Баллоны для сжатых газов. Редукторы

Баллоны цилиндрические, сосуды с запорным вентилем предназначены для хранения и транспортировки сжатых газов. Чаще всего они выпускаются емкостью 0,04 м³ с наружным диаметром корпуса 219 мм и высотой 1390 мм, а толщиной стенки от 5,2 до 9,3 мм.

В зависимости от давления газов баллоны изготовляют с помощью сварки, как, например, для пропан-бутана, или цельнотянутыми, как для кислорода, ацетилена, углекислого газа и др.

Для создания устойчивости с вертикальным положением на нижнюю часть баллона насаживают башмак, имеющий опорную плоскость больше диаметра баллона.

В верхней, сферической части баллона выбивают обязательные клейма: товарный знак завода-изготовителя; номер баллона; фактическая масса порожнего баллона; дата (месяц, год) изготовления (испытания) и год следующего испытания; рабочее давление и пробное гидравлическое давление; емкость баллона в л; клеймо ОТК завода-изготовителя.

Правила Гостехнадзора предусматривают окраску баллонов в условный цвет, присвоенный данному газу: кислородные – в голубой, надпись – черный; ацетиленовый – в белый, надпись – красный; пропан – в красный, а его надпись в черный и т.д.

В отличие от других сжатых газов ацетилен хранят в баллонах, заполненных пористой массой, пропитанной ацетоном. В качестве пористой массы применяют активированный уголь в количестве 300 кг/м³ емкости баллона, в котором пропитывается ацетон из расчета 300 кг/м³ емкости. Назначение пористой массы – разделение всего объема на очень маленькие участки, что резко снижает взрывоопасность. Кроме того, ускоряются процессы, растворения и выделения ацетилена, который растворяется при нормальном давлении и температуре 20°С в количестве 20 дм³ в 1 дм³ ацетона, с увеличением давления растворимость увеличивается, и при 1,6 МПа в 1 м³ растворяется 368 м³ ацетилена. Давление наполнения ацетиленовых баллонов не должно превышать 1,9 МПа при 20°С. В баллон емкостью 0,04 м³ при 1,9 МПа вмещается около 5,5 м³ ацетилена.

Редукторы служат для понижения давления газа, отбираемого из баллона, и автоматического поддержания рабочего давления постоянным, независимо от падения давления газа в баллоне. Согласно ГОСТ 6268-68 постовые редукторы выпускают на рабочее давление газа перед горелкой или резаком: для кислорода – от 0,5 до 1,5 МПа, для ацетилена – от 0,001 до 0,15 МПа.

Схема устройства и работы редуктора показана на рис.3.1. Сжатый газ из баллона поступает в камеру высокого давления 1. Давление перед редуктором измеряется манометром 2, далее газ проходит через клапан 11, преодолевая значительное сопротивление, вследствие чего давление газа за клапаном становится ниже. Пройдя клапан, газ поступает в камеру низкого давления 10. Давление в камере определяется манометром 3. Из камеры низкого давления газ через вентиль подается в горелку. Мембрана (пластинка из резины с прокладками из ткани) 7, регулирующий винт и пружины 8 и 4 служат для регулировки положения клапана 11, от степени открытия которого зависит рабочее давление газа после редуктора. Чем больше открыт клапан, тем выше рабочее давление газа и тем большее количество газа будет проходить через редуктор. При закручивании винта 9 сжимаются пружины 8 и 4, открывается клапан II, и давление в камере 10 повышается. При откручивании винта 9 наоборот клапан 11 прикрывается, а давление в камере 10 уменьшается. Установленное рабочее давление в редукторе автоматически поддерживается постоянным. При уменьшении количества отбираемого газа его давление начнет возрастать, и в каморе низкого давления 10 газ будет с большей силой давить на мембрану 7, которая отойдет вниз и сожмет пружину 8. При этом пружина 4 прикроет клапан 11 и будет держать его в таком положении до тех пор, пока давление в камере 10 не станет вновь равным его первоначальной величине. Обратное явление наблюдается при понижении рабочего давления в камере 10.

