TCMUPR Capitolul 1

Universitatea Petrol – Gaze din Ploieşti Facultatea de Inginerie Mecanică şi Electrică

Prof. univ. dr. ing. Gheorghe ZECHERU

TEHNOLOGIA CONSTRUCTIEI SI MENTENANTA UTILALELOR PETROCHIMICE SI DE RAFINARII – TCMUPR – CAPITOLUL I

PLOIESTI, 2009

UPP – TCMUPR _____________________________________________________________________________ Inginerie mecanică

Prof. Gh. ZECHERU ___________________________________________________________________________________ pag. 1

BIBLIOGRAFIA DE BAZA

1. Raşeev D., Zecheru Gh., Tehnologia fabricării aparaturii – instalaţiilor statice – petrochimice şi de rafinării, Editura Tehnică, Bucureşti, 1982

2. Raşeev D., Oprean I., Tehnologia fabricării utilajului tehnologic, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1983

3. * * * PT C4/1 – 2003 Cerinţe tehnice privind montarea, instalarea, exploatarea, repararea şi verificarea recipientelor metalice stabile sub presiune, ISCIR ( M.O. 929 bis / 23.12.2003)

4. * * * PT C4/2 – 2003 Ghid pentru proiectarea, construirea, montarea şi repararea recipientelor metalice stabile sub presiune, ISCIR ( M.O. 70 bis / 28.01.2004)

5. * * * Directiva 97/23/EC a Consiliului şi Parlamentului European. Directiva peivind echipamentele sub presiune

6. * * * EN 13445 Unfired pressure vessels, CEN Bruxel, 2002 7. * * * EN 13480 Metallic industrial piping 8. * * * EN 1011 Welding – Recommendations for welding of metallic materials 9. * * * API Standard 650, Welded Steel Tanks for Oil Storage 10. * * * API Standard 579:2007, Recommended practice for Fitness for Service and continued operation of

equipment (piping, vessels and tanks)



I. GENERALITATI SI ELEMENTE DE BAZA PRIVIND FABRICAREA

APARATURII PETROCHIMICE SI DE RAFINARII – APR

1. Introducere Dezvoltarea şi perfecţionarea proceselor tehnologice din rafinării şi instalaţiile petrochimice a impus diversificarea şi sporirea severităţii regimurilor de lucru ale aparaturii utilizate. Asigurarea performanţelor APR (în concordanţă cu condiţiile de lucru din instalaţiile petrochimice şi de rafinare a petrolului) a fost şi va fi determinată de două aspecte importante:

Progresul tehnic în domeniul elaborării şi prelucrării materialelor (îndeosebi a materialelor metalice şi, mai ales, a oţelurilor);

Progresul tehnic în domeniul realizării îmbinărilor nedemontabile (îndeosebi în domeniul sudării materialelor metalice şi, mai ales, al sudării oţelurilor).



2. Clasificarea APR

Criteriul 1: procesele fizico – chimice care se desfăşoară în aparat: Aparate de schimb de căldură (în care se realizează transferul de căldură

între două medii de lucru separate printr-un perete: schimbătoare de căldură cu fascicul tubular, schimbătoare de căldură “ţeavă în ţeavă”, condensatoare, vaporizatoare, răcitoare etc.)

Aparate de schimb de masă şi căldură (în care transferul de căldură între mediile de lucru aflate în contact direct se realizează simultan cu reacţiile chimice care se desfăşoară între acestea: coloane de rectificare, coloane de extracţie, coloane de stabilizare, turnuri de răcire etc.)

Reactoare (în care au loc reacţii chimice, la temperaturi şi presiuni ridicate, de obicei, în prezenţa unor catalizatori)

Aparate de încălzire cu surse termice (cuptoare, cazane etc.) Aparate pentru separarea şi purificarea produselor (separatoare,

decantoare, filtre etc.) Amestecătoare Rezervoare de depozitare (cilindrice verticale sau orizontale, sferice etc.) Conducte tehnologice (care transportă materiile prime şi produsele între

diferite componente ale instalaţiilor de prelucrare).



Criteriul 2: grosimea peretelui aparatului: Aparate cu perete subţire, care au grosimea de perete s mai mică

decât sau egală cu o valoare convenţională sc (s ≤ sc); Aparate cu perete gros, cu grosimea de perete s mai mare decât

sc (s > sc)

Această clasificare se bazează pe următoarele argumente: • Aparatele cu perete subţire se realizează din semifabricate metalice

cu grosime mică, obţinute (de obicei) prin deformare plastică (laminare, forjare, matriţare etc.) din lingouri de dimensiuni mici, care conţin puţine defecte şi asigură niveluri ridicate ale caracteristicilor fizico – mecanice ale semifabricatelor produse. În plus, asamblarea prin sudare a componentelor acestor aparate implică folosirea unor procedee de sudare simple şi/sau realizarea unor îmbinari sudate cu număr mic de rânduri şi straturi, cu structuri în CUS şi ZIT favorabile asigurării caracteristicilor fizico – mecanice impuse de funcţionarea în siguranţă a aparatelor şi care nu necesită aplicarea de tratamente termice post sudare.



• Aparatele cu perete gros se realizează din semifabricate metalice

cu grosime mare, obţinute (de obicei) prin deformare plastică (laminare, forjare, matriţare etc.) din lingouri de dimensiuni mari, care conţin multe defecte şi determină niveluri relativ scăzute ale caracteristicilor fizico – mecanice ale semifabricatelor produse. În plus, asamblarea prin sudare a componentelor acestor aparate implică folosirea unor procedee de sudare speciale şi/sau realizarea unor îmbinari sudate cu număr mare de rânduri şi straturi, cu structuri în CUS şi ZIT care necesită aplicarea de tratamente termice postsudare pentru asigurarea caracteristicilor fizico – mecanice impuse de funcţionarea în siguranţă a aparatelor.

