Проектирование сварного резервуара объемом 5000м3 и расчёт термических циклов при наплавке на сталь С345К

Аннотация

 

В данной работе представлен  проект и расчетные значения сварного вертикального цилиндрического  резервуара объемом 5000м³. В проекте произведен выбор вида сварки, режима сварки, сварочного оборудования и материалов.

Так же в проекте были рассчитаны и построены графики термических циклов и скорость охлаждения металла  при данной температуре.

Работа содержит 38 страниц текста, 13 рисунков, 19 таблиц. Список использованной литературы содержит 23 наименования.

 

1 Проектно-конструкторская часть

 

1.1 Общая характеристика резервуаров

 

Резервуары служат для  хранения нефти, нефтепродуктов, масел, искусственного жидкого топлива, сжиженных  газов и других жидкостей. По форме  резервуары могут быть: вертикальные цилиндрические, горизонтальные цилиндрические, каплевидные, шаровые и др.

Основными элементами вертикального  цилиндрического (Рисунок 1)  резервуара являются корпус (1), днище (2), каркас покрытия и кровля (3), центральная стойка (4). Оборудование резервуара состоит из арматуры (устройства для залива, замера и выпуска жидкости, предохранительные клапаны) и приспособлений для осмотра и очистки.

 

 Рисунок 1 - Вертикальный цилиндрический резервуар

 

Расчётными элементами вертикального цилиндрического  резервуара являются стенки корпуса, каркас покрытия, вертикальная стойка. Днище, покоящиеся на песчаном основании, испытывает незначительные напряжения, поэтому на прочность не рассчитывается, а толщина его диктуется удобством и надежностью сварки и сопротивлением коррозии под действием почвенной влаги и отстоя нефтепродуктов. В зависимости от объёма резервуара V, толщину днища δ_дн можно принимать: δ_дн=4мм при V<2000 м³,  δ_дн=5мм при V=2000…5000 м³ и δ_дн=6мм при V>5000м³. Толщина крайних листов днища в той части, где к днищу крепится стенка корпуса, принимается равной 6…8 мм.

Проектирование сварного вертикального цилиндрического  резервуара выполняется в такой  последовательности:

- Выбор материала резервуара;

- Определение высоты  и диаметра резервуара;

- Расчёт и конструирование  стенки корпуса резервуара;

- Расчёт и конструирование  каркаса покрытия резервуара;

- Расчёт и конструирование  центральной стойки;

- Расчёт и конструирование  сварных соединений резервуара;

- Конструирование лестницы  резервуара;

- Разработка графической  части проекта;

1.2 Выбор материала резервуара

 

Материалом для резервуаров, работающих при пониженных температурах, служат обычно низкоуглеродистые стали, обладающие большой пластичностью, ковкостью, хорошей свариваемостью, например марки Ст3сп, Ст3пс, либо низколегированные стали, обладающие большой пластичностью и высокой прочностью, например 09Г2С. Выбор материала производят согласно СНиП II-B. 3-72,  резервуары относятся ко второй группе конструкций. Для удобства заказа стали, изготовления и монтажа все листы корпуса и днища приняты равными 1500х6000 мм независимо от толщины.

Выбираем материал сталь  Ст3сп  ГОСТ 380-2005 – конструкционная углеродистая обыкновенного качества. Рассмотрим её механические характеристики:

 

Таблица 1 – Механические характеристики материала Ст3сп [2]

Марка стали	Термическая обработка  заготовок	Предел текучести МПа	Предел прочности  МПа	Относительное Удлинение %	Относительное сужение %
Ст3сп	Нормализация	240	380	25	55

 

Коэффициент запаса прочности выберем  следующий: n = 1,5. Следовательно, допускаемое напряжение будет равно: .

Толщина днища резервуара зависит от объёма проектируемого резервуара. Объём резервуара согласно техническому заданию V= 5000 м³.  При V=2000…5000 м³ δ_дн=5мм. Толщина крайних листов днища в той части, где к днищу крепится стенка корпуса, принимается 6…8мм.

 

1.3 Определение высоты и диаметра резервуара

 

Оптимальная высота вертикального  цилиндрического резервуара со стенкой переменной толщины при расчете по предельному состоянию определяется:

[4]                                                                                                               (1)

где R’_p – расчетное сопротивление сварного шва;

m = 0,8 – коэффициент условий работы;

n_i = 1,1 – коэффициент перегрузки;

Δ – сумма толщины днища и приведённой толщины покрытия с учётом каркаса;

ρ= 0,0009 кг/см³ – плотность нефтепродуктов.

R’_p = 0,9·250 = 225 МПа

Полученные по формуле (1) значение H_опт округляют до ближайшего размера Н_д, кратное ширине листа, учитывая величину и количество нахлёсток, если предполагается соединение поясов резервуара внахлёстку. А также величину и количество отбортовок кромок, если предполагается проводить сварку с отбортовкой кромок.