Предохранительный клапан 5 защитит мембрану от разрыва в случае, если клапан II начнет пропускать газ. По конструкции редукторы бывают одно- и двухступенчатые: в первой ступени давление понижается от 15 МПа до промежуточного 5-4 МПа, а во второй ступени – до 0,3-1,65 МПа. Точность регулирования давления с помощью двухступенчатого редуктора выше.

Рис. 3.1. Схема устройства и работы редуктора

Сварочные горелка и резаки

По способу подачи горючего газа применяются два типа горелок: инжекторные и безинжекторные. Первые используются при низком и среднем давлении ацетилена (от 0,001 до 0,12 Мпа), а вторые при высоком. Чаще применяются инжекторные, схема которых приведена на рис. 3.2,а.

 

а

б

Рис. 3.2. Схема устройства газовых горелок: а – инжекторная; б – безинжекторная

На рисунке 3.2. а, показано устройство инжекторной горелки. Здесь кислород попадает в вентиль 1, затем в конус инжектора 3 и камеру смешения 5. Выходит из инжектора 4 и стремительно засасывает горючий газ, далее полученная смесь кислорода и газа попадает в трубку наконечника 6 и вырывается через мундштук 7. За счет кислорода, давление становится ниже достаточного атмосферного. При этом оно должно быть беспрерывным и составлять порядка 3,5 атмосфер.

Основным минусом инжекторной горелки является непостоянный состав горючей смеси. Притом, что она способна работать на низких давлениях, её все же используют гораздо чаще, чем горелку высокого давления, ведь на производстве выгоднее работать на низком давлении и этот фактор остается решающим. А вот ацетилен высокого или достаточного давления производится еще не в таких масштабных количествах. К тому же, инжекторная горелка способна работать еще и на высоком давлении, и чем оно больше, тем эффективность её работы больше. Когда давление ацетилена довольно низкое, становятся легко заметны любые незначительные изменения состава горючей смеси из-за влияния нагрева горелки и увеличения сопротивления горючей смеси.

Для того, чтобы работа инжекторной горелки была как можно дешевле, газосварщики постоянно используют универсальные горелки со сменными наконечниками. Такая инжекторная горелка состоит из главной и сменной части, то есть наконечника, который соединяется с помощью накидной гайки с основной постоянной частью ствола горелки. Этот ствол состоит из рукоятки, системы регулировочных вентилей, соединительных ниппелей и труб, а наконечник включает в себя смесительную камеру, трубку наконечника и мундштук

Горелки этого типа (ГС-2, ГС-3, ГС-4) имеют наконечники 1,2,..9, изготовленные из устойчивой против накипания брызг свариваемого металла хромовой бронзы марки Бр.Х–05. В безинжекторных горелках рис. 3.2,б использован более простой принцип:

1. Кислород проходит в неё через специальный шланг из резины в вентиль 1, а затем в смеситель 3.

2. В смесителе поток кислорода расходится на маленькие струи и проходит дальше в сопло смешения под номером 4. Таким же образом кислород поступает и через регулировочный вентиль 2.

3. Благодаря смесителю 3 смесь попадает в камеру смешения 5. Увеличение сечения газового потока способствует уменьшению его скорости, поэтому смесь кислорода и газа заканчивает свою циркуляцию и обеспечивает на выходе однородную горючую смесь.

4. Полученная смесь попадает на трубку наконечника 6, а далее через калиброванный канал мундштука 7, который выполнен из красной меди, выходит и тут же сгорает, что и образует горючее сварочное пламя.

Эти горелки более устойчивы в работе, но менее универсальны.

Ацетиленовые генераторы

В далях безопасности ацетилен целесообразно получать в необходимых для сварки количествах непосредственно на рабочем месте. Аппараты, служащие для получения ацетилена из карбида кальция при воздействии на него водой, называются генераторами. Они бывают по производительности рассчитаны на 0,5; 0,75; 1,25; 2, 5, 3,5, 10, 20, 40, 80, 160 и 320 м³/ч ацетилена, по устройству делятся на передвижные к стационарные системы, «карбид в воду», «вода на карбид», «вытеснения» и др. В зависимости от давления генераторы делятся на две группы: низкого давления – до 0,01 МПа включительно и среднего давления от 0,01 до 0,15 МПа.

