close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

767.Панин А.В.Вертикальные цилиндрические резервуары

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего образования
«Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»
А.В. Панин
ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ РЕЗЕРВУАРЫ
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Учебное пособие
для студентов, обучающихся по направлениям
08.03.01 «Строительство», 08.05.01 «Строительство уникальных зданий
и сооружений», 21.03.01 «Нефтегазовое дело»,
13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»
Воронеж- 2015
1
УДК 38.728 я 73
ББК 38.728я75
П156
Рецензенты:
кафедра «Металлические конструкции»
Липецкого государственного университета
(зав. кафедрой – д. т. н., проф. В.В. Зверев);
В.Е. Фирсов, генеральный директор УСК «Спецстальтехмонтаж»
П156
Панин, А.В.
Вертикальные цилиндрические резервуары.
Расчет и проектирование : учеб. пособие / А.В. Панин; Воронежский ГАСУ. –
Воронеж, 2015. – 96 с.
ISBN 978-5-89040-577-7
Изложены основные положения расчета и проектирования вертикальных цили ндрических резервуаров. Приведены примеры расчетов. По материалам ведущих проектных
организаций представлены типовые решения основных элементов резервуаров.
Предназначено для использования в курсовом и дипломном проектировании студентами, обучающимися по направлениям 08.03.01 «Строительство», 0.8.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений», 21.03.01 «Нефтегазовое дело и 13.03.01 «Теплотехника и теплоэнергетика»
Ил. 64. Табл. 8. Библиогр.: 10 назв.
ББК 38.728я75
УДК 38.728 я 73
Печатается по решению учебно-методического совета
Воронежского ГАСУ
© Панин А.В., 2015
© Воронежский ГАСУ, 2015
ISBN 978-5-89040-577-7
2
ВВЕДЕНИЕ
Настоящее пособие предназначено для изучения раздела «листовые конструкции»
курса «металлические конструкции», использования в курсовом и дипломном проектиров ании студентами, обучающимися по направлениям 08.03.01 «Строительство», 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений», 21.03.01 «Нефтегазовое дело», 13.03.01 «Теплотехника и теплоэнергетика», а также может служить подспорьем профессиональным проектировщикам.
В учебном пособии внимание студентов сконцентрировано на применении полученных теоретических знаний при освоении практических приёмов проектирования листовых
металлических конструкций.
Цель учебного пособия состоит в том, чтобы целенаправленно дать в сжатом виде основы современных методов расчёта и конструирования листовых металлических конструкций на примере вертикального цилиндрического резервуара. Материал учебного пособия
охватывает широкий спектр конструктивных решений вертикальных цилиндрических резервуаров и в то же время в нём получили достаточное отражение действующие строительные
нормы и правила проектирования.
Учебное пособие, состоит из шести разделов, 3-х справочных приложений и библиографического списка.
Автор выражает глубокую признательность заведующему кафедрой «Металлические
конструкции» Липецкого Государственного технического университета д.т.н., профессору
Звереву Виталию Валентиновичу и генеральному директору УСК «Спецстальтехмонтаж»
Фирсову Владимиру Евгеньевичу за нелёгкий труд по рецензированию данной работы и
ценные советы и замечания.
3
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Резервуарами называют сосуды, предназначенные для приёма, хранения, технологической обработки и отпуска нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов, воды, жидкого аммиака,
технического спирта и других жидкостей.
В зависимости от положения в пространстве и геометрической формы резервуары делят на вертикальные цилиндрические, горизонтальные цилиндрические, сферические, капл евидные, торовые, траншейные.
По расположению относительно планировочного уровня строительной площадки различают надземные (на опорах), наземные, полузаглублённые и подземные резервуары.
Тип резервуара выбирают в зависимости от свойств хранимой жидкости, режима эксплуатации, климатических условий района строительства.
Наибольшее удельное значение в числе хранимых жидкостей имеют нефть и продукты
её переработки. Поэтому самое большое распространение получили резервуары для нефти и
нефтепродуктов, а среди них из-за относительной простоты изготовления и монтажа наземные вертикальные цилиндрические резервуары (рис. 1).
Для хранения нефтепродуктов с низким потенциалом бензина (отбензиненной нефти,
дизельного топлива, мазута и темных нефтепродуктов) применяют резервуары низкого давления со стационарной крышей, рассчитанные на избыточное давление в газовом пространстве до 2 кПа и вакуум до 0,25 кПа. Для хранения бензина и сырой нефти с высоким потенциалом бензина применяют резервуары повышенного давления (избыточное давление до 1070 кПа и вакуум до 3 кПа), или резервуары без давления (с плавающими крышами).
Избыточные давления некоторых видов нефтепродуктов приведены в табл. П.1.
При хранении нефти и легкоиспаряющихся нефтепродуктов учитывается их огне- и
взрывоопасность, способность к электризации и к испарению. Исп арение вызывает потерю
наиболее летучих, самых ценных компонентов нефтепродуктов. Кроме прямых убытков, это
явление оказывает вредное воздействие на окружающую среду. Потери нефтепродуктов происходят главным образом вследствие больших и малых «дыханий» резервуаров.
«Малые дыхания» возникают вследствие колебаний температуры нефтепродуктов и
газовой смеси над их поверхностью (в газовой «подушке»), а также колебаний атмосферного
давления. Когда давление в газовой «подушке» становится меньше атмосферного, через дыхательные клапаны в резервуар поступает воздух из атмосферы (в противном случае избыточное внешнее давление может вызвать потерю устойчивости элементов резервуара). При
увеличении избыточного давления в газовой подушке вследствие усиленного испарения при
повышении температуры, а также расширения газов внутри резервуара или снижения атмосферного давления смесь паров нефтепродуктов с воздухом выходит через дыхательные клапаны в атмосферу (в противном случае возникает опасность разрушения резервуара). Годовые потери от «малых дыханий» составляют в среднем 0,5-1 % хранимого нефтепродукта.
«Большие дыхания» происходят при опорожнении и наполнении резервуара. При оп орожнении объем резервуара заполняется атмосферным воздухом, а при наполнении смесь п аров с воздухом вытесняется в атмосферу. В среднем потери при заполнении резервуара бензином составляют в зимнее время 0,35 кг/м3 емкости, в летнее время – 0,55 кг/м3 за один цикл.
Определяющее влияние на потери при «больших дыханиях» имеет число циклов н аполнения
– опорожнения в год (оборачиваемость резервуара). Это число зависит от назначения нефтехранилищ (перевалочные или распределительные) и колеблется в пределах от 12 до 96 ци клов
в год.
Потери нефтепродуктов можно существенно снизить или даже совсем ликвидировать,
увеличив расчетное избыточное давление в резервуаре (применив необходимый тип крыши),
или ликвидировать газовую «подушку», отделив воздушное пространство от жидкости путем
устройства плавающей крыши или понтона.
4
Рис. 1. Фасад и разрез резервуара ёмкостью 50000 м 3
5
Тип крыши зависит как от величины внутреннего давления под кровлей, так и от объема резервуара. На практике для резервуаров низкого давления наиболее часто применяют
щитовые, сферические и плавающие крыши. Реже находят применение висячие (шатровые)
крыши. Для резервуаров повышенного давления используют сфероидальные или сфероцилиндрические крыши.
2. НАГРУЗКИ И ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЁТА
Несущие конструкции вертикальных цилиндрических резервуаров рассчитывают по
предельным состояниям в соответствии со строительными нормами и правилами [1, 2], с учётом дополнительных требований [6].
В зависимости от объёма и места расположения их подразделяют на три класса:
класс I - особо опасные резервуары: объёмом 10 000 м3 и более, а также резервуары
объёмом 5 000 м3 и более, расположенные непосредственно по берегам рек, крупных водоёмов и в черте городской застройки;
класс II – резервуары повышенной опасности: объёмом от 5 000 до 10 000 м3 ;
класс III – опасные резервуары объёмом от 100 до 5 000 м3 .
Степень опасности учитывается при проектировании специальными требованиями к
материалам, объёмам контроля и при назначении коэффициента надёжности по назначению
(  n = 1,1 для I класса,  n = 1,05 для II класса,  n = 1,0 для III класса).
Основные элементы конструкций резервуаров по требованиям к материалам разделяются на две подгруппы:
подгруппа А – стенка, привариваемые к стенке листы днища или кольцевые окрайки,
кольца жёсткости;
подгруппа Б – центральная часть днища, каркас и настил стационарных крыш, плавающие крыши, промежуточные рёбра жёсткости.
Для основных конструкций подгруппы А должны применяться только спокойные
(полностью раскисленные) стали, хорошо освоенные изготовителями конструкций и монтажниками, с гарантией ударной вязкости в зависимости от толщины проката:
С255, С315* (прокат из стали, микролегированной титаном или ванадием), С345, С440.
Для основных конструкций подгруппы Б должна применяться спокойная или полусп окойная сталь.
За расчётную минимальную температуру принимают температуру наиболее холодных
суток с обеспеченностью 0,98 [СНиП 23- 01-99* (Строительная климатология)], повышенную на 5о С. Для резервуаров с рулонной технологией сборки расчётная температура при толщинах более 10 мм понижается на 5 о С.
Вертикальные цилиндрические резервуары воспринимают основные нагрузки:
1) нагрузка от собственного веса конструкции pg , f = 1,05;
2) полное расчётное значение снеговой нагрузки s = sg µ, где sg - расчётное значение
веса снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности земли, принимаемое в соответствии с п. 5.2 [2];
3) внутреннее (избыточное) давление паровоздушной смеси pизб ; f = 1,2;
4) вакуум pвак; f = 1,2;
5) гидростатическое давление жидкости pж=ж  f z, где ж– удельный вес хранимого
продукта ж = ρж g (ρж – плотность продукта, g – ускорение свободного падения в районе
строительства), f =1,1; z – расстояние от поверхности жидкости (верха стенки) до расчетного
уровня;
6) внешнее ветровое воздействие на стенку резервуара (в отличие от нагрузок от собственного веса, снега, внутреннего давления) не является осесимметричным и при расчете на
6
устойчивость заменяется действием условного вакуума, равномерно распределенного по
окружности резервуара.
wст = pвак.усл.= 0,5wт f,
где wm – нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки на высоте z
над поверхностью земли, f = 1,4 .
