Основы расчета корпуса вертикального цилиндрического резервуара на прочность

1. Основы расчета  корпуса  вертикального цилиндрического  резервуара на прочность.

Резервуарами называют сосуды, предназначенные для приёма, хранения, технологической обработки и отпуска нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов, жидкого аммиака, технического спирта и других жидкостей (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Вертикальный цилиндрический резервуар.

По расположению относительно планировочного уровня строительной площадки различают: надземные (на опорах); наземные; полузаглублённые и подземные резервуары.

Тип резервуаров выбирают в зависимости от свойств хранимой жидкости, режима эксплуатации, климатических особенностей района строительства.

Наибольшее удельное значение в числе хранимых жидкостей имеют нефть и продукты её переработки. Во время хранения происходит испарение и потеря наиболее летучих, самых ценных компонентов. Кроме прямых убытков это явление оказывает вредное воздействие на окружающую среду. Потери нефтепродуктов происходят главным образом вследствие больших и малых дыханий резервуаров.

Вертикальные цилиндрические резервуары делятся на:

1. вертикальные цилиндрические резервуары низкого давления;

Для хранения сырой нефти с низким потенциалом бензина, отбензиненной нефти, керосина, дизельного топлива, мазута, и тёмных нефтепродуктов применяют резервуары, рассчитанные в газовом пространстве до 2 кПа.

2. вертикальные цилиндрические резервуары повышенного давления;

Для хранения бензина и сырой нефти с высоким потенциалом бензина применяют резервуары повышенного давления – до 70 кПа, или резервуары с плавающими крышами (понтонами).

1) По конструктивным особенностям вертикальные цилиндрические резервуары низкого давления делятся на следующие типы (рис. 1.2):

а) резервуар со стационарной крышей без понтона;

б) резервуар со стационарной крышей с понтоном;

в) резервуар с плавающей крышей.

Рис. 1.2 – Типы резервуаров

1 – каркас крыши; 2 –  пояса стенки; 3 – промежуточные  кольца жёсткости; 4 – кольцо окраек; 5 – центральная часть днища; 6 – понтон; 7 – опорные стойки; 8 – уплотняющий затвор; 9 – «катучая» лестница; 10 – плавающая крыша; 11 – верхнее кольцо жёсткости (площадка обслуживания) .

 

 

 

 

Рис. 1.3. Фасад и разрез вертикального цилиндрического резервуара вместимостью 5000 м3.

Рис. 1.4. Днища вертикальных цилиндрических резервуаров вместимостью 5000 м3 (слева) и 10000 м3 (справа).

Рис. 1.5. Резервуар вертикальный стальной

2) Резервуары повышенного давления применяются для хранения легкоиспаряющихся нефтепродуктов, например бензина. Резервуары повышенного давления наиболее экономичны при длительном хранении нефтепродуктов (оборачиваемость не более 10-12 раз в год). Для эффективной борьбы с потерями бензина в паровоздушной среде создается избыточное повышенное давление 10-70 кПа. В связи с этим необходимо специальное конструктивное оформление и прежде всего крыши резервуара, которая выполняется торосферической или сфероцилиндрической. Наиболее часто применяется сфероцилиндрическая крыша (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Вертикальный цилиндрический резервуар повышенного давления со сферической крышей.

Особенностью такой крыши является то, что она состоит из цилиндрических лепестков, образующих поверхность, близкую к поверхности вращения. Лепестки вальцуются только в меридиональном направлении. Между сфероцилиндрической поверхностью и стенкой имеется торовая вставка, также имеющая кривизну только в меридиональном направлении.

Радиус кривизны сферической крыши равен радиусу кривизны цилиндрической стенки, а радиус кривизны торовой вставки принимается равным  . Такое решение значительно проще и дешевле сферической крыши, требующей вальцовки листов в двух направлениях. Так как нижняя кромка крыши в плане образует многоугольник, то сопряжение стенки с крышей выполняется с помощью свальцованного швеллера, служащего одновременно и верхним кольцом жесткости.

Плоское днище и стенка рулонируются так же, как и для резервуаров низкого давления.

Еще одна особенность таких резервуаров связана с возможностью подъема стенки от избыточного давления в паровоздушной среде при незначительном количестве жидкости в резервуаре. Для устранения отрыва краев днища от песчаного основания нижняя часть корпуса снабжена грунтовым противовесом в виде анкеров с железобетонной плитой снизу (см. рис. 1.6).

Конструкция и расчет основных несущих элементов в цилиндрическом резервуаре повышенного давления - стенки, сопряжения стенки с днищем, сферической части крыши — не отличается от приведенных ранее. Исключение составляет торовая часть кровли. От внутреннего избыточного давления торовая часть в меридиональном направлении растягивается, а в кольцевом сжимается, вследствие чего при критических нагрузках возникает опасность потери устойчивости.