Grosimea convenţională sc folosită la demarcarea celor două categorii de aparate are caracter istoric, perfecţionarea în timp a metodelor şi procedeelor tehnologice de elaborare a materialelor metalice, de obţinere a semifabricatelor şi de realizare a îmbinărilor sudate determinând creşterea valorii sc. În prezent, se consideră sc = 36 mm.



Criteriul 3: gabaritul aparatului:

Aparate gabaritice, ale căror dimensiuni permit ca ele să poată fi transportate, fără probleme sau restricţii, pe şosele, căi ferate, fluviale sau maritime

Aparate negabaritice, ale căror dimensiuni depăşesc dimensiunile de gabarit reglementate prin standarde sau acte normative pentru a fi admis transportul acestora pe şosele, căi ferate, fluviale sau maritime. Dacă un aparat negabaritic nu depăşeşte mult dimensiunile corespunzătoare încadrării sale în prima categorie, se poate realiza transportul său pe anumite căi de comunicaţie, cu acordul şi monitorizarea organelor de resort competente; dacă această soluţie nu poate fi acceptată, aparatele negabaritice se secţionează în subansambluri gabaritice, care se transportă la locul în care aparatele trebuie amplasate, unde se realizează lucrările de montare şi reasamblare definitivă.



3. Caracteristicile fabricării APR

Fabricarea APR are următoarele caractersitici generale:

Caracterul producţiei este de unicat sau de serie foarte mică; în plus, deoarece durata de viaţă a aparatelor este mare (de obicei, 10…30 ani), atunci când se impune înlocuirea acestora se face şi modernizarea lor constructiv – funcţională, astfel că fabricarea oricărui aparat nu este caracterizată de repetabilitate

La realizarea aparatelor se folosesc cu precădere (peste 85 %) semifabricate realizate prin deformare plastică, de tip tablă, platbandă sau ţeavă

Operaţiile tehnologice cu cea mai mare pondere în procesele de fabricare a aparatelor sunt operaţiile de prelucrare mecanică (prin aşchiere), de montaj şi de sudare (operaţiile de montaj şi sudare reprezintă peste 60 % din volumul lucrărilor care se realizează pentru a obţine un astfel de aparat)



Fabricarea aparatelor are următoarele elemente comune cu fabricarea de maşini grele:

• Aparatele şi componentele lor au dimensiuni mari, iar forma acestora este de obicei cilindrică;

• În procesul de fabricare se folosesc utilaje staţionare grele (maşini de îndreptat, prese, maşini de curbat, maşini de rabotat marginile tablelor etc.), dar şi unele utilaje mobile (maşini de polizat, maşini de găurit, agregate de sudare etc.)

• Echipamentele de ridicare din atelierele de fabricare (macarale, poduri rulante etc.) pot avea funcţii de lucru directe, fiind utilizate, ca accesorii (pentru susţinerea semifabricatelor), în cursul activităţilor efective de prelucrare (realizate în timpul de bază) ale unor utilaje grele (maşini de îndreptat, maşini de curbat etc.); în prezent această caracteristică tinde să dispară, fiind realizate utilaje care sunt dotate cu accesorii care preiau aceste funcţii ale maşinilor de ridicat (aşa cum se poate observa în fig. 1.1).



Fig. 1.1. Exemple de maşini dotate cu dispozitive de susţinere a semifabricatelor în cursul prelucrării

• O parte din operaţiile tehnologice de prelucrare se realizează concomitent cu operaţiile de montaj

• Operaţia principală a proceselor tehnologice este operaţia de sudare, care influenţează esenţial calitatea şi performanţele tehnice ale aparatelor



4. Principiile elaborării proceselor tehnologice de fabricare a APR

4.1. Datele iniţiale necesare proiectării proceselor tehnologice

Datele iniţiale necesare proiectării proceselor tehnologice de fabricare a

elementelor de APR sunt aceleaşi ca şi la proiectarea proceselor tehnologice de fabricare a pieselor pentru construcţia de maşini:

Caracteristicile constructive şi funcţionale (desenul de execuţie şi condiţiile tehnice) ale elementului de APR care trebuie fabricat

Volumul producţiei (numărul elementelor de APR care se fabrică) Baza materială disponibilă pentru fabricarea elementului de APR (maşini,

dispozitive, echipamente, scule, instrumente şi dispozitive de masurare etc.) Criteriul economic care se aplică pentru selectarea proceselor tehnologice;

pentru obţinerea oricărui element de APR se pot concepe mai multe procedee tehnologice (tehnic posibile) de fabricare, decizia privind alegerea procesului tehnologic care trebuie aplicat trebuind să fie luată prin utilizarea unui criteriu economic: costurile de fabricare minime şi/sau productivitatea maximă



4.2. Structura proceselor tehnologice

Procesele tehnologice de fabricare a elementelor de APR au aceeaşi structură ca şi procesele tehnologice de realizare a pieselor pentru construcţia de maşini, părţile componente ale acestora fiind:

Operaţia – partea procesului tehnologic de realizare a unui element de APR care se realizează la acelaşi loc de muncă sau pe aceeaşi maşină (acelaşi utilaj), de către un muncitor sau o echipă de lucru

