Проектирование вертикального цилиндрического резервуара

1. ВВЕДЕНИЕ.

 

Вертикальные цилиндрические резервуары для хранения невзрывоопасных и неядовитых жидкостей и газов относятся к первой группе оболочковых конструкций. Их изготовляют согласно общим правилам проектирования и требованиям эксплуатации промышленных сооружений [2].

Сварные листовые конструкции типа резервуаров являются основным видом  хранилища для нефти, нефтепродуктов и воды. Они занимают значительное место в общем объёме монтажно-сварочных  работ, выполняемых при сооружении современных промышленных объектов. Основными особенностями этих металлоконструкций являются значительные геометрические размеры – порядка десятков метров, большая, исчисляемая километрами, протяженность сварных швов, к плотности и прочности которых предъявляются высокие требования, использование для изготовления всех основных элементов листовой стали сравнительно небольших величин.

В зависимости от объема и места  расположения резервуары подразделяются на три класса: класс I - особо опасные  резервуары: объемом 10 000 м и более, а также резервуары объемом 5000 м и более, расположенные непосредственно по берегам рек, крупных водоемов и в черте городской застройки;

класс II - резервуары повышенной опасности: объемом от 5000 до 10 000 м ;

класс III - опасные резервуары: объемом  от 100 до 5000 м [5].

Конструкции резервуаров весьма разнообразны. Выделяют следующие основные типы (рис. 1):

а) с конической кровлей и центральной  стойкой;

б) с конической кровлей без центральной  стойки;

в) со сферической кровлей (для резервуаров  объёмом более 5000 м³);

г) с плавающей кровлей [4].

Перечисленные типы резервуаров относятся  к резервуарам низкого давления и предназначены для хранения воды и нефтепродуктов с низкой упругостью пара («тёмные» нефтепродукты), внутреннее давление в них не превышает 2000 Па, вакуум – 400 Па. Резервуары с плавающей кровлей могут также применяться и для хранения «светлых» нефтепродуктов, таких как автомобильный и авиационный бензин.

 

2. КОМПОНОВКА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ  РЕЗЕРВУАРА.

 

Компоновка выполняется в соответствии с заданием:

-объём 3500 м³;

- тип наполняемой жидкости –  вода;

- тип кровли – коническая  без центральной стойки.

 

1. Определение рациональных размеров резервуара.

 

Генеральными размерами резервуара являются диаметр резервуара и высота вертикальной стенки. При заданном объёме эти величины связаны между собой соотношением:

(1),

где V – объём резервуара, м³;

      D – диаметр резервуара, м;

      H – высота вертикальной стенки, м.

V=3500 м³. Резервуар относится к классу III - опасные резервуары: объемом от 100 до 5000 м [5].

Из условия минимального расхода  стали находят оптимальную высоту стенки резервуара.

При V>2000 м³ экономичнее переменная толщина стенки:

(2),

где Δ – приведённая толщина  металла днища и кровли, мм (для V=3500 м³ Δ=1,1 мм) [4];

      γ_С1=0,8 – коэффициент условий работы стенки при расчёте на прочность;

      R_wy – расчётное сопротивление для вертикального сварного шва стенки (R_wy=R_y=290   

               МПа для выбранной стали);

      γ_f2=1,1 – коэффициент надёжности по нагрузке для гидростатического давления

               продуктов;

      ρ – плотность  воды, кг/мм² (1 т/м³) [4];

Ry - расчетное сопротивление металла стенки, которое определяется по таблицам [6]  в зависимости от марки стали, ГОСТа, толщины листов, МПа.

За толщину листов при определении Ry можно приближенно принимать приведенную толщину Δ.

Марку стали выбираем в зависимости от группы конструкций, климатического района строительства и типа хранимой жидкости.

Выбираем низколегированную сталь марки 09Г2Д ГОСТ 19281-89 [6]: σ_Т = 305 МПа;

σ_В = 450 МПа.