Коэффициентом полезного использования генератора называют отношение фактически полученного объема ацетилена к тому, который можно теоретически получить из всего загруженного карбида – .

(3.2)

При увеличении давления свыше 0,15 МПа и повышении температуры до 100°С вследствие экзотермической реакции взаимодействия карбида с водой возможна полимеризация ацетилена, что уменьшает коэффициент полезного использования. В современных генераторах он составляет 85-98 %.

Карбид кальция (СаС₂) представляет собой вещество темно-серого или коричневого цвета с объемной массой 2260 кг/м³. В техническом карбиде кальция 80-90% чистого СаС₂, а остальное – примеси. Его получают на специальных заводах сплавлением известняка и кокса в дуговых электрических печах при температуре около 2500°С. После дробления и сортировки его упаковывают в герметические барабаны из кровельной стали по 100-130 кг и доставляют потребителю.

При взаимодействии его с водой по реакции:

(3.3)

из каждого килограмма карбида кальция получают от 0,23 до 0,28 м³ ацетилена.

На рис. 3.3 приведена схема ацетиленового генератора АНВ-1,25 (А – ацетиленовой, Н – низкого давления, В – вытеснение воды). Его производительность 1,25 м³/ч ацетилена, рабочее давление избыточное 0,003 МПа, максимальное давление 0,01 МПа. Он состоит из основного корпуса I, разделенного перегородкой на две части. В нижней части корпуса вмонтирована реторта 4, в которую вставлена корзина 5 с карбидом кальция. Через открытую верхнюю часть корпуса генератор заполняют водой, которая по трубе 10 поступает в нижнюю часть генератора. Через кран 3 вода поступает в реторту и смачивает карбид кальция. Образующийся ацетилен во трубе 2 выходит из реторты, собирается под перегородкой 9 и затем по трубке 8 через водящий затвор 6 поступает в горелку. Благодаря выделению тепла при разложении карбида кальция вода нагревается, и генератор может работать при низких температурах. Если ацетилен не расходуется, давление его в генераторе повышается, и он вытесняет воду из генератора в верхнюю часть, а из реторты – в трубу 7. Реакция получения С₂Н₂ прекращается.

При скоростях истечения ацетилена меньше скорости его горения возможен обратный удар, т.е. распространение пламени навстречу потоку ацетилена. Происходит самопроизвольный распад ацетилена в шлангах. Если не принять меры, то пламя достигает генератора, где скапливается большое количество ацетилена, и произойдет взрыв.

Рис. 3.3. Устройство ацетиленового генератора

Для предохранения от взрыва применяют водяной затвор 6. По трубе 11 в него заливают воду. При нормальной работе уровень воды в затворе достигает контрольного крана 12. Ацетилен собирается в верхней части затвора, откуда через трубку 13 поступает к месту сварки. Чтобы ацетилен не выходил через трубку 11, на трубке 8 имеется рассекатель газа 14.

При обратном ударе трубка 8 запирается образовавшейся водяной пробкой, а излишний газ сбрасывается в атмосферу через зазор, образованный трубками 8 и 11.

Сварочное пламя

Строение ацетиленокислородного пламени показано на рис. 3.4. Оно состоит из трех зон. Ярко очерченное ядро 1 с температурой от 300 до 1000°С. В нем происходит распад ацетилена по реакции.

C₂Н₂ → 2С+Н₂+Q₂

Рис. 3.4. Строение ацетиленокислородного пламени

Выделившиеся частички углерода, раскаляясь внутри зоны, светятся белым светом, что создает впечатление высокой температуры. Средняя (рабочая) зона 2 с температурой 3100-3300°С на расстоянии 2-6 мм от сопла. Внутри зоны происходит сгорание водорода по реакции:

2Н₂+О₂=2Н₂ О+Q₃ (3.5)

2C+О₂=2CО+Q₄ (3.6)

И, наконец, третья зона – факел 3, имеющий температуру 1200°С. Здесь происходит догорание моноокиси углерода по реакции:

 

2CО+О₂=2СО₂+Q₅ (3.7)

Средняя (рабочая) зона имеет максимальную температуру, поэтому она и применяется для расплавления присадочного металла при сварке. Кроме того, она состоит из продуктов неполного сгорания ацетилена СО и незначительного количества водорода, которые частично раскисляют металл сварочной ванны.