Aşezarea – partea operaţiei care se execută la o singură fixare (prindere), pe maşina sau utilajul de lucru, a elementului de APR care se fabrică

Faza – partea unei aşezări, în cursul căreia se produce o singură transformare tehnologică a elementului de APR care se fabrică, folosind o singură sculă sau element de lucru şi un singur regim tehnologic

Trecerea – partea unei faze, care se realizează la o singură deplasare a sculei sau elementului de lucru în direcţia de avans Exemple de operaţii, aşezări, faze, treceri sunt prezentate în [1] p.14,15



Aplicaţie. Pentru închiderea unei virole cilindrice (realizată din tablă prin curbare), se execută, dintr-o singură parte (din exterior), într-un rost în formă de V, folosind procedeul de sudarea prin topire cu arc electric şi electrozi înveliţi – SE, o îmbinare sudată longitudinală, cu 6 rânduri şi trei straturi, cele 3 rânduri de la rădăcina CUS fiind realizate cu electrozi cu diametrul de = 3,25 mm, iar rândurile de umplere a rostului fiind realizate cu electrozi cu de = 4,0 mm. Câte aşezări, câte faze şi câte treceri are operaţia de sudare a virolei?

Rezolvare. Pentru fiecare diametru de al electrozilor folosiţi la sudare se utilizează câte un regim distinct de sudare şi, ca urmare, operaţia de sudare are 2 faz.e. Realizare fiecărui rând al CUS corespunde cu o trecere şi, ca urmare, fiecare fază a operaţiei de sudare are câte 3 treceri.

Concluzia: operaţia de sudare precizată în enunţul aplicaţiei are 2 faze şi 6 treceri.



4.3. Schema de execuţie

La fabricarea oricărui APR, schema de execuţie (succesiunea de etape din procesul tehnologic de realizare) este aceeaşi, conţinutul etapelor fiind însă diferit, funcţie de caracteristicile constructive ale aparatului.

Schema de execuţie pentru un aparat gabaritic cuprinde următoarele etape:

1. Etapa operaţiilor pregătitoare (în care se realizează elemnetele componente ale APR)

2. Etapa operaţiilor de montaj în vedera sudării 3. Etapa operaţiilor de sudare 4. Etapa operaţiilor de tratament termic postsudare 5. Etapa operaţiilor de montaj final (cuprinzând în principal operaţiile

de realizare a unor îmbinări demontabile) 6. Etapa operaţilor de probare şi de verificare finală a calităţii APR



În cazul unui aparat negabaritic, după parcurgerea tuturor etapelor precizate anterior, se procedează la secţionarea aparatului în părţi / componente gabaritice, care se transportă în şantier, la locul de amplasare finală a apartului, după care se completează schema de execuţie cu următoarele etape:

7. Etapa operaţiilor de montaj în vederea sudării a componentelor gabaritice

8. Etapa operaţiilor de asamblare prin sudare a componentelor 9. Etapa operaţiilor de tratament termic postsudare 10. Etapa operaţiilor de montaj final (cuprinzând în principal operaţiile

de realizare a unor îmbinări demontabile) 11. Etapa operaţilor de probare şi de verificare finală a calităţii

aparatului

În condiţiile marii diversităţi a APR, folosirea schemei de executie este un element deosebit de util, care permite aplicarea unei strategii de lucru unice la proiectarea proceselor tehnologice de fabricare a oricărui astfel de aparat.



4.4. Tipizarea proceselor tehnologice

Tipizarea proceselor tehnologice este un instrument important de creştere a operativităţii elaborării proceselor tehnologice de fabricare a elementelor de APR. În vederea folosirii acestui instrument este necesară împărţirea elementelor de APR în următoarele categorii, funcţie de asemănările constructive şi tehnologice:

CLASE; o clasă cuprinde elementele de APR caracaterizate prin aceleaşi probleme tehnologice de fabricare;

TIPURI; un tip cuprinde elementele unei clase, care se pot fabrica prin realizarea aceluiaşi proces tehnologic;

GRUPE; o grupă cuprinde elementele unui tip, care au dimensiuni apropiate şi se pot realiza cu aceleaşi maşini şi utilaje tehnologice.



De exemplu, fundurile pentru APR reprezintă o clasă de elemente, care cuprinde mai multe tipuri (funduri eplipsoidale, semisferice şi “mâner de coş”, funduri plate, funduri conice), elementele fiecărui tip putând fi împărţite în grupe dimensionale, realizabile cu aceleaşi maşini şi utilaje tehnologice. Pentru elementele aceluiaşi TIP se elaborază un singur proces tehnologic: procesul tehnologic tipizat. Procesele tehnologice tipizate se pot elabora aplicând următoarele principii:

Principiul diferenţierii operaţiilor; în cazul unui proces tehnologic elaborat pe acest principiu, elementul de aparat efectuează o succesiune de deplasări, fiecare operaţie fiind executata la un alt loc de muncă (un alt utilaj sau o altă maşină unealtă).

Principiul concentrării operaţiilor; în cazul unui proces tehnologic elaborat pe acest principiu, elementul de aparat rămâne amplasat la un post fix, la care se deplasează succesiv echipamentele şi echipele de lucru care realizează diferite operaţii.



Principiul diferenţierii operaţiilor este potrivit pentru procesele tehnologice de fabricare a componentelor de APR, iar principiul concentrării operaţiilor este adecvat pentru procesele tehnologice de asamblare a componentelor şi de obţinere a aparatelor sau subansamblurilor gabaritice ale acestora. Fiecare proces tehnologic tipizat se elaborează în două variante: o variantă operativă (de aplicare curentă), realizabilă cu baza materială disponibilă la momentul respectiv şi o variantă de perspectivă, care ţine seama de dotările ce urmează a îmbogăţi baza materială existentă.