Ширину листа принимаем  равной 1500 мм. С учётом нахлёстки четырех верхних поясов и учитывая, что величина нахлестки а = 30мм, высоту резервуара получаем:

H_д = 13500-4·30 = 13320мм

На основе полученной величины высоты резервуара, рассчитываем диаметр резервуара по формуле:

                                                          (2)

 

1.4 Определение толщины поясов корпуса резервуара

 

Корпус резервуара с  переменной по высоте толщиной стенки состоит из ряда поясов, высота h_п каждого из которых равна ширине листа. Вертикальное соединение листов пояса производится встык.

В настоящее время  при изготовлении резервуара принят метод рулонирования. При этом методе в заводских условиях выполняется сварка развёрток корпуса и днища, которые сворачиваются в рулоны и доставляются к месту монтажа, где производится разворачивание рулонных заготовок, сварка монтажного шва корпуса к днищу. Поскольку при методе рулонирования наибольший объём сварочных работ выполняется механизированными способами сварки, целесообразно нижние пояса корпуса сваривать встык, а верхние 3-4 пояса внахлёстку.

При заполнении резервуара жидкостью  в стенке от гидростатического давления возникают растягивающие напряжения, направленные горизонтально по касательной к окружности (рисунок 2).

Напряжения в стенке корпуса  на глубине Х определяются по формуле:

σ=                                                                                                     (3)

 

Рисунок 2 – Распределение сил и напряжений на стенке резервуара

 

Требуемая толщина каждого пояса:

 [4]                                                                                                      (4)

где, Х_i – расстояние от верхней кромки резервуара до нижней кромки i- го пояса, см;

Δ₁ =0,1 см – запас на коррозию;

Расчёт ведём с учётом запаса прочности n=1,5

Минимальная толщина  листов принимается δ_min=4 мм;

Число поясов принимаем  равным девяти.

Результаты расчётов представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты расчёта толщин поясов

№ пояса	Расчётная глубина (Х-30), см		Расчётная толщина пояса, см	Принятая толщина пояса, см		Расчётное напряжение в  поясе, МПа
9	117		0,2	0,4		36
8	261		0,3	0,4		71
7	405		0,3	0,4		106
6	552		0,4	0,4		142
5		702	0,5		0,5	143
4		852	0,6		0,6	144
3		1002	0,7		0,7	144
2		1152	0,8		0,8	145
1		1302	1,0		1,0	130

 

После определения толщины i-го пояса и определения расчётного напряжения в нём, необходимо проверить напряжения в нижнем поясе в местах сварки патрубка для слива нефтепродуктов.

Условие прочности для сечения, ослабленного отверстием, определяется по формуле:

 [4]                                                                                       (5)

где Н – высота резервуара, см;

δ₁ – толщина нижнего пояса, см;

h_п – высота пояса, см;

d- диаметр выреза, см;

Принимаем диаметр патрубка 60 мм, с размерами резьбы. Соответственно диаметр выреза принимаем равным d=60 мм. Высота пояса Н_п равняется ширине листа Н_п=150 см;

Исходя из этого, ведём  расчёт:

Вывод: условие прочности не выполняется, поэтому стенку корпуса в зоне выреза усиливаем кольцом, назначая F_к = δ·d = 1·75 = 75 см². По верхней кромке резервуара с наружной стороны установить обвязочный уголок.

 

1.5 Расчёт покрытия резервуара

 

Покрытие вертикальных цилиндрических резервуаров имеете коническую форму с уклоном 1:20 и  состоит из щитов трапециевидной формы. Щиты представляют собой каркас из профильного проката, покрытого  сверху тонкими листами (δ= 2…3 мм), и при монтаже укладываются на стропильные фермы. Стропильные фермы соединяются с корпусом при помощи опорных стоек, приваренных к стенке корпуса, другим концом стропильной фермы соединяются с центральной стойкой.

 

Рисунок 3 – Схема стропильной фермы

 

В проекте расчётным  элементом покрытия является стропильная  ферма. Количество ферм можно принять n_ф=8.

Подбор сечений стержней фермы (верхнего и нижнего поясов, раскосов, стоек) производится в следующем  порядке:

Определяется нагрузка, действующая на кровлю,

Р_кр= (Р_сн+Р_в+Р_ги+Р_лн+Р_к)·F_кр,                                                                                                    (6)                 

где  Р_сн=50…200 кг/м² – снеговая нагрузка;

       Р_в = 25 кг/м² – вакуум;

       Р_ги= 45 кг/м² – вес гидроизоляции;

       Р_лн=20 кг/м² – вес листового настила;

       Р_к=25 кг/м² – вес каркаса;

       F_кр- площадь кровли, м²;

F_кр= p×R²=371 м².

Нагрузка на одну ферму: 

                                                                                                                                     (7)

Р_кр = (150+25+45+20+25)·371 = 964кН;

Р_ф = 964/8=120,5кН

 

Рисунок 4 – Схема узловых  нагрузок

 

Расчёт нагрузок на отдельные  узлы фермы проводим из условия, что нагрузка распределяется равномерно по всей поверхности фермы (Рисунок 4). Для определения нагрузки на каждый из вертикальных стержней, необходимо определить площади отдельных секторов по формуле:

Нагрузка на узлы фермы  определяются по формуле:

P_i = P_тм · (F₁/F_c)                                                                                                                          (8)