Раздел 2. Обоснование выбора основных материалов

Сварной конструкции

 

Конструкция цистерны соответствует требованиям действующих «Норм для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)».

Котел цистерны имеет конфигурацию способствующая полной выгрузке концентрированной серной кислоты.

При выборе материалов для изготовления вагон-цистерны необходимо учитывать диапазон рабочих температур окружающего воздуха от минус 40 до плюс 50⁰С.

Рамы, детали рычажной передачи тормоза изготавливаются из низколегированной стали по ГОСТ 19281-2014 категории не ниже 13 и 14 соответственно. [12]

Обечайка - конический или цилиндрический барабан без днищ из листового материала; заготовка для котлов, резервуаров и других листовых металлоконструкций.

Конструкция относится к первому классу ответственности по ГОСТ 12.1.007-88, испытывает переменные и ударные нагрузки, поэтому требованиями к изделию и швам являются прочность соединений, герметичность, точность конструкции. [13]

На механические и физико-химические свойства металла шва весьма существенное влияние оказывает его химический состав. Поэтому для получения свойств, удовлетворяющих требованиям надежности конструкции при эксплуатации, важным является правильный выбор сварочных материалов.

При выборе сварочных материалов следует исходить из следующих условий:

• возможности осуществлять сварку в тех положениях, в каких будет находиться во время сварки изделие;

• возможности получения плотных беспористых швов;

• возможности получения металла шва, обладающего высокой технологической прочностью, т. е. не склонного к образованию горячих трещин;

• возможности получения металла шва, имеющего требуемую эксплуатационную прочность;

• низкой токсичности;

• экономической эффективности.

В зависимости от предъявляемых к изделию специальных требований, при выборе сварочных материалов необходимо учитывать дополнительное требование - получение металла шва, обладающего комплексом специальных свойств (высокой коррозионной стойкостью, жаропрочностью, износостойкостью и др.).

В случае применения хорошо свариваемой стали Ст3, преимущество которой – возможность изготавливать из нее изделия, которые выдерживают большую нагрузку и обладают хорошей сопротивляемостью ударам, имеет ряд недостатков. Данная сталь имеет склонность к хрупкости при низких температурах (минус 30^оС), сплав имеет большое количество примесей, что отрицательно сказывается на качество сварного соединения.

Еще одним из вариантов стали применяемой для сварных соединений может быть рассмотрена сталь 20.

По классификации сталь 20 относится к конструкционной стали, а точнее, сталь 20 - это сталь конструкционная углеродистая качественная. Применение сталь 20 находит в самых разных конструкциях, как общего, так и специального назначения. Сталь 20 используется для изготовления: труб перегревателей, коллекторов и трубопроводов котлов высокого давления, лист сталь 20 - для штампованных деталей, а так же из стали 20 делают цементуемые детали для длительной и весьма длительной службы при температурах до 350°C. Сваривается без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки.

К недостаткам углеродистой стали относятся:

- отсутствие сочетания прочности и твердости с пластичностью;

- потеря твердости и режущей способности при нагревании до 200°C и потери прочности при высокой температуре;

- низкая коррозионная устойчивость в агрессивных средах (например, в серной кислоте), в атмосфере и при высоких температурах;

- низкие электротехнические свойства;

- высокий коэффициент теплового расширения;

- увеличение веса изделий, удорожание их стоимости, усложнение проектирования вследствие невысокой прочности этой стали.

Применение стали 09Г2С обусловлено ее характеристиками.

Главное преимущество этой стали – высокая механическая прочность, которая позволяет применять более тонкие детали по сравнению с деталями, изготовленными из других сталей. А значит, детали из стали 09Г2С имеют меньший вес, что экономически более выгодно. Кроме того, еще один плюс этой стали – низкая склонность к отпускной хрупкости.

Марка стали 09Г2С широко используется для сварных конструкций. Сварка может производиться как без подогрева, так и с предварительным подогревом до 100-120 ^оС. Сварка довольно проста, причем сталь не закаливается и не перегревается в процессе сварки, благодаря чему не происходит снижение пластических свойств или увеличение ее зернистости. При температуре воздуха минус 15 °С и ниже применяют предварительный местный подогрев независимо от толщины стали.

Минимальной температурой применения (температура наиболее холодной пятидневки региона) является минус 70.
Максимальной температурой применения – плюс 450.

Сталь 09Г2С обладает хорошей свариваемостью.

По требованию потребителя прокат изготовляют с гарантией свариваемости («св»). Свариваемость обеспечивается химическим составом стали и технологией изготовления проката.

Прокат изготовляют в горячекатаном состоянии. Для обеспечения требуемых свойств может применяться термическая обработка.

Углеродный эквивалент (С_эко) не должен превышать 0,45 %.

Химический состав и механические свойства стали 09Г2С представлены в таблицах 1 и 2.

Т а б л и ц а 1 - Химический состав стали 09Г2С, %

Марка стали	Массовая доля элементов, %, не более
С	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	S	V	P
09Г2С	До 0,12	0,5-0,8	1,3-1,7	До 0,60	До 0,30	До 0,30	До 0,035	До 0,12	До 0,030

 

Т а б л и ц а 2 - Механические свойства стали 09Г2С

Марка стали	Механические свойства, не менее
Предел текучести, МПа	Временное сопротивление разрыву, МПа	Относительное удлинение, %
09Г2С

 

Повышенная стойкость против атмосферной коррозии гарантируется химическим составом стали и технологий изготовления.

Свариваемость - сваривается без ограничений. Способы сварки - РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, ЭШС.

Легирующие элементы Mn, Si, Cr, Cu, Ni - растворяются в феррите, упрочняют его и измельчают перлит. Благодаря этому прочностные характеристики такой стали повышаются и предел прочности доходит до 55 кг/мм². Наличие в стали Мn повышает ее ударную вязкость и хладноломкость, обеспечивает хорошую свариваемость. Введение в состав стали Мn позволяет получать сварные соединения более высокой прочности, при знакопеременных и ударных нагрузках. Сталь 09Г2С относится к спокойной, так как она получается раскислением Si и Мn и содержит более 0,8% Si. Данная сталь менее склонна к старению и отличается меньшей реакцией на сварочный нагрев.

При изготовлении к конструкции предъявляются следующие требования к поставляемым материалам:

- для изготовления поясов обечаек и днищ использовать листовой прокат;

- качество и марки материалов, применяемые при изготовлении конструкции, должны удовлетворять требованиям соответствующих стандартов и технических условий и удостоверяться сертификатами или паспортами заводов-поставщиков;

- контроль качества поверхности, размеров и требования к кромке проката должны соответствовать ГОСТ 16523-97 [14];

- расслоение в листах не допускается;

- при транспортировке и хранении листового проката исключить его повреждения и деформацию.

Корпус цистерны состоит из обечаек, днищ и волнорезов, изготовленных из стали 09Г2С ГОСТ 19281-2014, которые соединяются между собой кольцевыми швами. [12]