5. Principiile interschimbabilităţii în domeniul APR

După cum este cunoscut, Interschimbabilitatea este proprietatea unui element, subansamblu sau ansamblu de a putea fi înlocuit, fără prelucrări suplimentare la montaj şi fără a fi afectată funcţionalitatea subansamblului, ansamblului sau instalatiei din care face parte. Pentru a putea fi aplicate principiile interschimbabilităţii trebuie să existe un sistem de toleranţe şi ajustaje coerent, consistent şi unanim recunoscut. În prezent, nu există un astfel de sistem pentru APR, principalele aspecte rezolvate în acest domeniu fiind cele expuse în continuare.



5.1. Dimensiunile de referinţă (de bază) ale elementelor de APR

Pentru orice element de APR (realizat din semifabricat de tip tablă, platbandă sau ţeavă) dimensiunile de referintă sunt grosimea de perete s şi unul din diametre: diametrul mediu Dm, diametrul interior Di sau diametrul exterior De. Diametrul mediu Dm (împreună cu grosimea s) se foloseşte ca dimensiune de referinţă:

La calculele de rezistenţă mecanică ale elementelor de APR;

La unele calcule tehnologice (calculul desfăşuratelor elementelor de APR, determinarea gradului de deformare a materialului la transformarea unui semifabricat într-un element de APR).



Pentru elementele de APR cu diametrul nominal mai mic decât 500, care se realizează (în mod obişnuit) din semifabricate de tip ţeavă, dimensiunile de referinţă sunt grosimea de perete s şi diametrul exterior De. Pentru elementele de APR cu diametrul nominal mai mare decât 500, care se realizează (în mod obişnuit) din semifabricate de tip tablă sau platbandă, prin curbare şi sudare longitudinală, dimensiunile de referinţă sunt grosimea de perete s şi diametrul interior Di.



În regulile de mai sus, factorul care decide dimensiunile de referinţă este tehnologia de fabricare, marimea diametrului nominal fiind numai orientativă.. Astfel, dacă corpul unui aparat are diametrul nominal sub 500, dar grosimea de perete este mare şi nu există (în gama tipodimensională standardizată) un semifabricat tip ţeavă adecvat, se va confecţiona corpul din virole (realizate din tablă, prin curbare şi sudare longitudinală) şi dimensiunile de referinţă vor fi grosimea de perete s şi diametrul interior Di. Similar, dacă corpul unui aparat are diametrul nominal peste 500, dar grosimea de perete este mică şi există disponibil un semifabricat de tip ţeavă, se va confecţiona corpul din ţeavă şi dimensiunile de referinţă ale acestuia vor fi grosimea de perete s şi diametrul exterior De.

Informaţii suplimentare privind alegerea dimensiunior de referinţă pentru elementele de APR sunt date în [1] p.18-20.



5.2. Abaterile admisibile şi toleranţele îmbinărilor sudate cap la cap ale APR

Abaterile admisibile şi toleranţele îmbinărilor sudate cap la cap s-au stabilit din condiţia asigurării rezistenţei mecanice a acestor îmbinări. S-a utilizat o schemă de calcul de tipul celei prezentate în figura 1.2.

Fig. 1.2. Schema folosită pentru stabilirea abaterilor admisibile şi toleranţelor la îmbinările sudate cap la cap ale elementelor de APR



Analizând figura 1.2 rezultă următoarele:

Elementele de aparatură V1 şi V2 care se îmbină cap la cap au o abatere de aliniere Δ;

Îmbinarea sudată dintre cele două elemente are rezistentă mecanică corespunzătoare, dacă în orice secţiune transversală prin zona CUS (în care nu se consideră supraînălţarea şi rădăcina CUS) se asigură o grosime de perete cel puţin egală cu grosimea s a virolelor.

În secţiunea transversală realizată cu planul y – y grosimea de perete este numai s – δ, iar reducerea de grosime δ este direct proporţională cu abaterea de aliniere Δ (δ ∼ Δ, reducerea de grosime δ creşte odată cu abaterea de aliniere Δ).

Reducerea de grosime δ care poate fi acceptată este în funcţie de grosimea s a virolelor; dacă s este mare, se poate accepta o reducere δ mai mare şi invers, rezultând astfel că δ şi Δ (δ ∼ Δ) pot fi fracţiuni din s (δ ∼ Δ ≤ kss, 0 < ks < 1).



Pe baza acestui raţionament s-au adoptat abaterile admisibile de aliniere ale elementelor de aparatură care se îmbină prin sudare cap la cap (abaterea superioară As şi abaterea inferioară Ai):

As = ׀Ai׀ = maxΔ = kss. Exerienţa practică a condus la acceptarea unei valori ks = 0,1,

astfel că abaterile admisibile de aliniere ale elementelor de aparatură care se îmbină prin sudare cap la cap se iau: As = –Ai = 0,1s, iar toleranţa este T = As – Ai = 0,2s (1.1)

Experienţa practică a condus la diferite variante ale formulelor (1.1) pentru stabilirea abaterilor admisibilor de aliniere ale elementelor de aparatură care se îmbină prin sudare cap la cap; astfel, prescripţile tehnice [4] precizează următoarele valori ale abaterilor admisibile [v. fig.1.4 şi 1.5]:



• pentru denivelările îmbinarilor sudate longitudinale ale virolelor: As = - Ai = min[0,1s; 3 mm];

• pentru denivelările îmbinarilor sudate circulare dintre virole: As = - Ai = min[0,1s + 0,5 mm; 5 mm];

• pentru denivelările ţevilor care se îmbină prin sudare cap la cap (prin orice procedeu, cu excepţia sudării prin presare):

As = - Ai = min[0,1s + 0,3 mm; 3 mm];

Standardul European [6] foloseşte schemele din figura 1.3 (mai generale decât cea din fig. 1.2) pentru a defini abaterile de aliniere ale elementelor de aparatură îmbinate prin sudare cap la cap şi prescrie adoptarea abaterilor admisibile folosind diagramele din figurile 1.4 şi 1.5.



