Проектирование сферического резервуара

     Введение 

     В решении задач научно-технического прогресса важное место принадлежит сварке. Сварка является технологическим прогрессом, широко применяется практически во всех отраслях народного хозяйства. С применением сварки создаются речные суда, шахты, доменные печи, котлы, резервуары, трубопроводы различного диаметра и протяжённости, атомные электростанции и многое другое.

     Сварка внесла коренные изменения в конструкцию и технологию производства многих изделий. При изготовлении металлоконструкций, прокладке трубопроводов, установки технологического оборудования на сварку приходится четвёртая часть строительно-монтажных работ. 

1 Общая часть 

     1.1 Оболочковые конструкции 

     Оболочковые конструкции разделяют на две группы. К первой группе относятся резервуары и другие изделия, предназначенные для хранения невзрывоопасных и неядовитых жидкостей и газов при давлении Р=0,005 МПа, температуре Т=100оС, эти конструкционные узлы изготавливают согласно общим правилам проектирования и требованиям эксплуатации промышленных сооружений. Ко второй группе относят котлы, работающие под высоким давлением эксплуатация которых находится под особым наблюдением. Нас интересует группа оболочковых конструкций, в частности газгольдеры постоянного объёма в сферической форме. 

     1.2 Сферический резервуар 

     Газгольдеры постоянного объёма могут быть со сферическим днищем, а так же в форме сферы. При замене цилиндрически резервуаров сферическими достигается экономия металла около 20%. В таких резервуарах соединение листов стыковое. Толщина листов обычно составляет 20…30мм и как правило не превышает 40мм. Это ограничение толщи диктуется отсутствием термообработки конструкции после сварки.

     Напряжение в стыке сферического резервуара определяют по той же формуле что и для цилиндрического, но это напряжение в два раза меньше, при тех же радиусах и толщин стенок. Поэтому конструкции резервуаров несколько схожи. 

 

      2 Выбор материала 

     Для хранения дизеля проектируем сферический резервуар. Обычно используют стали марок Ст2, Ст3сп, а так же низкоуглеродистые стали. Проектируемый резервуар располагается в г.Одесса, где колебание температур составляют от-40 до +20. Данным климатическим условиям соответствует Ст3сп, т.к. охватывает диапазон температур от -40 до +200 оС.

     Данная сталь отличается увеличенным диапазоном вязкости и сниженной степенью к старению. Химические и механические свойства стали приведены в таблице 1. 

     Табл.1- Состав и свойства стали

       

     Ст3сп хорошо сваривается, при этом сварные швы обладают необходимой стойкостью к образованию кристаллизационных трещин, в следствии пониженного содержания углерода.

     Ст3сп сравнительно недорогая, поэтому целесообразно её использование. 

3 Расчётная часть 

     3.1 Назначение размеров резервуара 

     Геометрические параметры резервуара: 

       

     где R- радиус резервуара, м ;

     V- объём резервуара, м3 . 

       

     3.2 Расчёт боковой стенки резервуара 

     Расчёт боковой стенки резервуара проводим аналогично оболочке, работающей на растяжение от гидростатического давления: 

       

     где - допускаемое напряжение на основной металл. 

       

     n - коэффициент запаса прочности, для cферических резервуаров;

      - коэффициент снижения допускаемых напряжений на сварные соединения по сравнению с допускаемым напряжением на основной металл. 

       

     3.3 Расчёт стоек резервуара 

     Общая нагрузка на стойки: 

       

     где - вес жидкости;

      - вес кровли. 

       

     где - толщина металла, м. 

       

     Рн - вес нижней части резервуара, Н;

     Рв - вес верхней части резервуара, Н. 

       

     S - площадь шара, м2;

     ρ- плотность Ст 3сп. 

       

     Подбираем сечение стойки. Для этого предварительно определяем момент инерции: 

       

     где d и D - соответственно внутренний и наружный диаметры стойки.

     

     Меньший радиус инерции: 

       

     где F- площадь поперечного сечения стойки, см2. 

       

     Гибкость стойки 

       

     где - высота стойки, см.

     По таблице 10.1 [2,стр. 308] в зависимости от гибкости определяем коэффициент продольного изгиба

     Напряжение в стойке 

       

     где n=12- количество стоек

     Сечение подобрано верно. 

     3.4 Расчёт сварных соединений 

     Подбор катетов швов определяем исходя из допускаемых касательных напряжений.

     Катет шва между сферой и стойкой: 

       

     где 

       

     

      - коэффициент для определения расчётной толщины углового шва.

     Условие соблюдается, поэтому сохраняем катет К=9 мм.

     Катет шва: 

     

где F- сила, действующая на данную площадь, Н. 