Ветровое давление на стенку изнутри пустого резервуара с плавающей крышей осесимметрично, как и ветровые воздействия, создающие отсос на крыше( f =0,8); значения
аэродинамических коэффициентов приведены в [2].
Для практических расчетов удобно выразить все нагрузки в единой системе физических величин, например Н/м2 или кН/м2 (табл. П.2).
Коэффициенты условий работы γс принимают равными:
 для стенок при расчёте на прочность : нижний пояс – 0,7, остальные пояса – 0,8;
 для сопряжения стенки с днищем – 1,2;
 для стенки при расчёте на устойчивость – 1,0;
 для сферических и конических покрытий распорной конструкции при расчёте
по безмоментной теории – 0,9.
3. ГЕНЕРАЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫ РЕЗЕРВУАРОВ
Вертикальные цилиндрические резервуары в соответствии с установившимся нормальным рядом проектируют номинальной вместимостью: 100, 200, 300, 400, 700, 1000, 2000,
3000, 5000, 10000, 20000, 30000, 50000, 100000 м3 .
При определении генеральных размеров резервуаров (высоты и диаметра) за критерий
оптимальности обычно принимают удельный расход стали, приходящийся на 1 м 3 их полезного объема.
Оптимальные размеры наземных вертикальных цилиндрических резервуаров впервые
определены В.Г. Шуховым в 1883 г. За критерий оптимальности был принят удельный расход стали, приходящийся на 1 м3 их полезного объема.
Формула В.Г. Шухова выведена для резервуаров со стационарной кровлей, со сравнительно малым давлением паровоздушной смеси (до 1 кПа) и объёмами до 5000 м 3 , изготовленных из одной марки стали, и у которых все толщины поясов определены из условия прочности. Тем не менее в качестве первого приближения эта формула рекомендуется и сейчас в
литературе по листовым конструкциям.
Rwy c
Нопт =
(3.1)
.
 fж
Здесь Нопт – оптимальная высота резервуара, Rwy – расчетное сопротивление стыкового сварного шва; c =0,8 – общий коэффициент условий работы; - сумма приведенных
толщин кровли и днища, зависящая от объема резервуара (табл. 3.1), γж= ρж g- удельный вес
хранимой жидкости, ρж – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения, γf.=1,1 –
коэффициент надёжности по нагрузке. В курсовом проектировании можно принять плотность всех жидкостей равной 0,9 т/м3 .
Таблица 3.1
3
Vр , м 2000 4000 8000 10000 12000 16000 20000 50000
1,0
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
2,0
, см 0,9
Для промежуточных значений объёмов величину  получают по интерполяции.
Внимание! В формулу (3.1), как и во все последующие, численные значения составляющих должны подставляться в одной и той же системе физических величин (табл. П.2).
7
Более совершенным решением при оптимизации параметров резервуаров является
решение на основе приведенных затрат по изготовлению и монтажу конструкций резервуаров. При оптимизации параметров резервуаров по приведенным затратам высота резервуара
несколько снижается, а диаметр увеличивается по сравнению с оптимизацией по расходу металла.
В резервуарах большого объёма из условий пожарной безопасности и условий изготовления и монтажа высоту корпуса также принимают меньше оптимальной по В.Г. Шухову, а диаметр соответственно больше.
Считается, что для резервуаров объёмом свыше 1000 м 3 оптимальное соотношение
H/D должно находиться в пределах 1/3 – 1/2.
Обычно при объёме резервуара от 5000 м3 до 10000 м3 высоту стенки назначают равной 12 м, при объёмах от 10000 м3 до 20000 м3 - равной 15 м, при больших объёмах - 18 м и
более в зависимости от способа монтажа.
При назначении высоты стенки и диаметра резервуара учитывается условие кратности
высоты резервуара ширине листов, а длины окружности – длине листов, т.е. высота стенки и
диаметр должны быть целочисленными величинами. Наиболее часто в резервуарах применяются листы размерами 1500  6000, 1800  8000, 2000  8000 мм, следовательно, высота резервуаров должна приниматься кратной 1490, 1790 или 1990 мм в зависимости от принятого
типоразмера листов, а длина окружности – кратной соответственно 5990 или 7990 мм (с учетом строжки листов на 5 мм по периметру). Разрешается принимать длину окружности,
кратной половине длины листов. (Применение листов 2000 . 8000 мм наряду со снижением
трудоемкости и заводской стоимости вызывает нарастание массы металла до 3 %, что приводит к некоторому повышению стоимости конструкции.)
При назначении высоты резервуаров, изготовляемых способом рулонирования, необходимо принимать во внимание, что ширина существующих станов для сборки, сварки и
сворачивания рулонов не позволяет изготовить рулон высотой более 18 м. Поэтому, приняв
большую высоту, придётся при монтаже стенки применять достаточно сложные методы
наращивания или подращивания.
В случае полистовой сборки высота резервуара технически не ограничивается.
В курсовом проектировании по исходным данным вычисляют оптимальную высоту
резервуара и округляют её до величины, кратной ширине листов с учётом строжки. Из условий пожарной безопасности и условий изготовления и монтажа, если Нопт  14 м, обычно
принимают Н = 9 - 12 м; при Нопт >14 м принимают Н = 12 – 15 м; при Нопт >18 м - Н =15 – 18
м и более.
Длину развертки стенки
Lст = D=2 V H
(3.2)
также приводят к величине, кратной длине листов Lкр , после чего устанавливают расчетный
диаметр и фактический объем резервуара:
Lкр  20
, см ;
Dр =
(3.3)

D р2
Н.
(3.4)
4
Здесь 20 см – припуск на устройство стыка при монтаже из рулонных заготовок.
Желательно, чтобы разница между заданным и фактическим объемом резервуара не
превышала 5 %.
«Правила устройства вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти
и нефтепродуктов» (ПБ 03-605-03) [6] рекомендуют параметрический ряд геометрических
Vр =
8
объёмов резервуаров при предпочтительных размерах их с точки зрения удобства изготовления и монтажа - табл. 3.2.
Таблица 3.2
3
Геометрические объёмы (м ) резервуаров
рекомендуемого параметрического ряда (выборка)
Высота
стенки, м
Внутренний диаметр стенки, м
20,92
22,80
28,50
34,20
39,90
50,70
55,80
4125
4899
7655
11024
15004
13,5
5512
8612
12402
16880
15,0
6124
9569
13779
18775
24497
16,5
10526
15157
20631
26947
18,0
11483
16535
22507
29396
36539
44018
17913
24382
31846
39368
47686
21,0
26258
34296
42396
51354
24,0
30009
39495
48453
12,0
19,5
45,60
При этом следует различать объём и вместимость резервуара. Термин объём применяют для характеристики пространства, занимаемого телом или веществом. Объём резервуара
равен произведению горизонтального сечения на высоту стенки. Под вместимостью понимают объём внутреннего пространства сосуда или аппарата. Вместимость резервуара определяют как произведение горизонтального сечения до уровня максимального заполнения (в
частности, до максимального подъёма плавающей крыши или понтона).
В курсовом проектировании принято считать объём резервуара.
9
Пример определения размеров резервуара
Исходные данные: объём резервуара 30000 м 3 , хранимая жидкость – тёмные нефтепродукты, ρж = 0,9 т/м3 , γf = 1,1; материал конструкции – сталь С255 (Ry = 24 кН/см2 для толщин от 4 мм до 20 мм), листы 1,5  6 м.
Принимая γс = 0,8; Rwy = Ry = 24 кН/см2 при применении физических способов контроля, γж = 0,9  9,81  10-6 кН/см3 , γf = 1,1, по интерполяции из табл. 3.1 находим  = 1,7,
1,7  24  0,8
Hопт =
=1833 см.
0,9  9,81  10 6  1,1
Принимаем H = 1800 см, с учётом строжки листов H = 149  12 (поясов) = 1788 см.
4 .V
4  30000
Диаметр резервуара D =
=
= 46,23 м, что сопоставимо с данными
.
H
3,14  17,88
табл. 3.2.
Длина развёртки стенки L = π D = 3,14 . 4623 = 14516 см. Учитывая припуск на устройство монтажного стыка (20 см) длина развёртки стенки должна быть 14536 см. Разделив длину развёртки на длину листа после строжки, получаем количество листов в одном поясе резервуара 14536/599 = 24,3, что не кратно длине листов. Принимая кратность половине длины
листа (что вполне допустимо), назначаем число листов 24,5 и получаем фактическую длину
развёртки L =24,5  599 = 14675,5 см.
Фактический диаметр резервуара
Dр = (L – 20)/π = (14675,5 -20)/3,14 = 4667,4 см.
Фактический объём резервуара
D 2
H = 30577 м3 .
Vр =
4
30577  30000
Расхождение с заданным объёмом составляет
100 = 1,9 %, что менее до30000
пустимых 5 %.
4. КОНСТРУКЦИИ ОСНОВАНИЙ И ДНИЩ РЕЗЕРВУАРОВ
Вертикальные цилиндрические резервуары располагают на достаточно простых песчаных основаниях ввиду незначительности передаваемого на них давления (рис. 4.1). Обычно
вначале удаляют растительный слой, засыпают площадку насыпным грунтом и уплотняют его
катками. Поверх насыпного грунта укладывают и уплотняют песчаную подушку, выравнив ают её, организуя уклон от центра к периферии для стока и последующего удаления подтоварной воды и отстоя. Уклон выполняется равным 1:50 для резервуаров объёмом 10-20 тыс. м3 ,
1:75 – для объемов 30-40 тыс. м3 и 1:100 для объемов более 50 тыс. м3 . Диаметр подушки
должен быть на 1,4 м больше диаметра днища резервуара. Между днищем резервуара и песчаной подушкой располагают гидроизоляционный (гидрофобный) слой толщиной около 100 мм.
Обычно это смесь песка с жидким битумом или каменноугольным дегтем.
Для резервуаров объёмом 10000 м3 и более по периметру основания устраивают железобетонное монолитное кольцо.
На скальных грунтах устройство оснований иногда сводится к выравниванию площадки и подсыпке песчаной подушки.
Вокруг резервуара предусматривается устройство ограждений в виде грунтовых валов,
железобетонных или металлических стенок. Их назначение – удержать хранимый продукт
при вытекании из резервуара в аварийных случаях.