Fig. 1.3. Schemele cuprinse în [6] pentru definirea abaterilor de aliniere ale îmbinărilor sudate cap la cap

Fig. 1.4. Valorile prescrise de [4] şi [6] pentru abaterile admisibile de aliniere ale elementelor de aparatură (cu grosimi egale sau diferite) cu îmbinări sudate cap la cap longitudinale



Fig. 1.5. Valorile prescrise de [4] şi [6] pentru abaterile admisibile de aliniere ale elementelor de aparatură (cu grosimi egale sau diferite) care se asamblează prin îmbinări sudate cap la cap circulare



Analizând schiţele din figura 1.6, rezultă că abaterile Δ de aliniere

ale îmbinărilor sudate cap la cap circulare (între elemente de aparat) au următoarele cauze : a. abaterile Δd ale diametrului elementelor care se îmbină (generate fie la fabricarea virolelor, fie de ovalizarea acestora datorită nerigiditaţii şi nerigidizării la montaj); b. abaterile de la concentricitate Δc ale elementelor care se asamblează cap la cap. Se observă că, în general, Δ ≤ Δc + Δd/2, iar acoperitor, se poate accepta că abaterile admisibile AsD, AiD şi toleranţa TD, la diametrul de referinţă al elementelor care se asamblează cap la cap cu îmbinări sudate circulare, trebuie prescrise ca şi abaterile de aliniere ale îmbinărilor, aplicând formula (valabilă pentru elemente de aparatură uzuale, cu grosimea de perete s ≤ sc = 36 mm):

AsD = –AiD = 0,1s, iar toleranţa este TD = AsD – AiD = 0,2s. (1.2)



Fig. 1.6. Sursele abaterilor de aliniere ale îmbinarilor sudate

cap la cap circulare (între elemente de APR)



5.3. Abaterile efective la diametrul şi la lungimea APR

Abaterile efective la diametrul şi la lungimea aparatelor se pot stabili utilizând cunostinţele privind rezolvarea lanţurilor de dimensiuni. Următoarele noţiuni trebuie reamintite, pentru a rezolva corect lanţurile de dimensiuni:

Elementul de închidere al unui lanţ de dimensiuni este dimensiunea (cota) care rezultă ultima la prelucrarea mecanică sau la montarea pieselor ale căror dimensiuni sunt elementele lanţului.

Dacă un lanţ de dimensiuni se rezolvă prin metoda algebrică (metoda de maxim şi de minim) toleranţa elementului de închidere este egală cu suma toleranţelor elementelor componente ale lanţului.

Dacă un lanţ de dimensiuni se rezolvă prin metoda probabilistică, pătratul toleranţei elementului de închidere este egal cu suma pătratelor toleranţelor elementelor componente ale lanţului.

Metoda probabilistică de rezolvare a lanţurilor de dimensiuni se aplică numai când se lucrează cu loturi mari de piese sau de ansambluri de piese, în cazul loturilor mici fiind recomandată metoda algebrică.



Dacă virolele care alcătuiesc corpul cilindric (cu diametrul interior Di) al unui aparat au circumferinţa realizată din mai multe table (cu lungimile Li, i = 1... n, n fiind numărul tablelor din care este realizată fiecare virolă), asamblate prin suduri cap la cap longitudinale (cu rosturi având deschiderile bi, i = 1...n), atunci se poate alcătui următorul lanţ de dimensiuni, în care lungimea circumferinţei (πDi) este elementul de închidere:

∑ ∑= =

+=n

i

n

iiii bLD

1 1π . (1.3)

Aplicând metoda algebrică şi observând că toate elementele lanţului sunt elememente măritoare, rezultă: ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡+= ∑ ∑

= =

n

i

n

ibiLiD TTT

1 1

1π

; ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+= ∑ ∑

= =

n

i

n

isbisLisD AAA

1 1

1π

; ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+= ∑ ∑

= =

n

i

n

iibiiLiiD AAA

1 1

1π

, (1.4)

în care TD, TLi şi Tbi sunt toleranţele la diametrul aparatului, respectiv la lungimile Li si deschiderile bi, AsD, AsLi, Asbi – abaterile superioare la diametrul aparatului, respectiv la lungimile Li şi deschiderile bi, iar AiD, AiLi, Aibi – abaterile inferioare la diametrul aparatului, respectiv la lungimile Li şi deschiderile bi.