В зависимости от соотношения кислорода и ацетилена пламя бывает:

нормальное (О₂: С ₂Н₂ =1,1…1,2),

науглероживающее (О₂: С ₂ Н₂ = 0,6…0,9), и

окислительное (О₂: С₂ Н₂ =1,2…1,5).

Самая низкая температура у науглероживающего пламени (2700 °С), а самая высокая – у окислительного (3300 °С). Науглероживающее пламя имеет избыточный углерод, который науглероживает жидкий металл. Применяется оно при сварке высокоуглеродистых сталей. Окислительное пламя имеет в избытке кислород, поэтому окисляет металл. Оно применяется при сварке латуни, термической резке и поверхностной стружке металла.

Чаще всего при газовой сварке используют нормальное пламя. Максимальная температура этого пламени 3140 °С. Здесь происходит полное сгорание продуктов распада ацетилена, качество шва самое высокое.

В зависимости от теплофизических свойств свариваемого металла и его толщины выбирают тепловую мощность газового пламени, которая характеризуется расходом горючего газа (в л/ч) и регулируется сменой наконечников горелки. Расчет тепловой мощности проводится по формуле:

(3.8)

 

где, – коэффициент пропорциональности (л/ч*мм);

- толщина металла, мм.

Для углеродистой стали К=100...130л/ч*мм, для нержавеющей – 75...100л/ч*мм; меди – 150...200 л/ч*мм; алюминия – 150 л/ч*мм; чугуна – 120...150 л/ч*мм; для латуни – 100-120 л/ч*мм; бронзы – 100...150 л/ч*мм; никеля и его сплавов – 140...200 л/ч*мм, цинка – 50 л/ч*мм, свинца – 10...15 л/ч*мм.

Мощность пламени регулируется выбором горелки и наконечников, различают четыре типа горелок: микромощные, малой мощности, средней мощности и большой мощности. Их характеристики представлены в табл.3.2.

Таблица 3.2

Основные параметры универсальных ацетиленокислородных горелок (ГОСТ 1077-69)

ТИП	Наименование горелка	Расход, л/ч	Давление на входе в горелку (атмосфер)	Нормальная комплектовка наконечника	Принцип действия
ацетилен	кислород	ацетилен	кислород
min	max	min	max	min	max	min	max
Г1	Микро- мощности					0,1	1,0	0,	1,0		Безинжек- торные
Г2	Малой мощности					0,01	0,35	0,5	4,0	1/3	Инжекторные
Г3	Средней мощности					0,01 0,1	0,35	1,0	4,0	1,2,3,4 5,6,7	То же
Г4	Большой мощности					0,35	1,2	2,0	4,0	8,9	То же

Параметры наконечников приведены в табл.3.3.

Таблица 3.3

Номера наконечника	Расход газа, л/ч
ацетилена	кислорода
	5…10	6…11
	10…25	11…28
	24…60	28…65
	50…125	55…135
	120…430	130…260
	230…430	250…440
	400…700	430…750
	660…1100	740…1200
	1030…1750	1150…1950
	1700…2800	1900…3100
	2800…4500	31…5000
	4500…7000	4700…800

Машинное время сварки одного метра шва

(3.9)

где, – толщина свариваемого металла; – длина сварного шва; – коэффициент (мин/мм²), который зависит от рода свариваемого металла. Так, – для меди; для алюминия и его сплавов, для малоуглеродистой стали , а для легированной стали, чугуна, латуни и бронзы .

Технологическое время приближенно можно определить по (1.21) с учетом табл.1.3. Скорость сварки, выраженная в м/ч,

(3.10)

Технология газовой сварки

Газовая сварка сравнительно проста, не требует сложного оборудования, источника электроэнергии и может выполняться в полевых условиях.

Недостатком ее по сравнению с дуговой является меньшая скорость нагрева металла и большая зона теплового воздействия на металл. При газовой сварке концентрация тепла меньше, а коробление свариваемых деталей больше. Производительность снижается с увеличением толщины металла, поэтому газовая сварка стали толщиной свыше 6 мм менее производительна, чем дуговая сварка. Стоимость ацетилена и кислорода выше стоимости электроэнергии. К недостаткам ее относится взрывоопасность.