10
Рис. 4.1. Схемы оснований под резервуары
11
Вертикальные цилиндрические резервуары имеют плоские днища, изготовленные из
стальных листов толщиной 4-6 мм, и стенки в виде цилиндрической оболочки, толщина которой увеличивается пропорционально росту давления жидкости по мере приближения к днищу.
Днища резервуаров испытывают незначительные напряжения от давления жидкости,
поэтому толщина их принимается по технологическим соображениям удобства и надежности
выполнения сварных соединений и сопротивляемости коррозии, но не менее 4 мм, исключая
припуск на коррозию.
Днища резервуаров объёмом до 2000 м3 выполняются одной толщины по всей поверхности; при объёмах от 2000 м3 до 7000 м3 днища имеют центральную часть и утолщённые
крайние листы (так называемые рядовые окрайки), что связано с восприятием окрайками значительных краевых усилий. Толщину листов окраек принимают 0,6…0,8 от толщины стенки,
но не более 12…14 мм из-за возможных проблем сворачивания полотна днища при рулонном
исполнении. Расстояние от края днища (окраек) до стыков с более тонкими листами центральной части полотен должно быть не менее 1000 мм (рис. 4.2; 4.3).
Центральная часть днища может быть выполнена и в полистовом исполнении. При
монтаже центральной части днища полистовым методом применяют нахлёсточные и стыковые соединения на остающейся подкладке. Нахлесточные соединения листов должны иметь
по длинным кромкам перекрытие 30-60 мм, а для толщин 4-5 мм – по всем кромкам, при
условии подгибки листов в местах тройной нахлестки.
В резервуарах объемом более 5000 м3 (7000 м3 ) окрайки получаются значительной
толщины (табл. 4.1), что не позволяет равномерно сворачивать полотнища в рулон. Поэтому
толстые окрайки днища поставляют из отдельных листов сегментной формы и приваривают к
основным полотнам внахлёст (рис. 4.4).
Таблица 4.1
Толщина нижнего пояса
стенки резервуара, мм
Минимальная толщина
окрайки, мм
До 7 вкл.
6
8-11
7
12-16
9
17-20
12
20-26
14
Свыше 26
16
При рулонном исполнении днища резервуаров больших объёмов состоят из нескольких полотен, каждое из которых обычно не превышает 12 м по ширине (должно быть четное
число полотен для возможности создания уклона) (рис. 4.5 - 4,7). Полотна свариваются из
листов размерами 1500 х 6000 мм или 2000 х 8000 мм толщиной 5 мм при объеме до 10000 м3
и толщиной 6 мм при больших объемах. Сборку и сварку полотен на заводах выполняют на
механизированных станах, где плоская большеразмерная заготовка сворачивается в многослойный габаритный рулон, удобный для перевозки к месту монтажа по железной дороге. Из
этого условия масса рулона не должна превышать 60 т.
Соединение листов полотнищ производят двухсторонней автоматической сваркой
плотнопрочными швами с полным проваром по толщине свариваемого металла. Присадочные
материалы должны обеспечивать равнопрочность сварного шва встык основному металлу.
12
Рис. 4.2. Днища резервуаров малых объёмов
13
Рис. 4.3. Днище резервуара объёмом 5000 м3
14
Рис. 4.4. Днище резервуара объёмом 10000 м3
15
Рис. 4.5. Днища резервуаров объёмом 15000 м3 и 20000 м3
16
Рис. 4.6. Днище резервура объёмом 50000 м3
17
Рис. 4.7. Днище резервуара объёмом 50000 м3 с плавающей крышей
18
Кромки листов, свариваемых встык, обрабатывают прострожкой или обрезают на гильотинных ножницах по заданному раскрою. Для криволинейных участков кромок используют механизированную огневую резку. Поперечные стыки полотен днища обычно совмещают
в прямую линию. В редких случаях, когда применяют разбежку всех или части поп еречных
стыков, величина последней должна быть не менее 500 мм.
На монтаже изготовленные и рулонированные на заводе полотна днища с рядовыми
окрайками накатываются на подготовленное основание, освобождаются от закрепления и
разворачиваются в проектное положение. Полотна днища соединяются внахлест, минимальная величина нахлеста 30 мм (≥5tmin ). В местах опирания стенки в нахлесточном соединении
вырезают “лыску” и сваривают этот участок шва длиной 250-300 мм встык на остающейся
подкладке (см. рис. 4.2). Усиление шва удаляют шлифмашиной.
Монтаж днищ резервуаров объёмом 10000 м3 и более начинается с раскладки кольца
окраек, отгруженных с завода отдельными сегментными элементами, упакованными в пакеты. Сегменты окраек собирают встык на остающейся подкладке с V-образной разделкой.
Между кромками обеспечивается зазор 4 мм у края днища и 10-12 мм в конце стыков,
направленных к центру резервуара для компенсаций деформаций окраек из-за усадки при
сварке уторного шва (см. рис. 4.6).
Сварные швы, выполняемые вручную, выполняют электродами типа Э42А, Э46А,
Э50А ГОСТ 9467-75* в зависимости от применяемой в днище стали.
Для контроля геометрических размеров днища и стенки резервуара в центре днища
приваривают шайбу  50-60 мм толщиной 8 мм с отверстием  10 мм в центре, которая остается на весь период эксплуатации. На днища резервуаров с понтонами или с плавающей
кровлей дополнительно навариваются опорные плиты под стойки и направляющие понтонов
(см. рис.4.7).
Расчёт на прочность днищ (окраек) резервуаров сводится к проверке изгибных напряжений в месте сопряжения со стенкой (см. раздел 5.3).
5. СТЕНКИ РЕЗЕРВУАРОВ
5.1. Конструкции стенок
Цилиндрические стенки резервуаров состоят из ряда поясов высотой, равной применяемой ширине листов (1500, 1800 или 2000 мм). В резервуарах малых объемов при толщине
листов 4 мм сопряжение поясов может осуществляться внахлестку как при изготовлении на
заводе, так и на монтаже. Начиная с резервуаров объёмом 800 м3 толщина листов для нижних
поясов постепенно увеличивается, что отражает увеличение воспринимаемых нагрузок от
столба жидкости. В этом случае все соединения листов выполняются встык.
Стенки вертикальных цилиндрических резервуаров могут выполняться из рулонных
полотнищ или полистовым методом. В настоящее время по рекомендации [4] все корпуса резервуаров для нефти и нефтепродуктов объёмом более 10000 м3 рекомендовано делать полистовым способом для обеспечения их надёжности и долговечности, хотя ранее считалось, что
резервуары рулонной сборки вполне надёжны до объёма 20000 м 3 .
На рис. 5.1 изображена стенка резервуара объёмом 800 м3 . Стенка в виде одного полотнища изготовлена на заводе. Соединение листов полотнища производится двухсторонней
автоматической сваркой плотнопрочными швами с полным проваром по толщине свариваемого металла. Кромки листов, свариваемых встык, обрабатываются прострожкой или обрезаются на гильотинных ножницах с допуском  1 мм. Длина полотнища дается с припуском для
образования монтажного стыка (в данном случае 154 мм). Монтажный стык стенки выполн яют встык с обрезкой одного или двух краев полотнища в зависимости от качества кромок.
19
Рис. 5.1. Стенка резервуара объёмом 800 м3
20
Монтажный шов просвечивается рентгеном по всей длине. При монтаже вертикальные
стыки стенки не должны совпадать со стыками днища как минимум на 200 мм.
Стенки заводского изготовления поставляются для резервуаров объемом до 5000 м3 в
одном рулоне. Полотнища стенок резервуаров большей вместимости поставляют в виде н ескольких рулонов, масса которых определяется грузоподъемностью обычных четырехосных
железнодорожных платформ (60 т).
На рис. 5.2 представлена стенка резервуара объёмом 10000 м3 . Стенка заводского изготовления состоит из двух одинаковых полотнищ. Длина полотнищ дана с припуском 140
мм для образования монтажных стыков. Монтажные швы стенки смещены с осей на 400 мм и
сварены встык электродами типа Э50А с контролем проникающими излучениями по всей
длине. Расчетная толщина нижних поясов стенки в случае применения малоуглеродистых
сталей оказалась столь велика, что исключила применение рулонирования полотнищ. В этом
случае оказалось целесообразным использование в нижних поясах стенок высокопрочной
стали (полотна стенок, свернутые в рулон, разворачиваются без заметных пластических деформаций, если толщина стенки не превышает 16 мм). В данном случае нижние 6 поясов и зготовлены из низколегированной стали С345, что позволило уменьшить толщину нижнего
пояса до 13 мм.
На рис. 5.3 изображена стенка резервуара объемом 50000 м 3 , изготовленная на заводе
из листов 2000 х 8000 мм. Стенка состоит из шести полотнищ, вес каждого 53,5 т, длины их
даны с припуском 170 мм для образования монтажных стыков. Нижние 6 поясов стенки изготовлены из стали С440, в результате толщина нижнего пояса составила 17 мм.
В стенке пустого рулонированного резервуара уже имеются напряжения, близкие к
пределу текучести, ибо рулон разворачивается с 3-метрового до 30-метрового радиуса. К этим
напряжениям нужно добавить ещё напряжения от сварки. В резервуарах ёмкостью 50000 м 3 (а
их построено более тысячи) наблюдается угловатость монтажного стыка (перелом в стыке
боле 4 %), это чрезвычайно острый концентратор, его пробуют выправлять рёбрами жёсткости. Угловатость сопровождается пластическим деформированием металла. Развивается малоцикловая усталость. Хотя аварий по этой причине не было (все крупные аварии происходили из-за дефектов монтажной сварки, расслоения металла и из-за несплошности листов), однако в настоящее время для больших объёмов рекомендовано применение полистовой сборки. К этому следует добавить, что при толщине стенки 15-17 мм резервуар разворачивается 89 месяцев, но доводят его до требуемых допусков ещё 2-3 года. К тому же хотя теоретически
перемещение верхнего пояса стенки не должно превышать 40 мм, но практически оно колеблется от 20 до 250 мм – разглаживаются хлопуны.
Для резервуаров объёмом 30-50 тыс. м3 , работающих в условиях активного циклического нагружения (нефтеперерабатывающие, нефтесмешивающие, изотермические) следует
применять только полистовую сборку.