       

     3.5 Расчёт резервуара на опрокидывание 

     Условие устойчивости

     Опрокидывающий момент 

       

     где =35кг/м2 - ветровой напор

      =1.6- аэродинамический коэффициент 

       

     S - площадь стенки резервуара на которую действует ветровой поток.

     h - высота от верхней точки резервуара до земли.

     

     Удельный момент: 

       

       

     Условие соблюдается. Резервуар не опрокинется под напором ветра. 

 

      4 Технологическая часть 

     4.1 Заготовки для сферических резервуаров 

     При раскроях и толщине до 30мм сферическую поверхность заготовкам придают горячей штамповкой.

     При толщине до 22мм лепестки получают холодной вальцовкой с помощью специального многовалкового стенда. Заготовки перед вальцовкой собирают из листов и сваривают автоматической сваркой под флюсом. Исходную форму заготовке придают газовой резкой по шаблону-копиру. Поскольку размеры полученных после вальцовки лепестков превышают размеры железнодорожного состава, их после контрольной сборки разрезают на две неравные части и выпуклостью вниз укладывают в специальные контейнеры для перевозки к месту монтажа.

     Элементы поставленные с завода на монтаже собирают в блоки. Сварку блоков выполняют в нижнем положении под флюсом. 

     4.2 Сборка сферических резервуаров 

     Сферические резервуары можно собирать по нескольким схемам. По первой схеме полюсный элемент закрепляют на центральной стойке стенда. Блоки, сваренные из двух лепестков, устанавливают по упорам Сборку выполняют с использованием сборочных шайб, приваренных к лепесткам при контрольной сборке на заводе, и типовых клиновых сборочных приспособлений. Сборка завершается укладкой непрерывных прихваточных швов, уплотняющих стык для последующей автоматической сварки под флюсом. По второй схеме полусферу собирают при горизонтальной ориентации блоков. Собранную полусферу кантуют и устанавливают на временную опору. Вторую полусферу после сборки устанавливают на первую и выполняют ручной подварочный замыкающий шов. По третьей схеме осуществляют сборку всей сферы последовательным наращиванием.

     Резервуар объемом 2000м3 собирают «вертикальным методом». Основной для временного закрепления днища и купола оболочки резервуара служит центральная стойка. Сборку полюсных блоков с центральной стойкой производят в кондукторе. Здесь же устанавливают кольца жесткости, прикрепляемые раскосами к стойке.

     Собранную центральную стойку устанавливают на неподвижную опору. На стойке закрепляют параллелограммный механизм подъемной люльки, которая может перемещаться в вертикальной плоскости и вокруг оси стойки.

     Первый блок поднимают в вертикальное положение, устанавливают на ловители днища и с помощью сборочных планок и клиньев прикрепляют к купольной част и днищу. После установки и закрепления очередного блока с наружной стороны оболочки временно подводят опорную стоку, которая частично воспринимает вес блока. Для сохранения формы блоков процессе монтажа в него вваривают трубу жесткости. Центральная стойка и другие вспомогательные элементы демонтируются и удаляются по частям через люк-лаз купола после установки последнего замыкающего блока и окончания ручной сварки всех блоков между собой прихваточным швом с внутренней стороны резервуара. 

     4.3 Сварка сферических резервуаров 

     После завершения сборки резервуар устанавливают на манипулятор и автоматической сваркой под флюсом выполняют наружные и внутренние швы. В манипуляторе Кудрявцева опорные неприводные катки, не препятствующие вращению сферического резервуара в любом направлении, расположены на шарнирных опорах и обеспечивают прижатие к резервуару двух пар приводных катков с раздельными приводами. Включение приводов рабочих катков в одном или в противоположных направлениях с одинаковыми или различными скоростями обеспечивают возможность вращения резервуара вокруг любой его оси и позволяет выполнять меридиональные и широтные швы, а также переходить от одного шва к другому.

     Манипуляторы другого типа обеспечивают вращение сферического резервуара только в плоскости приводных роликов. Переход к другой плоскости вращения осуществляется разворотом манипулятора в горизонтальной плоскости с предварительным опусканием резервуара на временные опоры.

     Форма разделки кромок и последовательность ее заполнения зависят от толщины стенки резервуара. При толщине стенки 16мм применяют двустороннюю автоматическую сварку без разделки кромок. Первый шов выполняют с внутренней стороны оболочки по ручному подварочному слою, второй шов - снаружи. При толщине оболочки 34мм большинство слоев укладывают с наружной стороны.

     Применение манипуляторов позволило основной объем сварочных работ при монтаже резервуара выполнить автоматической сваркой. Однако очевидны и серьезные недостатки такой технологии. Для обеспечения работы только одного сварочного автомата необходимо вращать огромную и тяжелую конструкцию, используя при этом сложные манипуляторы. В результате действия сосредоточенных сил от опор имеет место изменение формы оболочки при вращении, что даже при использовании надувных роликов не позволяет сооружать таким образом резервуары объемом более 2000 м3.