 

Полученное значение Н_опт должно быть скорректировано с учётом следующего: высота стенки должна быть кратной высоте пояса листовой стали 1490 мм (1500 мм за вычетом 2∙5 мм на строжку кромок) при сварке всех поясов встык. Примем высоту с учётом кратности:

Н = 1,49∙10 = 14,9 м.

Найдём радиус резервуара:

(3),

где - радиус резервуара.

Отсюда D = 17,3 м.

Найдём длину развёртки стенки:

L_ст = π∙D (4),

L_ст = 3,14∙17,3 = 54,3 м.

Округляем полученное значение в большую  сторону до размера, кратного длине  листа 5990 мм (после строжки); можно  также использовать ½ или ¼  стандартного листа (2990 мм или 1490 мм). В данном случае используем 9 и ¼ стандартного листа. При этом в монтажном стыке рулона стенки резервуара предусматриваем нахлёстку по 100 мм в обе стороны от оси стыка для облегчения достижения плавности круговой формы в этом месте. Находим окончательную длину рулона:

L_рул = 9∙5,99 + 1,49 = 55,4 м.

Вес рулона стенки составляет 35 т, что  не превышает 50-60 т, то есть стенка выполняется одним рулоном [1].

Находим окончательное значение r:

D = 17,58 м.

Определяем окончательный объём  резервуара:

Таблица 1.

V, м3	Н, м	D, м	r, м	H/D	Lрул, м
3615	1,49∙10=14,9	17,58	8,79	0,848	9,25∙5,99=55,4

Основные размеры резервуара.

 

 

 

2.2. Проектирование днища резервуара.

 

Днище резервуара укладывается на уплотненную  песчаную подушку высотой 200 - 300 мм, покрытую гидрофобным слоем. Днищу придаётся уклон от центра к краям 1-2% для сбора воды и отстоя. Толщина днища принимается 5 мм (при ёмкости резервуара > 3000 м³). По краям днища принимаются более толстые листы (окрайки), их толщина принимается:

(7)

Окрайки днища должны выступать  за кромку стенки на 50 мм. Между собой  окрайки свариваются встык, а  со средней частью днища – внахлёст. В месте описания стенки поверхность окрайков должна быть гладкой [1].

Средняя часть днища состоит  из двух совершенно одинаковых полотнищ с монтажным стыком посередине внахлёст (50-60 мм). Радиальная ширина окрайки должна обеспечивать расстояние между внутренней поверхностью стенки и швом приварки центральной части днища не менее 300 мм [5].

 

 

 

3.  Проектирование кровли резервуара.

 

Для резервуаров вместимостью до 5000 м³ применяется кровля коническая без центральной стойки. Кровля имеет уклон 1/6-1/8. Кровля состоит из радиальных щитов с замыкающим монтажным элементом в центре. Используем 18 щитов с шириной щита у стенки 3,07 м.

 

3. РАСЧЁТ КОНСТРУКЦИИ РЕЗЕРВУАРА.

 

После выполнения общей компоновки резервуара производится расчет его  конструкции на прочность и устойчивость. Расчет конструкции резервуара производится по предельному состоянию в соответствии со  СНиП П-23-81 [6] .

 

3.1. Расчёт стенки резервуара  на прочность.

 

Нормальные напряжения в стенке определяются по безмоментной теории. При двухосном напряжённом состоянии  в оболочке возникает меридиональное напряжение σ₁  и кольцевое напряжение σ₂ (рис. 2). Они связаны между собой уравнением Лапласа [2]:

(8).

В цилиндрической оболочке r₁ = ∞, тогда:

(9),

где r₂ = r –радиус резервуара;

  S_ст  – толщина стенки резервуара.

При расчёте по первому предельному  состоянию:

 

где - удельный вес хранимой жидкости, н/мм³;

       Р_изб – избыточное давление паров, МПа;

       y_i – расстояние от верха стенки до нижней кромки i-го пояса за вычетом 300 мм;

      - расчетное сопротивление растяжению сварного стыкового шва, МПа.

