; svi zavareni spojevi na ispupčenim i
poluloptastim dancima i kružni zavar eni spoj veze poluloptastog danca i
omotača;
2. Vrsta zavarenog spoja B- kružni zavareni spoj na cilindričnom I koničnim
dijelovim omotača; zavareni spoj cilindričnog I koničnog dijela; na nastavcima
priključka; zavareni spoj ispupčenog danca I omotača;
3. Vrsta zavarenog spja C- zavareni spoj ravne prirubnice sa prikljčkom; zavareni
spoj prirubnice I omotača, kao I zavareni spoj omotača sa ravnim dancem
(pločom); 4. Vrsta zavarenog spoja D- zavareni spoj veze priključka I omotača, kao I
zavareni spoj priključka I danca.
Projektnu klasu zavarenog spoja određuje projektant zavarene konstrukcije.
Izvedena klasa I trenutna klasa zavarenog spoja utvđuju se vrstom I obimom
ispitivanja, kao dokazom kvaliteta zavarenog spoja I vrstom, veličinom brojem I
rasporstranjenošću dopustivih grešaka u zavisnosti od smjera glavnih naprezanja
u materijalu.
7. Položaj i raspored zavarenih spojeva
Najvažnije je da se položajem I rasporedom zavarenih spojeva ne uvedu dodatni
naponi u kritičnim područijma kontrukcije, ali je potrebno omogućiti zavarivanje I
kontrolu predviđenim postupkom. Nijedan elemenat posude ili aparata se ne smije
zavarivati na rastojanju manjem od 2,5 s od zavarenih spojeva na omotaču,
torisferičnom, poluloptastom I ravnom dancu I konusu, s debljina data na sl. 10.
Zavareni dijelovi, koji se ne proračunavaju, moraju biti udaljeni od proračunavanih
dijelova više od četiri debljine usvojenog šava.
Treba izbjegavati nagomilavanje zavarenih spojeva. Rastojanje dva paralelena
uzdužna zavarena spoja susjednih sekcija omotača mora biti veće od za s
-
8/9/2019 zavarivanje posuda pod pritiskom
12/15
11
mm, I namanje 200 mm za veće debljine lima. Pri izradi I ugradnji dijelova posude na
istom mjestu se ne smiju naći više od dva zavarena spoja, osim za posude klase IV.
Ojačanja postolja, stope ili njihovi podložni limovi se smještaju tako da ne pokrivaju
šavove posude. Ako se to ne može izbjeći, pokriveni dijelovi šavova moraju se
prethodno ispitati metofama bez razaranja. Krajevi šavova omotača I šavovi kojimase stope privaruju za omotaš moraju biti međusobno udaljeni za najmanje dvije
debljine zida posude.
Podložni limovi, potpuno zavareni za omotač, moraju imati otvor, prečnika najmanje
Ø5 mm, za kontrolu zaptivosti I odvod vazduha.
Revizioni otvori I razni priključci se moraju postaviti na rastojanja veća od 3 debljine
tanjeg lima od nosećih šavova na posudama. Kada se to, zbog mjera posuda, ne
može izbjeći, osa priključka se može postaviti u osu šava. Noseći šav mora biti
ispitan, lijevo I desno od otvora, metodama bez razaranja, najmanje u dvostrukojveličini otvora.
Slika 10: Vrste zavarenih spojeva na posudama položa ju
-
8/9/2019 zavarivanje posuda pod pritiskom
13/15
12
Slika 11: Najmanja rastojanja zavarenih spojeva od zavarenih spojeva dijelova posude pod
pritiskom koji se proračunavaju
Slika 12: Rastojanja pomoćnih elemenata I nosećih spojeva na posudama
-
8/9/2019 zavarivanje posuda pod pritiskom
14/15
13
Literatura
1. Internet stranice
-
8/9/2019 zavarivanje posuda pod pritiskom
15/15