В случае применения полистовой сборки стенка резервуара изготавливается и монтируется из свальцованных листов одинаковой длины с разделанными на заводе кромками. Разделка V-образная, X-образная и К-образная, в зависимости от положения шва в пространстве
и его толщины. В проекте резервуара объёмом 50000 м3 (рис. 5.4) предусмотрено применение
листов 2000 х 8000 мм. При монтаже замыкающий лист каждого пояса обрезается по месту.
Расстояние между вертикальными стыками стенки и стыками окраек днища должно быть не
менее 200 мм. Сварные швы стенки плотнопрочные с полным проваром по толщине свариваемого металла с применением повышенных способов контроля качества швов.
В целях повышения производительности при полистовой сборке применяют предварительное укрупнение листов в блоки по 2-3 листа.
Чтобы использовать метод рулонирования для резервуаров больших объемов с расчетной толщиной стенки большей, чем допустимо технологическим пределом, ГПИ “Проектстальконструкция” разработаны проекты резервуаров, стенки которых усилены бандажами
(рис. 5.5), и резервуаров с двухслойной стенкой (рис. 5.6).
21
Рис. 5.2. Полотнище стенки резервуара объёмом 10000 м3
22
Рис. 5.3. Полотнище стенки резервуара объёмом 50000 м3 - 6 шт.
23
Рис. 5.4. Развёртка стенки полистовой сборки резервуара объёмом 50000 м 3
24
Рис. 5.5. Стенка с бандажами резервуара объёмом 100000 м 3
25
Рис. 5.6. Двухслойная стенка резервуара объёмом 100000 м3
26
В варианте стенки с бандажом для резервуара емкостью 100000 м 3 с плавающей крышей
стенка состоит из 9 полотнищ (8 полотнищ длиной по 31445 мм и одно длиной 28160 мм). Длина
полотнищ стенки дана с припуском для образования монтажного стыка. Изготовление бандажей предусматривается из отдельных свальцованных листов со сваркой их между собой, как
показано на рис. 5.5, и приваркой к стенке поверху и понизу швом с катетом 4 мм.
В варианте двухслойной стенки для резервуара емкостью 100000 м3 с плавающей
крышей внутренний слой стенки также состоит из девяти полотнищ (8 полотнищ длиной по
311445 мм и одно длиной 28760 мм), наружный слой стенки – из четырех полотнищ (3 полотнища длиной по 89850 мм и одно 99410 мм). Длина полотнищ стенки дана с припуском для
образования монтажных стыков.
Монтажные швы между полотнищами внутреннего слоя стенки выполняются встык с
просвечиванием по всей длине. Монтажные швы между полотнищами наружного слоя в ыполняются на подкладках.
Наружная оболочка приподнята над уровнем днища на высоту 100 мм. Зазор между
оболочками порядка 50 мм заполняется мелкозернистым бетоном, передающим напряжение
от внутренней стенки к наружной.
5.2. Расчет стенки резервуара на прочность
Стенка резервуара, являясь оболочкой вращения при действии осесимметричной
нагрузки, в основном находится в безмоментном состоянии, и только в зонах краевого эффекта (в частности, в месте сопряжения стенки с днищем) имеет место моментное напряженное
состояние.
Основной нагрузкой для стенки вертикального цилиндрического резервуара является
внутреннее давление p как сумма гидростатического давления жидкости и давления паровоздушной смеси (рис.5.7). На расстоянии z от расчетного уровня жидкости h внутреннее давление
н
p z   ж   f  z  pизб
 f ,
(5.1)
здесь z – расстояние от расчётного уровня жидкости (в курсовом проектировании за расчётный уровень жидкости принимают полную высоту стенки H) до рассматриваемого сечения.
При воздействии внутреннего равномерного давления p в тонкостенной замкнутой
оболочке возникают меридиональные и кольцевые усилия Т1 и Т2 , связанные между собой
соотношением
Т 1 T2

 p  0.
(5.2)
R1 R2
В цилиндрической оболочке R1 = ∞; R2 = r, поэтому кольцевое усилие
T2 = pr ,
(5.3)
где r – радиус цилиндрической оболочки.
Кольцевые напряжения на уровне z
Т
p r
2  2  z ,
(5.4)
t ст
t ст
они в два раза больше меридиональных напряжений и поэтому определяют прочность
стенки;
 2   с Rwy .
(5.5)
Напряжение сравнивается с расчётным сопротивлением сварного шва, поскольку вертикальные швы резервуаров обычно стыковые, в том числе и замыкающие.
27
Рис. 5.7. Гидростатическое давление жидкости и избыточное давление
паровоздушной смеси
Таким образом, минимальная расчётная толщина стенки в каждом поясе на уровне z
(нижней кромки рассматриваемого пояса) для условий эксплуатации
н
    z   f  pизб
pr
tст  z  f ж
r
(5.6)
 c Rwy
 с Rwy
здесь γс – коэффициент условий работы, он равен 0,7 для нижнего пояса и 0,8 для
остальных поясов.
Расчёт по определению требуемой толщины поясов стенки удобно выполнять в
табличной форме.
Пример расчёта
Определить толщину листов стенки резервуара вместимостью 5000 м 3 , выполненного
из малоуглеродистой стали С255.
Данные для расчёта:
Dр = 22,68 м; H = 11,92 м; pнизб = 1,96 кПа (1,96 . 10-4 кН/см2 ), γfp = 1,2;
γж =0, 9 . 9,81.10-6 = 8,83 . 10-6 кН/см3 ; γfж = 1,1; Rwy = 240 МПа (24 кН/см2 ).
Расчёт производим в табличной форме – табл. 5.1.
Требуемую расчётную толщину поясов стенки округляют до значений, имеющихся в
сортаменте. Строго говоря, номинальная толщина каждого пояса стенки tст.ном. выбирается из
сортаментного ряда таким образом, чтобы выполнялось условие
t ст.ном. = t ст.расч. +Δ +с,
(5.7)
где Δ – минусовой допуск на прокат,
с – припуск на коррозию,
но в курсовом проекте можно принимать t ст.ном.= t ст.расч., если t ст.ном. ≥ t k , где t k –минимальная
конструктивно необходимая толщина, определяемая по табл. 5.2.
28
Таблица 5.1
Номер
пояса
Расстояние от
верха стенки,
z, см
1
2
3
4
5
6
7
8
 fжz
r,
 c Rwy
 f pизб
r,
 с Rwy
см
0,086
0,172
0,258
0,344
0,430
0,516
0,602
0,688
см
0,014
t ст. расч.,
см
t ст.ном.,
см
149
0,1
298
0,2
447
0,3
596
0,4
745
0,5
894
0,6
1043
0,7
1192 – 30* =
0,7
1162
* На 30 см отступают от низа стенки ввиду влияния краевого эффекта.
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,8
0,8
Таблица 5.2
Диаметр
резервуара D, м
Толщина стенки t k , мм
Рулонное исполнение
Стационарная крыша
Плавающая
крыша
4
4
6
5
8
6
10
8
D < 16
16 ≤ D < 25
25 ≤ D < 35
D ≥ 35
Полистовое
исполнение
5
7
9
10
Для верхних листов стенки, толщина которых по расчету весьма мала, следует учитывать также рекомендации, выработанные практикой проектирования, в противном случае
стенка, наверное, будет неустойчива (табл. 5.3).
Таблица 5.3
Vр ,
тыс. м3
до 5
5-10
10-20
20-30
30-40
40-50
t k , мм
4
6
7
8
8/10
10/12
В числителе - значения минимальной толщины для резервуаров с плавающей кровлей,
в знаменателе – со стационарным покрытием.
Меридиональные напряжения
p   ( ps  pv )
T
G
1  1 = g
(5.8)
r  cт ,
tст
2tст
tст
где pg =gкр н γf – вес квадратного метра кровли с утеплителем и установленным на крыше оборудованием (в курсовом проекте при отсутствии данных утеплитель и оборудование можно не учитывать);
ps=sg μ – расчётное значение веса снегового покрова на 1 м 2 поверхности кровли;
pv = pvнγf – расчётное воздействие на кровлю вакуума;
Gст – расчётная нагрузка от стенки выше рассматриваемого сечения.
29
Проверка на прочность для каждого пояса стенки резервуара как работающего при
плоском напряжённом состоянии проводится также по формуле
 12   1 2   22 ≤ Rwyγc/γn .
(5.9)
Расчёт двухслойной стенки
Двухслойная стенка сооружается из заводских рулонных заготовок, при монтаже которых между ними обязательно остаётся определённый зазор. Считается, что его величина
составляет 2-3 см. Поэтому при загружении резервуара работает сначала внутренняя (основная) стенка и лишь после того, как она в результате деформации вплотную сблизится с дополнительной стенкой, обе стенки начинают работать совместно.
1-й этап. Работает внутренняя стенка. Напряжение  2' достигает значения
2r  2r0
r
=E
.
(5.10)
 2' =E .ε =E 1
2r0
r
Этому напряжению соответствует усилие T2 1 =  2' . t ст осн. Обычно величиной t стосн задаются по условиям рулонирования, принимая её равной 14-16 мм для сталей С255-С285.
На перемещении Δr основной стенкой воспринимается часть нагрузки
p1 =T2 1 /r=E.Δr . t ст осн/r 2 .
(5.11)
2-й этап. Стенки работают совместно на оставшуюся часть нагрузки
Δp= p - p1 ; Δp= (γж. z+pизб )-p.1
(5.12)
Напряжения в основной и дополнительной стенках резервуара от восприятия нагрузки Δp
p  r
σ2 ”= осн доп .
(5.13)
tст  tст
Результирующее напряжение в дополнительной стенке
σ2 доп = σ2 ” ≤ γс Rwy .
(5.14)
Результирующее напряжение в основной стенке
σ2 осн=  2' + σ2 ” ≤ γс Rwy.
(5.15)
Толщину дополнительной стенки предварительно можно определить
p  r
t ст доп =
-t ст осн.
(5.16)
 c Rwy
Из изложенного следует, что для внутренней основной стенки, как более напряжённой,
целесообразно применять сталь повышенной прочности.
Стенка, усиленная бандажами
1-й вариант. Бандажи выполняются из свальцованных по проектному радиусу отдельных листов, которые крепятся к стенке путём обварки их сварными швами:
t банд =t тр – t ст осн.