К резервуарам повышенного давления относятся также изотермические резервуары для хранения при постоянной отрицательной температуре сжиженных газов, например жидкого аммиака (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Изотермический резервуар объемом 20 000 м3 с двойной стенкой

а – фасад внутреннего резервуара; б – фасад наружного резервуара

Общие положения расчета элементов вертикальных цилиндрических резервуаров на прочность.

Расчёт конструкций резервуаров выполняют по предельным состояниям. При возведении и эксплуатации на конструкции резервуара действуют постоянные и временные (длительные, кратковременные, особые) нагрузки. К постоянным нагрузкам относят нагрузки от собственного веса элементов конструкций резервуаров. К временным длительным нагрузкам относят:

- нагрузку от веса стационарного оборудования;

- гидростатическое давление хранимого продукта;

- избыточное внутреннее давление или относительное разрежение в газовом пространстве резервуара;

- снеговые нагрузки с пониженным нормативным значением;

- нагрузку от веса теплоизоляции;

- температурные воздействия;

- воздействия от деформаций основания, не сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта.

К временным кратковременным нагрузкам относят:

- ветровые нагрузки;

- снеговые нагрузки с полным нормативным значением;

- нагрузки от веса людей, инструментов, ремонтных материалов;

- нагрузки, возникающие при изготовлении, хранении, транспортировании, монтаже.

К особым нагрузкам относят:

- сейсмические воздействия;

- аварийные нагрузки, связанные с нарушением технологического процесса;

- воздействия от деформаций основания, сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта.

При определении нагрузки от собственного веса элементов конструкций резервуара следует использовать значения номинальной толщины элементов. При проверке несущей способности указанных элементов конструкций резервуара используют значения расчётной толщины элементов. Несущие конструкции вертикальных цилиндрических резервуаров рассчитывают по предельным состояниям в соответствии со строительными нормами и правилами СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*», ГОСТ 23118-2012 "Конструкции стальные строительные. Общие технические условия", СНиП 3.03.01-87 "Несущие и ограждающие конструкции" (в части монтажа стальных конструкций), с учетом дополнительных требований по СП 43.13330.2012 «Сооружения промышленных предприятий. Актуализированная редакция СНиП 2.09.03-85». В соответствии с ним стенки и окрайки днищ резервуаров вместимостью 10 тыс. м3 и более, фасовки крыш резервуаров отнесены к 1-й группе конструкций. Ко 2-й группе отнесены стенки и окрайки днищ резервуаров вместимостью менее 10 тыс. м3, покрытия, опорные кольца покрытия и кольца жесткости, центральные части днищ, понтона и плавающие крыши резервуаров всех вместимостей.

Дополнительно также принимают коэффициенты условий работы m равными: для стенок вертикальных цилиндрических резервуаров при расчете на прочность (нижний пояс - 0,7, остальные пояса - 0,8); для сопряжения стенки с днищем - 1,2; для стенки резервуаров при расчете на устойчивость - 1; для сферических и конических покрытий распорной конструкции при расчете по безмоментной теории - 0,9.

Коэффициенты надежности по нагрузке n принимают равными: от избыточного давления и вакуума - 1,2; от гидростатического давления жидкости - 1,1; от ветровой нагрузки на вертикальную поверхность цилиндрических резервуаров при расчете на устойчивость - 0,5 (при этом ветровую нагрузку условно принимают равномерно распределенной по окружности); от снеговой нагрузки на сферические крыши резервуаров - 0,7.

Названные нормы не распространяются на проектирование резервуаров: для нефтепродуктов с упругостью паров выше 93,6 кПа при температуре +20°С; для нефтепродуктов, хранящихся под внутренним рабочим давлением выше атмосферного на 70 кПа.

 

 Стенка корпуса является несущим элементом резервуара и рассчитывается по методу предельных состояний в соответствии с требованиями СП 16.13330.2011. Нормативные нагрузки, действующие на стенку резервуара, а также коэффициенты перегрузки принимают в соответствии со СНиП 2.01.07-85*. Кроме этого, принимают дополнительные коэффициенты перегрузок и условий работы, не содержащиеся в СНиП: для избыточного давления и вакуума n2=1,2; при расчете подъема стенки резервуара от избыточного давления и отсоса от ветровой нагрузки n3= 0,9; при расчете стенок на прочность = 0,8; при расчете стенок на устойчивость =1; при расчете сопряжения стенок с днищем и других зон краевого эффекта =1,6.