Dacă corpul cilindric al unui aparat este realizat din mai multe elemente (cu lungimile Hi, i = 1... n, n fiind numărul elementelor din care este realizat corpul), asamblate prin suduri cap la cap circulare (cu rosturi având deschiderile bi, i = 1...n-1), atunci se poate alcătui următorul lanţ de dimensiuni, în care lungimea aparatului H este elementul de închidere:

∑ ∑=

−

=

+=n

i

n

iii bHH

1

1

1. (1.5)

Aplicând metoda algebrică şi observând că toate elementele lanţului sunt elememente măritoare, rezultă: ∑ ∑

=

−

=

+=n

i

n

ibiHiH TTT

1

1

1; ∑ ∑

=

−

=

+=n

i

n

isbisHisH AAA

1

1

1; ∑ ∑

−

=

+=n

i

n

iibiiHiiH AAA

1

1, (1.6)

în care TH, THi şi Tbi sunt toleranţele la lungimea aparatului, respectiv la lungimile Hi si deschiderile bi, AsH, AsHi, Asbi – abaterile superioare la lungimea aparatului, respectiv la lungimile Hi şi deschiderile bi, iar AiH, AiHi, Aibi – abaterile inferioare la lungimea aparatului, respectiv la lungimile Hi şi deschiderile bi.

Informaţii suplimentare privind stabilirea abaterilor efective la diametrul şi la lungimea aparatelor sunt date în [1] p.22-23.



Aplicaţie. Capacul mare al unui schimbător de căldură este alcătuit, aşa cum se poate observa în figura 1.7, din trei componente asamblate prin sudare cap la cap: o flanşă cu gât, o virolă cilindrică şi un fund elipsoidal. Înălţimile celor trei componente ale capacului mare au valorile nominale indicate în figura 1.7 şi sunt realizate în condiţiile de precizie corespunzătoare toleranţelor generale recomandate de standardele SR EN 22768-1 şi ISO 2768-1, iar dechiderea rosturilor la asamblarea prin sudare a acestor componente este b1=b2= 0...2 mm. Să se stabilească lungimea nominală a capacului şi abaterile efective la această dimensiune.

Fig. 1.7. Schiţa capacului mare al aparatului de schimb de căldură

considerat în aplicaţie



Rezolvare. Utilizând informaţiile din Tabelul 1.1 şi considerând clasa de toleranţă mijlocie, se stabilesc abaterile limită la înălţimile celor trei componente ale camerei de distibuţie: la înălţimea flanşei AsH1 = - AiH1, = 0,3 mm; la înălţimea virolei AsH2 = - AiH2, = 0,8 mm ; la înălţimea fundului AsH3 = - AiH3, = 0,5 mm. Indicaţia b1 = b2 = 0...2 mm se consideră în forma echivalentă b1 = b2 = ± 1 mm şi, ca urmare, Asb1 = Asb2 = - Aib1 = - Aib2 = 1 mm. Lanţul de dimensiuni care include înălţimea H = Hca a capacului mare are ecuaţia generală: H1 + b1 + H2 + b2 + H3 – H = 0. Elementul de închidere al lanţului este H, deoarece această cotă corespunde înălţimii elementului care rezultă în urma asamblării prin sudare cap la cap a flanşei cu gât, virolei cilindrice şi fundului elipsoidal.

Tabelul. 1.1. Abateri limită pentru dimensiuni liniare de tip “cote libere” (SR EN 22768-1 şi ISO 2768-1)

Clasa de toleranţă Abaterile limită pentru dimensiuni nominale (mm) Simbol Descriere (0,5;3] (3;6] (6;30] (30;120] (120;400] (400;1000] (1000;2000] (2000;4000]

f fină ±0,05 ±0,05 ±0,1 ±0,15 ±0,2 ±0,3 ±0,5 - m mijlocie ±0,1 ±0,1 ±0,2 ±0,3 ±0,5 ±0,8 ±1,2 ±2 c grosieră ±0,2 ±0,3 ±0,5 ±0,8 ±1,2 ±2 ±3 ±4 v grosolană - ±0,5 ±1 ±1,5 ±2,5 ±4 ±6 ±8



Ecuaţia lanţului de dimensiuni se utilizează în forma:

H = H1 + b1 + H2 + b2 + H3. Utilizând această ecuatie rezultă valoarea nominală a înălţimii capacului mare: H = 75+1+500+1+150 = 727 mm, iar prin aplicarea relaţiilor din grupa (1.6), cu n = 3, se obţin valorile toleranţei şi abaterilor efective la înălţimea capacului:

∑ ∑= =

+=3

1

2

1i ibiHiH TTT = (0,6 + 1,6 +1,0) + (2 + 2) = 7,2 mm;

∑ ∑= =

+=3

1

2

1i isbisHisH AAA = (0,3 + 0,8 + 0,5) + (1 +1) = +

3,6 mm

∑ ∑=

+=3 2

1i iibiiHiiH AAA = (-0,3 - 0,8 - 0,5) + (-1 -1) = -3,6 mm



5.4. Toleranţele îmbinărilor cu joc dintre elementele APR

În construcţia APR se utilizează, în mod obişnuit, asamblările /

ajustajele cu joc între elementele de aparatură (ajustajele cu strângere sau intermediare nu sunt practic întâlnite).

La stabilirea caracteristicilor ajustajelor cu joc din construcţia APR se iau în considerare următoarele particularităţi şi se aplică următoarele reguli:

Ajustajele cu joc din construcţia APR se formează între elemente realizate prin procedee tehnologice diferite (spre deosebire de ajustajele cu joc din construcţia de maşini, care se formează între piese realizate numai prin prelucrare mecanică / aşchiere).

Principalele tipuri de ajustaje cu joc întâlnite în construcţia APR sunt următoarele:



A. Ajustaj format între o piesă de tip alezaj realizată în construcţie sudată şi o piesă tip arbore realizată prin laminare; un exemplu este prezentat în figura 1.7 a.