(5.17)
2-й вариант. В качестве бандажей используются стальные ленты из рулонной горячекатаной стали толщиной 2-4 мм (предложение ИЭС им. Патона). Зазор между бандажами и
поясом основной стенки считают равным 1-2 см. Расчёт ведётся как для двухслойной стенки.
5.3. Определение усилий и проверка прочности
в месте сопряжения стенки и днища резервуара
В вертикальном цилиндрическом резервуаре в сопряжении стенки с дн ищем за счет
стесненности радиальных деформаций стенки возникает изгибающий момент и поперечная
сила. Предполагается, что полоски единичной ширины, вырезанные из стенки и днища, работают как балки на упругом основании (рис. 5.8).
30
Рис. 5.8. Расчётная схема узла сопряжения стенки и днища
Неизвестные X1 и X2 определяются из решения канонического уравнения метода сил:
дн
( 11ст  11дн ) X1 + 12ст X2 + ст
(5.18)
1 р +  1 р =0;
ст
ст
X1 +  22
X2 + ст
 21
2 р = 0.
Единичные перемещения стенки и днища зависят от их цилиндрической жесткости и
отпорности (условного коэффициента постели). Днище считается абсолютно жёстким на растяжение.
1
;
mст Dcт
1
12ст   21ст   2
;
2mст Dст
1
 22ст 
;
3
2mст Dст
11ст 
11дн 
где
m ст =
1   2  2 2
;
4mдн Dдн
4
К ст
;
4 Dст
К дн
4 Dдн
суть коэффициенты деформации стенки и днища;
коэффициент постели стенки
2
Кст =Et ст /r ст
;
и
Dст =
mдн = 4
3
ст
Et
;
12(1   2 )
(5.19)
(5.20)
(5.21)
(5.22)
(5.23)
(5.24)
(5.25)
(5.26)
31
3
Etдн
(5.27)
12(1   2 )
- цилиндрические жёсткости стенки и днища, здесь ν = 0,3 – коэффициент Пуассона,
Е= 2,1.105 МПа-модуль упругости стали.
Грузовые члены определяются величиной гидростатического давления жидкости и
нагрузки от стенки, крыши и снега на ней:
Dдн =
ст
1р  
ст
2р 
 fж
К ст
 f  жH
K ст
;
(5.28)
.
(5.29)
Грузовой член дн
1 р включает перемещения днища, возникающие от действия на него
равномерно распределённого давления жидкости и сосредоточенного давления на днище массы покрытия и стенки T1 :
  H   f pизб
T1
Δдн1р = - f ж
(5.30)
mдн (1    2 ) 
2
2
2 K дн
2mдн
Dдн
g s
G
где
T1 =  кр
(5.31)
r  ст ;
2
2r
gкр , кН/м2 ,- расчетная нагрузка от кровли (см. прил.);
S, кН/м2 , – расчетная нагрузка от снега;
Gст , кН, – расчетная нагрузка от стенки;
 - коэффициент, учитывающий, какая часть нагрузки от кровли передается на стенку;
  1 - для сферической или щитовой кровли без центральной стойки;
  0,67 - щитовое покрытие с центральной стойкой;
  0 - висячая или плавающая кровля.
(5.32)
     ;      ;   et cos t ;   et sin t ; t=mдн.с;
с – величина свеса днища, назначается в пределах от 3 см для резервуара объемом 1000
м3 и до 8 см для резервуара объемом 75000 – 100000 м3 .
Толщину окрайки следует принять по рекомендациям табл. 4.1.
Коэффициент
постели
днища
принимается: для
песчаного
основания
К дн  50  150 н 3 , для железобетонного фундамента (с учетом податливости),
см
К дн  300  500 н 3 , для фундаментов под резервуары объемом более 50000 м 3
см
К дн  2000  3000 н 3 .
см
Из канонических уравнений метода сил находят
M1 ст = - X1 ; Q1 = - X2 . (рис. 5.9)
Другие усилия находят из выражений:
M2 ст = ν M1 ст ;
(5.33)
Et
ст
T20 
(mст M 1  Q1 ) ;
(5.34)
3
2rDстmст
T21  ( f  ж H   f pизб )r ;
Mдн=
  H   f pизб 2
M1
T
(1   2 )  1 (1  2   )  f ж
 .
2
2
4mдн
2mдн
32
(5.35)
(5.36)
Кольцевые напряжения в стенке
6M 1ст T21 T20
M ст T
(5.37)


 γс Rwy .
 2ст   2  2 
Wст
tст tст
Wст Aст
  0,3 - коэффициент Пуассона для стали.
Из-за стесненности кольцевых деформаций кольцевые напряжения в зоне краевого
эффекта меньше, чем на участках стенки за пределами длины первой волны затухания (T 12 и
T 02 имеют разные знаки). Для рассмотренного выше примера расчета резервуара объемом
5000 м3 длина первой волны затухания составляет примерно 17 см.
Меридиональные напряжения в стенке
6М ст Т
в общем случае  1ст   2 1  1   с Rwy .
(5.38)
tст
tст
Рис. 5.9. Усилия в месте сопряжения стенки с днищем
Знак перед Т1 зависит от рассматриваемого расчетного случая:
минус - при сочетании нагрузок:
собственный вес кровли и стенки, снеговая нагрузка, вакуум;
плюс - при сочетаниях нагрузок:
собственный вес кровли и стенки, избыточное давление.
Вместе с тем, учитывая, что в резервуарах низкого давления и сравнительно н ебольшого объема (до 20000 м3 ) Т1 мало, а в резервуарах повышенного давления подъемная
сила воспринимается анкерными креплениями, проверку прочности в данном случае можно
вести только на воздействие момента:
6 М ст
 1  2 1   с Rwy .
(5.39)
tст
Коэффициент условий работы стенки в зоне краевого эффекта - γс =1,2 (допускается
развитие пластических деформаций).
Полный поверочный расчёт на прочность для нижнего пояса стенки с учётом двухосного напряжённого состояния проводят по формуле
 12   1 2   22  3 2  Ryγc.
33
(5.40)
Изгибное напряжение в днище
 дн 
М дн 6М дн
 2   с Rwy ,
Wдн
t окр
(5.41)
где  c  1,6 .
Проверка прочности углового шва, прикрепляющего стенку к днищу, производится на одновременное воздействие поперечной силы и момента. Меридиональное усилие,
как сказано выше, не учитывается ввиду сравнительной малости. Величиной катета шва
предварительно задаются в пределах 0,3t ст . Прочность проверяется по металлу шва и по границе сплавления. Представляя момент М 1ст как произведение силы на плечо (рис. 5.10) и
распределяя поперечную силу на два шва, получаем условие прочности:
2
по металлу шва
 М 1ст   Q1 

      f k f  wf Rwf ;
t
ст

  2 
2
2
по границе сплавления
 М 1ст   Q1 


 t    2    z k f  wz Rwz
 cm   
(5.42)
2
(5.43)
Рис. 5.10. Расчётная схема сварного шва,
соединяющего стенку с днищем
5.4. Расчет стенки резервуара на устойчивость
Стенка незаполненного резервуара может потерять устойчивость под воздействием
вертикальной нагрузки, параллельной её образующим (собственный вес, вес стенки, кровли и
установленного на ней оборудования, теплоизоляция; снег и вакуум) и равномерного давления, нормального к боковой поверхности, вызывающего сжимающие усилия в кольцевом
направлении (вакуум, ветер).
Суммарное продольное напряжение в стенке от расчетных нагрузок равно
g   ( s  pвак )
g
σ1 = кр
(5.44)
r  ст .
2tmin
tmin
Вес кровли в первом приближении можно принять по табл. П.3; коэффициент сочетаний ψ = 0,9. В курсовом проекте ввиду отсутствия данных об устанавливаем на кровле оборудовании и величине теплоизоляции их не учитывают.
В общем случае определение напряжений и проверка устойчивости должна произв одиться для всех поясов стенки резервуара, однако практически проверку производят для ни жней кромки верхнего участка стенки постоянной толщины
34
Суммарные кольцевые напряжения в стенке резервуара со стационарной крышей от
ветровой нагрузки и вакуума
w  pвак
σ2 =ψ ст
(5.45)
r.
tср
Как уже говорилось, действие ветровой нагрузки на стенку заменяется действи ем
условного вакуума:
wст = pвак.усл. γf =0,5w0 .k . γf cе1.
(5.46)
где w0 – нормативное значение ветрового давления для заданного ветрового района на
уровне верха резервуара [2],
k – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте.
Расчет на устойчивость стенки резервуара, подверженной одновременному воздействию меридиональной и кольцевой нагрузки, выполняется по формуле
1

(5.47)
 2   c.
 cr1  cr 2
Здесь  c  1,0 .
Критические напряжения cr1 и cr2 определяют по [2]:
cr1 = cEt ,
(5.48)
r
здесь r – радиус срединной поверхности оболочки, t – толщина оболочки на рассматриваемой высоте.
Значения коэффициента с определяются по табл. 5.4.
Таблица 5.4
100 200 300 400 600 800 1000 1500 2500
c 0,22 0,18 0,16 0,14 0,11 0,09 0,08 0,07 0,06
 cr 2 - критическое напряжение, определяемое по формулам:
3
при 0,5  l  10
r
 cr 2
r t  2
 0,55E  ср  ;
l r 
(5.49)
2
t 
 cr 2  0,17 E  ср  ;
(5.50)
 r 
при 10  l r  20 напряжение  cr 2 следует определять линейной интерполяцией.
при l  20
r
Здесь l – длина цилиндрической оболочки, в нашем случае l = H,
t ср – среднеарифметическое значение толщины стенки.
Если условие устойчивости не выполняется из-за большой величины
1
 cr1 , то стенку
следует укреплять продольными ребрами жесткости, поставленными с шагом
b  20rt ,
(5.51)
что весьма трудоёмко, или увеличить толщину стенки.
35
Как правило, удобнее и экономичнее увеличивать толщину стенки на рассчитываемом
уровне.
Если условие устойчивости не выполняется из-за большой величины  2
 cr 2 , то стенку следует укрепить кольцевым ребром жесткости, расположив его на половине высоты стенки
(S1 = S2 = 0,5H) ; рис. 5.11.