Определим из формулы (12) требуемую толщину поясов при Р_изб ≠ 0, т.e.:

(13).

Определив требуемые толщины поясов, округляем их до ближайших больших значений толщин листовой стали по сортаменту. Расчет ведется от нижнего пояса к верхнему.

Результаты расчётов сводятся в  табл. 2.

Таблица 2.

Толщина поясов стенки.

i	yi, м	γ ∙ γf2 ∙ yi, КПа	Pизб ∙ γf3, КПа	γ ∙ γf2 ∙ yi + Pизб ∙ γf3, КПА	Sст треб., мм	Sст округл., мм	Sст окончат., мм
1	1,19	13,09	2,4	15,49	0,5	4	5
2	2,68	29,48	2,4	31,88	1,2	4	5
3	4,17	45,87	2,4	48,27	1,8	4	5
4	5,66	62,26	2,4	64,66	2,4	4	5
5	7,15	78,65	2,4	81,05	3,1	4	5
6	8,64	95,04	2,4	97,44	3,7	4	5
7	10,13	111,43	2,4	113,83	4,3	5	5
8	11,62	127,82	2,4	130,22	4,9	5	6
9	13,11	144,21	2,4	146,61	5,6	6	6
10	14,6	160,6	2,4	163	6,2	7	7

 

Расчёт  кольцевых напряжений из условия  формулы (11):

 МПа (для пояса 10)

 МПа (для пояса 9)

 МПа (для пояса 8)

 МПа (для пояса 7)

 МПа (для пояса 6)

 МПа (для пояса 5)

 МПа (для пояса 4)

 МПа (для пояса 3)

 МПа (для пояса 2)

 МПа (для пояса 1)

Условие прочности выполняется.

 

 

 

 

3.2. Расчёт стенки резервуара  на устойчивость.

 

Проверку устойчивости производят по формуле:

(14),

где и - соответственно критические меридиональные и кольцевые напряжения;

- коэффициент условий работы  для стенки берётся по табл. 5 [4];

σ₁ и σ₂  - соответственно расчетные меридиональное и кольцевое   напряжения в стенке.

Меридиональные критические напряжения: (15),

где Smin - минимальная толщина верхних поясов стенки, мм;

      С - коэффициент, зависящий от соотношения   r/S_min берется по табл. 7 [4];

      r – радиус резервуара, мм;

      Е - модуль упругости материала стенки, МПа.

Е = 2,1 ^. 10⁵ МПа.

С = {r/Smin = 8790/4=2197,5} = 0,062.

 МПа (для пояса 10)

 МПа (для пояса 9)

 МПа (для поясов 7-8)

 МПа (для поясов 1-6)

Кольцевые критические напряжения: (16),

где h - высота стенки;

    S_cр - средняя толщина cтенки на расчетном участке, мм.

Так как в данном случае толщина  стенки переменная, то принимаем: h = H - 0,33∙h_пер.

 МПа (для пояса 10)

 МПа (для пояса 9)

 МПа (для пояса 8)

 МПа (для пояса 7)

 МПа (для пояса 6)

 МПа (для пояса 5)

 МПа (для пояса 4)

 МПа (для пояса 3)

 МПа (для пояса 2)

 МПа (для пояса 1)

Определим σ₂.

Технологический вакуум Р_вак вызывает в стенке одновременно кольцевое и меридиональное сжатие. Кроме технологического вакуума, нагрузкой, вызывающей в стенке сжимающие кольцевые напряжения, является воздействие ветра (рис. З), которое образует на  стенке (вследствие обтекания) неравномерную эпюру сил. При этом на небольшом протяжении периметра действует сжатие, а на большей части его - растяжение, вызванное отсосом.

Расчет на воздействие ветра  при сложной эпюре затруднителен, поэтому для стенки принимается значение ветровой нагрузки в виде равномерного сжатия, равное q_в и умноженное на аэродинамический коэффициент С₂ = 0,5, характеризующий "условный вакуум". Величина q_в берется по табл. 8 [4].