Газовой сваркой можно выполнять нижние горизонтальные, вертикальные и потолочные швы. Наиболее часто газовой сваркой выполняют стыковые соединения, реже – угловые и торцовые. Не рекомендуется выполнять соединение внахлестку и тавровые, так как они требуют интенсивного нагрева металла и сопровождаются повышенным короблением.

Пламя горелки направляют на свариваемый металл так, чтобы кромки металла находились в восстановительной зоне на расстоянии 2-6 мм от конца ядра. Касаться расплавленного металла концом ядра нельзя, так как это вызывает науглероживание его. Конец присадочной проволоки также должен находиться в восстановительной зоне.

Скорость нагрева металла при газовой сварке можно регулировать, изменяя угол наклона мундштука к поверхности металла. Чем больше этот угол, тем больше тепла передается от пламени металла к тем быстрее он будет нагреваться. При сварке толстого или хорошо проводящего металла, например, меди, угол выбирают большой (60-80°), а при сварке тонких и легкоплавких, например, свинца – малый (10 °).

Различают два способа ведения сварочного процесса – правый и левый. Сущность правого способа состоит в том, что пламя горелки перемещается слева направо и направлено на горячий металл шва, а присадочная проволока движения – позади горелки (рис. 3.5,б).

Угол раскрытия кромок в этом случае берется равным не 90°, а 60-70°, что снижает вес наплавленного металла, сокращает расходы газов (на 15-25%) и время сварки (на 20-25 %), а также уменьшает деформацию металлов.

Этот метод применяется при сварке металла толщиной более 5 т, а также металлов с высокой теплопроводностью. При правой сварке расплавленный металл защищен пламенем, что уменьшает окисление и создает хорошие условия для кристаллизации, поэтому качество шва высокое. При правой сварке толщина присадочной проволоки берется равной половине толщины свариваемого металла.

(3.11)

Левый способ сварки отличается от правого тем, что пламя горелки перемещается справа налево и направлено на холодный металл, а присадочная проволока движется впереди, горелки. Левый способ применяется при сварке листов на легкоплавких металлах и их сплавов толщиной до 4 мм и вертикальных швов (риc.3.5.а).

Диаметр присадочной проволоки при левом способе сварки выбирают по уравнению:

(3.12)

где, – толщина свариваемого металла.

а

б

Рис. 3.5 а – правый; б – левый способ газовой сварки

(1 – момент сварки, 2 – схема движения мундштука, 3 – углы наклона мундштука и проволоки)

При газовой сварке окислы некоторых металлов, например, магния, алюминия, цинка, не могут быть восстановлены средней зоной пламени, поэтому для связывания их применяются флюсы. Кислые флюсы – бура (Na₂B₄O₇); бура с борной кислотой (H3BO₃) или борный ангидрид (BO₃) применяются при сварке меди и ее cплавов. Для флюсования окислов кислотного характера, например, двуокиси кремния, применяются соединения, дающие основные окислы. С этой далью обычно применяются сода Na₂СO₃ и поташ K₂СO₃, дающие соответственно в зоне сварки основные окислы Na₂O и K₂O. Для сварки чугуна используют флюс из смеси Na₂B₄O₇ и Na₂СO₃

Флюсы для сварки алюминия обычно состоят из смеси фтористых хлористых солей лития, калия, натрия и кальция NaCl, KCl, LiCl, CaCl₂, NaF, KF, CaF₂. Сварка углеродистых сталей осуществляется без флюсов.

Флюсы вводятся в пламя в виде порошков или паст, которые наносят на кромки металла. Это затрудняет процесс автоматизации. Газофлюсовая сварка позволяет автоматизировать процесс. Она заключается в том, что пары флюса (эфир борной кислоты (OCH₃)3) вместе с ацетиленом в определенном соотношении автоматически подаются в обычную горелку, где, сгорая в пламени, образуют флюсующий агент – борный ангидрид, который связывает трудно восстанавливаемые окислы.

Таблица 3.4

Конструктивные элементы подготовленных кромок