Рис. 5.11. Расчётная схема кольца жёсткости стенки
Устойчивость зон S1 и S2 проверяют отдельно.
Если условие устойчивости в зоне не выполняется после постановки одного кольца
жесткости, ставят второе кольцо жесткости или увеличивают толщину верхних поясов.
Кольцо жесткости устраивают из неравнобокого уголка, приваренного к стенке большим пером, или из швеллера, или делают их составного сечения (рис. 5.12 - 5.14); его условR
ная гибкость    y E не должна превышать 6,5.
Кольцевое ребро проверяется на устойчивость в своей плоскости как сжатый стержень при расчетной длине lef  1,8r на воздействие силы Nk=(wст +pвак).r .a (см. рис. 5.11).
Подбор сечения кольца жесткости удобно вести, используя формулу Эйлера
Ncr=
откуда несколько приближённо
 2 EI x
lef2
 Nk ,
(5.52)
3EI x
 (wст +pвак). r .а.
r2
Из этого условия находят требуемое значение Jx и подбирают соответствующий профиль промежуточного кольца жесткости. Следует не забывать, что в сечение ребра жесткости
36
включаются участки оболочки шириной 0,65t E
с каждой стороны от оси ребра, а его
Ry
момент инерции следует вычислять относительно оси, совпадающей с ближайшей поверхностью оболочки.
Рис. 5.12. Виды колец жёсткости
Пример
Проверить устойчивость стенки вертикального цилиндрического резервуара, объемом
20000 м3 . Высота резервуара – 18 м, диаметр – 38,4 м. Вес кровли – 0,575 кН/м2 , термоизоляция – 0,450 кН/м2 , расчётная снеговая нагрузка – 2,4 кН/м2 , нормативный скоростной напор
ветра – 0,48 кН/м2 , вакуум – 25 мм вод. ст. = 0,25 кН/м2 .
Материал стенки – сталь С440, Ry =430 МПа, стенка имеет 8 поясов толщиной 10 мм,
нижний пояс – 12 мм, ширина поясов – 2000 мм.
Определяем напряжение в нижнем из поясов толщиной 10 мм:
σ1 =
g кр   ( s  pвак )
g
r  ст ;
2tmin
tmin
 1  1,05  0,575  1,2  0,450  0,92,4  1,2  0,25
19,2
 1,05  78,5  0,01  2  8 / 0,01 
2  0,01
=3429+1300 = 4729 кН/м2 ;
σ 2= ψ
wст  pвак
r.
tср
При определении ветрового давления wст коэффициент k принимаем для типа местности B с интерполяцией для высоты 18 м.
 2  0,90,5  1,4  0,48  0,81  1,2  0,25  19,2 /0,01 = 989 кН/м2.
37
Рис. 5.13. Кольца жёсткости стенки резервуара объёмом 100000 м 3
с плавающей крышей
38
Ф2
Рис. 5.14. Верхнее кольцо жёсткости резервуара объёмом 10000 м3
39
В рассматриваемом резервуаре r
t cm
 1920. Коэффициент с в выражении для  cr1 ,
равен 0,065 (см. табл. 5.4).
cr1 = cEt r = 0,065  .2,1.108  .0,01/19,2 =7110 кН/м2.
Выражение  cr1  R y не реализуется, поскольку r
t cm
3
 300 .
rt
При условии 0,5  l  10

 0,55E   .
cr
2
r
l r
Средняя толщина стенки резервуара
8  1  1.  1,2
t ср =
=1,02 см;
9
19,2  0,0102 
σcr2 = 0,55  2,1  10 18  19,2 
8
2
3/ 2
=1500 кН/м2 .
Условие устойчивости по (5.26):
4729/7110+989/1500=0,665+0,659=1,32>1,0.
Стенка неустойчива. Ставить вертикальные рёбра жёсткости нецелесообразно ввиду значительной трудоёмкости изготовления и монтажа. Ставим кольцевое ребро жесткости на расстоянии 0,5r от днища: 0,5  1920 = 960 см. Постановка кольцевого ребра жесткости увеличивает
только  cr 2 . Принимая S1 =960 см и S2 =1800 - 960=840 см, получаем для верхней зоны
3/ 2
19,2  0,01 
σcr2 = 0,55  2,1  108 8,4  19,2  = 3130 кН/м2 ;
для нижней зоны при
19,2  0,0104 
4  1  1  1,2
 1,04 см; σcr2=0,55  2,1  108 9,6  19,2 
t ср =
5
3/ 2
 2890 кН/м2 .
В верхней зоне расчетным становится четвертый пояс сверху, следовательно, уменьшается напряжение  1 за счет уменьшения веса вышележащей части стенки:
σ1 = 3429+1,05  78,5  .0,01  .2  .4 = 4088 кН/м2 .
Условия устойчивости верхней зоны:
4088/7110 + 989/3130 = 0,575 + 0,316 = 0,89<1,0.
Устойчивость обеспечена.
Условие устойчивости нижней зоны:
4729/7110+989/2890 = 0,665+ 0,342= 1,01.
Формально устойчивость не обеспечена.
Опускаем ребро жёсткости до отметки +9.0 м.
Для верхней зоны
σ1 = 3429+1,05  78,5  0,01  .9,0 = 4170
кН/м2 .
3/ 2
19,2  0,0104 
σcr2 = 0,55  .2,1  .108 9,0  19,2   3106 кН/м2 .
Условие устойчивости
4170/7110+ 969/3106 = 0,587 +0,312 =0,899<1,0.
Устойчивость обеспечена.
Условие устойчивости нижней зоны:
4729/7110+989/3106 = 0,665+ 0,318= 0,98 <1,0.
На пределе, но формально допустимо.
40
Подбираем кольцо жесткости.
Из (5.52) a = (s1 +s2 )/2 = (900+900)/2 = 900см; Ix≥ (wст +pвак). r3 .а/ 3 .E;
Ix≥ (0,5  1,4  .0,48  .0,65+1,2  .0,25)  19,23  9 / 3  2,1  10-8 =
= 5238  10-8 м4 =5238 см4 .
Момент инерции вычисляется относительно оси, совпадающей с ближайшей поверхностью оболочки, при этом моментом инерции прилегающей части стенки пренебрегаем из-за
его малости (рис. 5.15).
Принимаем кольцо из швеллера № 22:
J x  J 0  z 2 A  2110  112  26,7  5340 см 4
Сталь С245 с Ry = 230 МПа. Условная
гибкость кольца
l ef R y
1,8  1920 23


 11,64  6,5.
E
2,1  10 4
i
5340
55,43
Требование [1] не удовлетворяется. Увеличиваем размеры кольца, принимая [ №40,
J x  J 0  z 2 A  15220  202  61,5  39820 см4.
Условная гибкость нового кольца
1,8  1920 23

 5,44  6,5 .
2,1  10 4
39820
90,23
Условие требуемой жёсткости кольца
удовлетворяется.
Рис. 5.15. Рабочее сечение
кольца жёсткости
Для резервуаров с плавающей крышей при расчёте устойчивости стенки вместо pвак
учитывается разряжение от ветра при нижнем положении крыши wразр =w0 . γf .k .ci, где величину ci определяют по нижеприведенной таблицы [2].
Таблица 5.5
1
H/D
1/4
1/2
ci
-0,55
-0,7
-0,8
Для промежуточных значений H/D величину ci определяют по интерполяции.
wст  wразр
r.
Таким образом, σ2 = ψ
tстср
Верхнее кольцо жёсткости резервуара без стационарной крыши используется в качестве обслуживающей площадки. Оно должно быть шириной не менее 800 мм и иметь ограж-
41
дения по внешней стороне. Кольцо жёсткости должно также оборудоваться опорами в виде
подкосов, прикрепляемых к стенке резервуара (см. рис. 5.13, 5.14).
Сечение верхнего кольца жёсткости подбирается из условия действия в нём максимального изгибающего момента
M=0,0186 wст .r2 (l-.S);
(5.53)
l-S – расстояние между верхним и промежуточным кольцами жёсткости (см. рис. 5.11),
wст = pвак.усл. γf =0,5w0 .k . γf cе1 – формула (5.46).
6. КРЫШИ РЕЗЕРВУАРОВ
Вертикальные цилиндрические резервуары могут иметь стационарную или плавающую крышу.
Стационарные крыши чаще всего бывают каркасными коническими, каркасными купольными, реже шатровыми (висячими).
6.1. Каркасная коническая крыша
Каркасные конические крыши бывают двух видов:
- сборные щитовые, состоящие из соединённых между собой элементов каркаса и настила;
- с настилом, не приваренным к несущим элементам (каркасу).
На практике распространены в основном щитовые конические крыши.
Щитовые крыши применяются в резервуарах с внутренним избыточным давлением в
газовой подушке до 200 мм вод. ст. (2 кПа) и вакуумом до 25 мм вод. ст. (0,25 кПа). В резервуарах объемом до 5000 м3 предпочтительнее устройство бесстоечной щитовой крыши, в резервуарах больших объёмов появляется необходимость в установке центральной стойки.
В обоих случаях крыша состоит из жестких щитов, покрытых стальной оболочкой и
опирающихся на центральное кольцо, а по периметру - на стенку корпуса. Щиты изготавливают нескольких типов в зависимости от объема резервуара и расположения технологического оборудования. Один или два секторных щита составляют равнобедренную трапецию с
криволинейным основанием (рис. 6.1; 6.2). Каркас щитов выполняется из двутавров, швеллеров, уголков, в том числе гнутых. Листы кровли толщиной 2,5-3 мм крепят на каркас щита с
напуском с одной стороны на ширину нахлестки. В частности, в резервуарах объёмом 800 м3
крыша коническая с уклоном 1:10 состоит из 10 заводских щитов трапециевидного очертания, опирающихся при монтаже на центральный щит - кольцо и стенку резервуара (рис. 6.3).
Соединение щитов между собой путем нахлестки и сварки. Несущие элементы щита
приняты из гнутого профиля швеллерообразного сечения (сталь С245), что позволило создать
малопрофилированную внутреннюю поверхность и снизить массу крыши (рис. 6.4). Основные элементы центрального кольца — обечайка из трубы 530 х 6 и нижнее плоское кольцо
диаметром 1820 мм с ребрами жесткости, к которым крепятся фасонки щитов (рис. 6.5). Суммарная масса крыши 5,19 т (60,8 кг/м2 ) при снеговой нагрузке 1,5 кН/м2 .
