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 5500 м³;

- тип наполняемой жидкости –  нефть.

 

1.  Определение рациональных размеров резервуара.

 

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

 ,

где V – объём резервуара, м³;

      D – диаметр резервуара, м;

      H – высота вертикальной стенки, м.

Из условия минимального расхода  стали находят оптимальную высоту стенки резервуара.

При V>2000 м³ экономичнее переменная толщина стенки:

,

где Δ – приведённая толщина  металла днища и кровли, мм (для  V=5500 м³ Δ=1,3 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=270   

               МПа для выбранной стали);

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

               продуктов;

      ρ – плотность  нефти, кг/мм² (0,9 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 Вст3сп5: σ_Т =250 МПа;

σ_В =380 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∙11 = 16,4 м.

Найдём радиус резервуара:

,

где - радиус резервуара.

Отсюда D = 22,66 м.

Найдём длину развёртки стенки:

L_ст = π∙D ,

L_ст = 3,14∙22,66 = 64,87 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 = 10∙5,99 + 1,49 + 2,99 = 64,38 м.

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

Находим окончательное значение r:

D = 20,44 м.

Определяем окончательный объём  резервуара:

Таблица 1.

V, м3	Н, м	D, м	r, м	H/D	Lрул, м
5420	1,49∙11=16,4	20,44	10,22	0,802	64,38

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:

 

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 данного резервуара вместимостью 5500 м³ применяю кровлю коническую без центральной стойки. Кровля имеет уклон 1/6-1/8. Кровля состоит из радиальных щитов с замыкающим монтажным элементом в центре.

 

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]:

.

В цилиндрической оболочке r₁ = ∞, тогда:

,

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.:

.

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	11,5	2,4	13,9	0,657	4	6
2	2,68	26,02	2,4	28,42	1,34	4	6
3	4,17	40,5	2,4	42,9	2,02	4	6
4	5,66	54,96	2,4	57,36	2,71	4	6
5	7,15	69,44	2,4	71,84	3,39	4	6
6	8,64	83,91	2,4	86,31	4,08	5	7
7	10,13	98,38	2,4	100,78	4,76	5	7
8	11,62	112,85	2,4	115,25	5,45	6	8
9	13,11	127,32	2,4	129,72	6,13	7	9
10	14,6	141,79	2,4	144,19	6,82	7	9
11	16,1	156,264	2,4	158,664	7,5	8	10

 

Расчёт  кольцевых напряжений из условия формулы (11):

11).

МПа;

1).

МПа;

- условие прочности выполняется.

 

 

 

3.2. Расчёт стенки резервуара  на устойчивость.

 

Проверку устойчивости производят по формуле:

,

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: ,

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 = 10220/4=2555} = 0,06.

11).

МПа;

10-9).

МПа;

8).

МПа;

7-6).

МПа;

5-1).

МПа;

Кольцевые критические напряжения: ,

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.

 

11).

МПа;

10).

МПа;

9).

МПа;

8).

МПа;

7).

МПа;

6).

МПа;

5).

МПа;

4).

МПа;

3).

МПа;

2).

МПа;

1).

МПа.

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].