B. Ajustaj format între o piesă de tip alezaj realizată în construcţie sudată şi o piesă tip arbore realizată, de asemenea, în construcţie sudată; un exemplu este prezentat în figura 1.7 b.

C. Ajustaj format între o piesă de tip alezaj realizată în construcţie sudată şi o piesă tip arbore realizată prin prelucrare mecanică (aşchiere); un exemplu este prezentat în figura 1.7 c.

D. Ajustaj format între o piesă de tip alezaj realizată prin prelucrare mecanică (aşchiere) şi o piesă tip arbore realizată prin laminare; un exemplu este prezentat în figura 1.7 d.



Fig. 1.7. Tipuri de ajustaje cu joc folosite în construcţia APR



Fig. 1.7. continuare. Schemă comparativă a tehnologiilor de realizare a semifabricatelor pentru flanşele plate, cu evidenţierea avantajelor realizării acestor semifabricate în construcţie sudată (flanşe sudate)



Pentru fiecare element component al ajustajului (realizat printr-un anumit procedeu tehnologic) există reguli distincte privind prescrierea abaterilor admisibile şi toleranţelor la dimensiuni (spre deosebire de piesele componente ale ajustajelor din construcţia de maşini, la care se aplică numai prescripţiile sistemului ISO de toleranţe şi ajustaje).

Având în vedere particularitatea anterioară, pentru a se evita problemele privind asigurarea jocurilor prescrise, la ajustajele cu joc din construcţia APR se folosesc două dimensiuni nominale, una pentru piesa tip alezaj şi una pentru piesa tip arbore din compunerea ajustajului (spre deosebire de ajustajele din construcţia de maşini la care se prescrie o dimensiune nominală unică pentru cele două piese care alcătuiesc ajustajul).

Pentru rezolvarea unui ajustaj cu joc din construcţia APR se parcurg următoarele etape (prezentate considerând cazul unui ajustaj de tipul celui din fig. 1.7. c, cu piesa tip alezaj realizată din tablă, prin curbare şi sudare longitudinală şi piesa tip arbore obţinută prin aşchiere):



• Se întocmeşte schema de calcul a ajustajului, aşa cum se prezintă în figura 1.8 pentru ajustajul considerat ca exemplu (schema corespunde detaliului A din fig. 1.7. c).

Fig. 1.8. Schema de calcul a unui ajustaj cu joc din construcţia APR



• Se precizează (pe bază de argumente tehnologice, constructive şi/sau funcţionale) valoarea jocului minim Jmin; în cazul exemplului considerat, Jmin se stabileşte din condiţia asigurării deplasării libere a plăcii tubulare (piesa tip arbore a ajustajului) în interiorul virolei capacului mare (piesa tip alezaj a ajustajului), în condiţiile considerării deformaţiilor de natură termică pe care le suferă cele două piese la temperaturile de regim ale schimbătorului de căldură din care fac parte).

• Se precizează valoarea dimensiunii nominale a uneia din piesele care alcătuiesc ajustajul (de obicei, a piesei care se realizează mai greu sau este mai scumpă); în cazul exemplului considerat se precizează diametrul interior al virolei capacului mare Di.

• Se stabilesc abaterile admisibile şi toleranţele la dimensiunile nominale ale celor două piese care alcătuiesc ajustajul; în cazul exemplului considerat, ţinând seama de modul de obţinere a celor două piese rezultă:



Pentru piesa tip alezaj se aplică formulele din grupul (1.2): As = +0,1s; Ai = –0,1s; TD = 0,2s;

Pentru piesa tip arbore se aplică regulile sistemului ISO (cunoscute) privind prescrierea abaterilor admisibile şi toleranţelor la piesele prelucrate prin aşchiere:

As = 0; Ai = –Td; Td = ic, în care c este cifra clasei de precizie în care se realizează dimensiunea d, iar i este unitatea de toleranţă, care se calculează (în μm) cu una din formulele (cunoscute):

mimi ddi 001,045,0 3 += , dacă d ≤ 500 mm sau 1,2004,0 += midi , dacă d > 500 mm,

dmi fiind diametrul mediu (în mm) al intervalului ISO în care se înscrie diametrul d al piesei tip arbore (Atenţie! După cum este cunoscut, dacă diamterul d al piesei analizate se află în intervalul ISO având marginile dmin şi dmax, diametrul mediu al intervalului este maxmindddmi = ).



• Se calculează valoarea jocului maxim Jmax, cu formula (v. fig. 1.8): Jmax = Jmin + TD + Td . (1.7)

• Se calculează dimensiunea nominală a celei de-a doua piese a

ajustajului; în cazul considerat ca exemplu, se determină valoarea diametrului d la care trebuie prelucrată piesa tip arbore (placa tubulară) pentru a asigura dimensiunile stabilite ale ajustajului (Jmax şi Jmin):

minmaxmin 2JTDaJADaJADd D

iisisii −+=−−+=−−+= .



6. Adaosuri şi toleranţe la operaţiile de prelucrare a semifabricatelor pentru APR

Aşa cum s-a precizat anterior, pentru realizarea elementelor componente ale APR se utilizează cu precădere semifabricate (laminate) de tip tablă, platbandă sau ţeavă.

Schema generală de prelucrare a unui astfel de semifabricat (cuprinzând succesiunea operaţiilor prin care se modifică dimensiunile semifabricatului destinat realizării unui element de APR) este prezentată în figura 1.9.