В типовом резервуаре емкостью 5000 м3 коническая щитовая бесстоечная крыша состоит из 20 трапециевидных плоских щитов, уложенных с уклоном 1:8 и соединенных между
собой путем нахлестки и сварки настила. Основной несущий элемент щита — один швеллер
№ 27 из стали С245 (под снеговую нагрузку 1,5 кН/м 2 ) длиной 9 м; поперечные рёбра длиной
от 3 до 0,5 м с шагом 1,25 м из швеллеров 10, 8, 6,5 и уголков 63 х 40 х 5. Настил из листовой
стали толщиной 2,5 мм (рис. 6.6; 6.7).
42
Рис. 6.1. Одинарный секторный щит
Рис.6.2. Двойной секторный щит
Расход стали на покрытие в зависимости от снегового района 18330—21470 кг (53,4—62,5
кг/м2 ). Сопряжение с центральным кольцом осуществляется на монтажной сварке. Опорное
ребро щита составного сечения (лист и уголок) опирается на горизонтальный элемент центрального кольца, подкрепленный вертикальными ребрами жесткости (рис. 6.8).
Опорная стойка резервуара объёмом более 5000 м3 представляет собой колонну трубчатого сечения, устанавливаемую в центре днища. На оголовок колонны крепится центральное кольцо (центральный щит), опорную плиту колонны усиливают радиальными ребрами
жесткости. При максимальном давлении паров нефтепродуктов (2 кПа) масса крыши и стойки
могут оказаться недостаточными для уравновешения давления. Чтобы исключить отрыв
стойки от днища, трубу заполняют песком или тощим бетоном.
Все крыши по периметру опираются на стенку резервуара с использованием кольцев ого элемента жёсткости. Минимальный размер кольцевого уголка 63 х 5 мм.
Сварные соединения секций колец между собой выполняются стыковыми швами с
полным проваром или на накладках.
При расчете стационарных крыш резервуаров низкого давления учитывают две комбинации нагрузок:
1) расчетные нагрузки, действующие на покрытие сверху вниз: вес конструкции крыши и теплоизоляции, снег, вакуум
q↓ = gкр + gm +( рвак+ s) ψ;
(6.1)
2) расчетные нагрузки, действующие на покрытие снизу вверх: внутреннее избыточное
давление в паровоздушной среде, ветровой отсос, (вес теплоизоляции и снеговая нагрузка не
учитываются)
q↑ =(ризб + w) ψ - gкр ;
( 6.2)
ψ—коэффициент сочетания нагрузок.
При расчёте конической бесстоечной кровли несущие радиальные балки двух диаметрально противоположных щитов рассматриваются как элементы трёхшарнирной арки
(рис. 6.9), воспринимающие продольную сжимающую силу Nр и изгибающий момент Mр .
43
Рис. 6.3. Резервуар объёмом 800 м3 . Расположение щитов крыши
44
Рис. 6.4. Промежуточный щит крыши резервуара объёмом 800 м 3
45
Рис. 6.5. Центральное кольцо крыши резервуара объёмом 800 м 3
46
Рис. 6.6. Щит бесстоечного покрытия резервуара объёмом 5000 м 3
47
Рис. 6.7. Узлы щитов бесстоечного покрытия резервуара объёмом 5000 м3
48
Рис. 6.8. Центральное кольцо бесстоечного щитового покрытия
резервуара объёмом 5000 м3
49
Nр =Vsinα+Hcosα;
V=q↓ .b.r/2;
H=q↓ b.r2 /6.f;
q r2
Mр =  ≈ qr2 /16.
9 3
(6.3)
(6.4)
(6.5)
(6.6)
Пример расчета
Подобрать сечение несущих радиальных балок щитов конической кровли,
установленных по распорной схеме без
центральной стойки в покрытии резервуара объёмом 5000 м3 .
Диаметр D = 2288 см, нагрузка от
кровли gкр = 0,50 кН/м2 , расчётная снеговая нагрузка s = 1,8 кН/м2 (III снеговой
район), вакуум 25 мм вод. ст. (0,25
кН/м2 ), материал конструкции—сталь
С245 с расчетным сопротивлением Rу =
240 МПа, ширина щита на наружном контуре покрытия — 359 см. Уклон покрытия
Рис. 6.9. Расчётная схема конической крыши
1/8, стрела подъёма покрытия 140 см
(α=70 ).
Нагрузка, действующая на покрытие сверху вниз:
q↓ = gкр + gm +( рвак+ s) ψ =
=,05 х 0,50 + (1,2 х 0,25 + 1,8) х 0,9 =
= 2,42 кН/м2 .
(из-за отсутствия данных в курсовом проекте нагрузку от теплоизоляции не учитываем).
Нагрузка на 1 п. м длины щита у наружного контура покрытия:
q= q↓ b = 2,42 х 3,59=8,69 кН/м;
qн = qнj b = [0.50 + (0,2 5+1,8 х 0,7) х 0,9] х 3,59=6,68 кН/м.
Максимальный изгибающий момент и продольная сила, воспринимаемые одной радиальной балкой щита:
2
qr
Mр =
= 8,69 х 11,442 /15,59 = 72,95 кНм.
9 3
V=q↓ .b.r/2 = 8,69 х 11,44/2 = 49,71 кН;
H=q↓ b.r2 /6.f= 8,69 х 11,442 /(6 х 1,4)=135,39 кН;
Nр =Vsinα+ Hcosα = 49,71 х 0,122 +135,39 х 0,993= 6,07+134,44=140,5 кН.
Высоту сечения ребра назначаем равной 1/40 радиуса покрытия 1144/40 = 28,6 см.
Принимаем ребро щита из двутавра №30Б1 (A=41,92 см2 ,Wx=427 см3 , ix=12,29 см).
Проверка на устойчивость при внецентренном сжатии:
N
σ = р ≤ Ry γc.
e A
50
Условная гибкость  
r
ix
Ry 1144
24
=
= 3,18.
E 12,29 2,06.104
MA 7295.41,92
Относительный эксцентриситет m =
= 5,1.

NW
140,5.427
Коэффициент влияния формы сечения η = 1,25 (табл. 73 [1]).
Приведенный относительный эксцентриситет mef = ηm =1,25 .5,1= 6,38.
По табл. 74 [1] φe = 0,154.
140,5
σ=
=21,76 < Ryγс=24кН/см2 .
.
0,154 41,92
Условие устойчивости выполняется.
Прогиб в сжатоизогнутом стержне возникает как от поперечной, так и от продольной
силы:
f=
f0
,
N
1
Nэ
где f 0 - прогиб от поперечной нагрузки, Nэ =
(6.7)
 2 EI
- Эйлерова сила.
lef2
f 0 = 0,0065 (qнr4 )/Е Jx = 0,0065 х 6,68 х 10-2 х 11444 / (2,06 x 104 x 6328) = 5,8 см.
Nэ = π2.2,06.104 .6328/11442 = 1002 кН; 1 - N/Nэ = 1- 140,5/1002 = 0,86;
f = 5,8/0,86 = 6,74 см; f / r = 6,74/1144 = 0,0059 = 1/170 > 1/250.
Необходимая жёсткость покрытия не обеспечена.
Принимаем двутавр I №35Б1 по ГОСТ 26020-83 с Jx = 10060 см4
f 0 = 0,0065 х (6,68 х 10-2 х 11444 )/(2,06 х104 х 10060) = 3,65 см.
Nэ = π2 х 2,06 х 104 .10060/11442 = 1593 кН; 1 - N/Nэ = 1 - 140,5/1593 = 0,91;
f = 3,65/0,91 = 4.0 см; f / r = 4/1144 = 0,0035 =1/286 < 1/250.
Условие жёсткости обеспечено.
Максимальное допустимое по жёсткости настила расстояние между поперечными рёбрами щита lн приближённо равно
4tn  72 E 
lн= 0 1  4 н1  .
(6.8)
15  n0 q 
Приняв величину предельного прогиба настила f/l =1/150, толщину настила 2,5 мм,
н
q = gнаст + ψ(qвак+ s х 0,7) = 0,785 х 0,25 + 0,9 (0,25+1,8 х 0,7) = 1,56 кН/м2 и
Е1 =Е / (1-ν 2 )= Е/(1-0,32 ) = 2,06 х 104 (1-0,32 ) = 1,91 х 104 кН/см2 , получаем:
lн= 4 х 0,25 х 150 х (1+72 х 1,91 х 104 /1504 х 1,56 х 10-4 ) /15 =184 см.
Обычно расстояние между поперечными ребрами щита lн принимают равным ширине
листов (1,5 м).
Поперечные рёбра щитов рассчитывают на изгиб по схеме простых балок, опирающихся на радиальные балки. Максимальный изгибающий момент в ребре с учётом треугольной грузовой площади (рис. 6.10) может быть вычислен по формуле
Mпр = q↓ bi3 /12.
(6.9)
Здесь bi - ширина щита в рассматриваемом сечении.
В распорной системе важную роль играет опорное кольцо. Конструкция опорного кольца
зависит от величины распора. Это может быть прокатный уголок, или швеллер, или составное сварное сечение. В типовом проекте резервуара объёмом 5000 м 3 опорным кольцом считают составное сварное сечение из прокатного уголка, являющегося составной частью щита,
и примыкающих частей стенки и кровли. При этом толщина крайней панели настила прини51
мается от 7 до 10 мм в зависимости от веса снегового покрова. Такое сечение позволяет св ести к минимуму местные моменты в опорном кольце от распора щитов и расчёт по прочн ости ведут только на воздействие продольного усилия при q↓ и ветрового давления (отсос).
N n
Nк = р cosα + 0,5w0 γfkce1л0,4Hr;
(6.10)
2
σ = Nк/Aк,
где n - число щитов покрытия,
Aк – суммарная площадь сечения уторного уголка щита, частей стенки и примыE
кающего настила по 0,65t
с каждой стороны.
Ry
Обычно это условие легко выполняется.
При q↑ в опорном кольце возникают сжимающие усилия, но его устойчивость обесп ечена сваркой элементов опорного сечения, а величина q↑ < q↓ .