Стенку резервуара рассчитывают на прочность по безмоментной теории как цилиндрическую оболочку, работающую на растяжение от действия гидростатического давления жидкости и избыточного давления газа. Расчетное давление на глубине х от днища резервуара равно:

Px=γж(h-x)n1+Pиn2,        (1.1)

где n1 = 1,1 - коэффициент перегрузки для гидростатического давления; n2 = 1,2 - коэффициент перегрузки для избыточного давления в паровоздушной смеси Ри; - удельный вес жидкости.

В цилиндрической оболочке кольцевые напряжения в 2 раза больше меридиональных, поэтому, исходя из этого, можно определить толщину цилиндрической стенки корпуса резервуара на расстояниях х от днища:

 

 t=[n1γж(h-x)+n2Pи]r2/γRсв,          (1.2)

Прогиб стенки (радиальное перемещение) определяется по нормативному давлению:

y=∆t=[γж(h-x)+Pи]r2/Et=Pr22/Et=P/k

где k=Et/ r22 - коэффициент постели.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Металлические  силосы (конструктивные формы, работа  и особенности расчета).

Силосы - емкости для хранения и перегрузки сыпучих материалов (рис. 2.1).

Хранилища, в которых высота стенки не превосходит полуторного наименьшего поперечного размера, называют бункерами. Более высокие хранилища называют силосами. Силосы применяют исключительно круглыми в плане.  Рекомендуемые формы бункеров и силосов: пирамидально-призматические, конусно-цилиндрические, лотковые, параболические.

Силосы выполняются открытого и закрытого типа. Открытые силосы дешевле закрытых, но их применяют только для материалов, не поддающихся воздействию атмосферных осадков и не выделяющих пыль, вредную для здоровья людей и окружающей среды.

 

Рис. 2.1. Чертеж силоса.

Загружают силосы механическим или пневматическим способом через отверстия в верхнем перекрытии. Разгрузка производится под действием массы сыпучего материала при открывании выпускных отверстий. Для улучшения условий разгрузки силосы заканчиваются снизу суживающейся частью, называемой воронкой.  Наименьший угол наклона стенки воронки 5-10°превышает угол естественного откоса сыпучего материала.

В зависимости от вида разгрузочного устройства и механических характеристик сыпучего материала выпускные отверстия силосов могут иметь круглую, квадратную, прямоугольную или вытянутую щелевую форму в плане. Размер выпускного отверстия:

a0=k(b+80)tgφ,              (2.1)

где a0 – сторона квадрата или диаметр D выпускного отверстия, мм; k=2,4…2,6 – опытный коэффициент; b – максимальный размер кусков сыпучего материала, мм; φ – угол естественного откоса сыпучего материала, град.

Размеры выпускных отверстий a0 изменяются от 300 (для сухого песка) до 1500 мм (для крупной руды, скрапа, угля-плитняка).

Для строительства круглых силосов средних размеров обычно используются гофрированные металлические листы. Такие листы по сравнению с плоскими более прочны на разрыв и изгиб.

С точки зрения относительной толщины стен таких силосов важно, что на эти стены не оказывается вторичного давления.

Силосы из гофрированных металлических листов армируют вертикальными стержнями, устанавливаемыми снаружи и передающими давление на стену, а собственную массу — на бетонный фундамент. При необходимости теплоизоляции снаружи силоса устанавливают аналогичную вторую стену, которую крепят на болтах к вертикальным стержням.

Выпускные воронки силосов могут быть из металла или бетона, коническими или плоскими. Гофрированные листы, используемые для этих силосов, предварительно оцинковывают, а толщина листов изменяется в зависимости от высоты и диаметра силоса. Болты, гайки, вертикальные стержни и все другие металлические части также покрывают цинком, как при использовании в морских конструкциях. В зависимости от погодных условий и химического загрязнения воздуха такие конструкции служат около 15 лет.

Для распределения вертикальных нагрузок на возможно большую бетонную поверхность вертикальные стержни обычно опираются на фундаментные плиты. После того как силос будет полностью сварен, полые вертикальные балки можно заполнить бетоном, что повысит их несущую способность. Крышу силоса так же собирают из рифленых металлических панелей заводского изготовления, сваривая их вместе по всей длине. Эта система сборки позволяет группировать несколько силосов в одну батарею, что обеспечивает максимальную вместимость хранилища при минимальной занимаемой площади. После завершения процесса конструкция поднимается с помощью любого подъемного механизма.

Наиболее существенным недостатком металлических силосов с незащищенными компонентами или с недостаточной защитой является их коррозия. Поэтому необходимо принимать меры для защиты заводского покрытия от повреждения при транспортировке и сборке этих конструкций.

Коррозия начинается сразу же, как только покрытие повреждено, например, когда сборочные элементы часто переставляют с места на место или когда болты или гайки закрепляют плохо подогнанным инструментом.