Fig. 1.9. Schema generală de prelucrare a semifabricatelor pentru APR



Folosind schema generală de prelucrare se poate întocmi schema de

calcul al adaosurilor de prelucrare a semifabricatelor pentru APR. Considerând cazul realizării (dintr-un semifabricat de tip tablă) unui element cilindric (virolă) din compunerea unui aparat şi aplicând cunoştinţele anterioare privind determinarea adaosurilor de prelucrare pentru piesele din construcţia de maşini, se obţine schema de calcul prezentată în figura 1.10. Schema de calcul se utilizează astfel:

Trebuie determinate dimensiunile de trasare ale elementului cilindric Ltr şi Htr, dimensiunile desfăşuratei virolei finite Lp şi Hp fiind cunoscute (se determină considerând valorile înscrise pe desenul de execuţie ale dimensiunilor de referinţă ale virolei):

Lp = πDm – b = π(Di + s) – b şi Hp = H .



Schema de calcul prezintă succesiunea de dimensiuni care

rezultă în cursul procesului primar de prelucrare a semifabricatului pentru aducerea la dimensiunea Lp (necesară pentru a transforma semifabricatul, prin curbare şi sudare longitudinală, în elementul de aparat dorit: trasare Ltr, debitare (tăiere) Lt şi prelucrarea marginilor Lp. Legătura dintre aceste dimensiuni successive se poate scrie astfel:

Lt = Lp + 2Anp; Ltr = Lt + c, în care Anp este adaosul nominal la prelucrarea marginilor semifabricatului (după debitare), iar c – lăţimea stratului de material îndepărtat la debitare (lăţimea tăieturii); combinând cele două relaţii, rezultă următoarea formulă (generală) pentru dimensiunea de trasare Ltr: Ltr = Lp + 2Anp + c (1.8)



Fig. 1.10. Schema de calcul al adaosurilor de prelucrare a semifabricatelor pentru APR



Pentru stabilirea adaosului nominal la prelucrarea marginilor Anp (care trebuie utilizat în relaţia de calcul a dimensiunii de trasare Ltr) se adoptă mai întâi (aşa cum se cunoaşte de la calculul adaosurilor de prelucrare pentru piesele destinate construcţiei de maşini) valoarea necesară a adaosului minim garantat la prelucrarea marginilor Amingp; adaosul Amingp trebuie să fie suficient pentru ca la operaţia de prelucrare a marginilor semifabricatului să se îndepărteze complet consecinţele operaţiei anterioare de prelucrare (debitarea) şi anume: rugozitatea suprafeţelor de tăiere Rzt, stratul de material defect din vecinătatea tăieturilor mt şi abaterile de la planeitate ale tăieturilor pt: Amingp = Rzt + mt + pt. (1.9)



Cunoscând Amingp, se calculează, aşa cum sugerează schema din figura 1.10, adaosul nominal la prelucrarea marginilor semifabricatului Anp, cu formula:

2Anp = 2Amingp + Tt , în schema din figura 1.10, Tt şi Tp fiind toleranţele la dimensiunile obţinute la debitare, respectiv, la prelucrarea marginilor semifabricatului. Mărimile Rzt, mt, pt, Tt şi c, care definesc calitatea semifabricatului debitat, se stabilesc în funcţie de procedeul de debitare utilizat (v Cap. II).



În legătură cu metodologia de calcul al adaosului la prelucrarea marginilor semifabricatelor şi de stabilirea dimensiunilor de trasare, trebuie făcute următoarele observaţii:

Schema de calcul pentru adaosurile de prelucrare şi formula de calcul pentru dimensiunile de trasare ale semifabricatului s-au conceput considerând că la operaţia debitare se foloseşte un procedeu tehnologic de debitare termică (cu consum de matarial la debitare), în formula (1.8) intervenind lăţimea tăieturii c; evident, dacă debitarea semifabricatului se face prin forfecare (fără consum de material la debitare), formula (1.8) rămâne valabilă, dar trebuie luat c = 0.



La calculul adaosului minim garantat la prelucrarea marginilor trebuia adăugată (în conformitate cu metodologia de calcul cunoscută de la realizarea pieselor pentru construcţia de maşini) şi valoarea erorii de aşezare / instalare a semifabricatului la această operaţie de prelucrare εap. Eroarea de aşezare la prelucrarea marginilor are două componente: eroarea de bazare εbp şi eroarea de fixare εfp, εap = εbp + εfp. Eroarea de bazare apare însă numai la prelucrarea loturilor mari de piese prin metoda reglării la dimensiuni şi, ca urmare, la prelucrarea marginilor semifabricatelor pentru APR (realizată în producţie de unicat sau serie foarte mică) se ia εbp = 0. La prelucrarea marginilor, semifabricatele de tip tablă sunt fixate pe masa maşinilor – unelte prin aplicarea unor forţe normale pe suprafaţa lor şi, deoarece forţele de fixare sunt normale pe direcţiile cotelor care rezultă la prelucrare, deformaţiile produse semifabricatelor (pe direcţiile cotelor care se realizează) de acţiunea acestor forţe sunt neglijabile şi se poate lua εfp = 0. Ca urmare, la prelucrarea marginilor semifabricatelor de tip tablă sau platbandă pentru APR, εap = 0 şi formula (1.9) este corectă.

Informaţii suplimentare privind stabilirea adaosurilor de prelucrare, calculul dimensiunilor de trasare şi elaborarea planurilor de debitare a semifabricatelor pentru APR sunt date în [1] p.28-30.

TCMUPR Capitolul 1

Documents

Transcript of TCMUPR Capitolul 1