Рис. 6.10. Расчётная схема поперечного ребра [4]
Пример расчёта
Проверить несущую способность опорного кольца резервуара объёмом 5000 м 3 . Сечение кольца состоит из уголка 100 х 63 х 8, части стенки толщиной 5 мм и части кровельного
настила толщиной 8 мм.
Площадь сечения Ак = 12,54 +9,62 + 15,39 = 37,55 см2 .
Nр n
Усилие в кольце Nк =
+ 0,5w0 γfkce1л0,4Hr =
2
140,5  20
=
+ 0.5  0,48  1,4  1  0,9  0,4  12  11,44 = 447,2 + 16,6 = 463,8 кН.
2
σ = Nк/Aк = 12,4 кН/см2 << Ry .
При наличии центральной стойки расчет несущих радиальных балок щитов выполняется по схеме простой балки на двух опорах (стенки и центральной стойки), воспринимающей нагрузки от грузовой площади в виде
треугольника или трапеции с криволинейным основанием по наружному контуру покрытия.
Расчёт ведётся на первую комбинацию нагрузок.
Максимальный момент в радиальной балке
Мmax=0,0642 q r2 ,
см. формулу (6.6),
52
где q= q↓b, b - ширина щита на наружном контуре.
Максимальный прогиб радиальной балки не должен превышать 1/250.
f max/ r =0,0065 (qнr3 )/Е Jx .
Пример расчета
Подобрать сечение несущих радиальных балок щита конической кровли c центральной
стойкой резервуара объёмом 5000 м3 .
Данные для расчета аналогичны приведенным в примере для бесстоечного покрытия.
Нагрузка на 1 п. м длины щита у наружного контура покрытия:
q= q↓ b = 2,42  3,59 = 8,69 кН/м;
qн = qнj b = [0.50 + (0,2 5+1,8  0,7)  0,9]  3,59 = 6,68 кН/м.
Максимальный изгибающий момент, воспринимаемый одной радиальной балкой щита
2
qr
Mр =
= 8,69  11,442 /15,59 = 72,95 кНм.
9 3
Требуемый момент сопротивления одной радиальной балки:
Wmp = 72,95  102 / 24 = 304 см3 .
По сортаменту принимаем ближайший профиль:
I №26Б1 по ГОСТ 26020-83 (Wx =312 см3 , Jx = 4024 см4 ).
Максимальный строительный прогиб двутавра:
f max/ r = 0,0065  (6,68  10-2  11443 )/(2,1  104  4024) = 0,00769 = 1/130 > 1/250;
принятый профиль не подходит по жесткости.
Принимаем двутавр I №30Б1 по ГОСТ 26020-83 с Jx =6328 см4
f max/ r = 0,0065  (6,68  10-2  11443 )/(2,1  104  6328) = 0,00489 = 1/205 > 1/250.
Принимаем двутавр I №35Б1 по ГОСТ 26020-83 с Jx =10060 см4
f max/ r = 0,0065  (6,68  10-2  11443 )/(2,1  104  10060) = 0,00308 = 1/325< 1/250.
Необходимая жёсткость обеспечена.
6.2. Висячая (шатровая) крыша
Висячая крыша применяется в резервуарах для хранения темных нефтепродуктов объемом до 5000 м3 при снеговой нагрузке до 1,5 кН/м2 .
Висячая крыша опирается на зонтик центральной стойки. Поскольку такая крыша не
обладает жесткостью в горизонтальном направлении, ее сопряжение со стенкой подкрепляется коробчатым кольцом жесткости (рис. 6.11). В центре днища устанавливается телескопическая опора. Она состоит из опорной плиты, соединенной с днищем прихватками, направляющей стакана и выдвижной стойки. Стойка имеет упорный фланец, который при снижении
давления ложится на упорный фланец стакана. К вершине колонны крепится конический зонт
диаметром 2 — 4 м из листовой стали толщиной 6 — 10 мм.
Крыша резервуара состоит из секторов, выполненных из листовой стали толщиной 2,5
мм. Заготовку висячей крыши при заводском изготовлении составляют из стандартных листов в виде прямоугольного полотнища со сторонами, равными радиусу резервуара и половине периметра крыши, и затем разрезают на секторы. В резервуаре емкостью 5000 м3 таких
секторов имеется 20. Секторы крыши приваривают внахлестку основанием на кольцо жесткости, вершиной—на опорный зонт, а также сваривают внахлестку между собой. Образованная
таким образом оболочка принимает форму, соответствующую нагрузке.
При изменении давления в газовой подушке опорная колонна поднимается или опускается в направляющем стакане — резервуар «дышит». В резервуаре объёмом 5000 м 3 свободный
ход колонн принимают равным 1200 мм и тогда дыхательный объем составляет около 100 м3 .
53
Рис. 6.11. Шатровая (висячая) крыша резервуара объёмом 5000 м 3
54
Для большинства районов нашей страны этот объем достаточен для устранения «малых дыханий».
Резервуары с висячей крышей объёмом до 5000 м3 на 10—15 % легче аналогичных резервуаров со щитовой кровлей. Испытания показали, что висячая кровля может выдержать
внутреннее избыточное давление паровоздушной смеси до 200 мм вод. ст.
Висячая крыша работает в меридиональном и кольцевом направлении как безмоментная
оболочка отрицательной гауссовой кривизны (за исключением узких зон краевого эффекта).
Меридиональные усилия в любой точке крыши
Т1х = q.r3 / 3 х (h - r tg φо ),
(6.11)
q – расчётная нагрузка на единицу площади крыши,
h - перепад высот крыши в центре и у опорного кольца (обычно принимается равной
(1/5 – 1/7) r,
φ0 – угол наклона полотна крыши у опорного кольца (порядка 5 0 ),
х – расстояние от центра резервуара до рассматриваемого сечения (рис.6.12).
Рис. 6.12. Расчётная схема висячей крыши
Усилие в кровле у опорного кольца Т10 получают подстановкой
х = r - (0,3—0,6 м).
Толщина листов крыши при сварке их с кольцом внахлестку
t кр = Т10 / γс γwf Rwf
55
по расчету получается менее 1 мм, однако для обеспечения качества сварки и долговечности
крыши принимают t кр = 2,5—3 мм.
По мере приближения к вершине крыши усилие в ней возрастает и может меняться её
толщина. Минимальное расстояние, определяющее радиус зонта (расстояние от вершины
крыши), на котором обеспечивается прочность принятой толщины крыши
rз = qr3 /3 γc γwf Rwf k f (h- r tg φо ),
(6.12)
где k f принимается равным t кр .
Практически величина rз устанавливается на 10—15 см больше полученного расчетным путем для обеспечения нахлеста.
Приближенная величина усилий в зонте
Т1з = qr3 / 3rз ср (h – r tg φо ),
(6.13)
ср
где rз – средний радиус зонта (см. рис. 6.15), следовательно:
t з ≥ Т1з / γс Rу.
Усилие Т1з на расстоянии от оси резервуара менее rз ср условно распределяется пополам
на крышу и на косынки (рёбра зонта), что определяет их толщину, количество и размер прикрепляющих сварных швов. Усилие, воспринимаемое сварными швами косынки (ребрами) на
центральной стойке:
Тр = ½ Т1з а,
где а – расстояние между рёбрами по окружности rз ср .
Поскольку Тр приложено на уровне кровли зонта, то сварные швы косынки (ребер) на
центральной стойке должны воспринять ещё изгибающий момент Мр = Тр . lр/2 (рис. 6.13).
Напряжения в сварных швах τwt=Тр /Aw и τwm = Мр /Ww находятся в одной плоскости,
имеют одно направление и поэтому складываются алгебраически:
τwt + τwm ≤ γс . γwf . Rwf и соответственно τwt + τwm ≤ γс . γwz . Rwz.
Сварные швы косынки на центральной стойке имеют геометрические характеристики
Aw = βf k f lw Ww = βf k f lw2 /6.
Сечение сжатого опорного кольца (рис. 6.14) подбирается из условия устойчивости
Тк / φ Ак ≤ γс Ry,
где Тк = [ То + 0,4 Н ( ww + pv)] rк;
H – высота резервуара,
ветровое давление ww = w0 γfkce1 [2] ,
pv – вакуум;
rк—средний радиус кольца, rк = r – (0,2—0,3)м.
В сечение кольца включаются также примыкающие участки стенки резервуара.
При этом условная гибкость кольца λ не должна превышать 6,5 при расчетной длине
кольца lef = 1,8 rк (см. подбор сечения кольцевого ребра жесткости стенки).
Центральная стойка резервуара проверяется на устойчивость как центрально сжатый
элемент на суммарное воздействие кровли, утеплителя, оборудования на кровле, снега и в акуума.
N= π r2 q ↓+ 2 π r T10 sin φ0 .
6.14)
Стойка обычно проектируется из трубы диаметром 400 — 800 мм.
56
Рис. 6.13. Расчётная схема зонта
Рис. 6.14. Расчётная схема опорного кольца висячей кровли
57
6.3 Сферическая крыша
Для резервуаров объемом более 5000 м3 щитовая и висячая крыши с центральной стойкой оказываются экономически неоправданными. Целесообразнее применять покрытия в виде сфер. Это могут быть ребристые, ребристо-кольцевые или сетчатые купола. В проектах резервуаров объёмом 10000 м3 и более можно встретить ребристые и ребристо-кольцевые купола, состоящие из системы радиальных ребер, связанных кольцевыми элементами и стальной
обшивкой толщиной 2,5 — 4 мм. Стрела подъёма таких куполов f=(1/10-1/15)D; радиус кривизны сферы Rs=(1-1.5)D.
На рис. 6.15 представлен план ребристого сферического покрытия резервуара объёмом
10000 м3 . Конструкция покрытия состоит из опорного, центрального кольца и 28 укрупнённых щитов. Продольные элементы щитов объединены сваркой встык. Места сварки усилены
накладками (рис. 6.16). Опорное кольцо двутаврового составного сечения представлено на
рис. 6.17.
По такому же типу решено покрытие резервуара объёмом 20000 м 3 . На рис. 6.18 приведена
геометрическая схема сферического ребристо-кольцевого покрытия резервуара объёмом 50000
м3 для хранения нефти и нефтепродуктов. Конструкция покрытия состоит из центральн ого кольца, верхнего купола, имеющего 28 стропил, промежуточного кольца, нижнего купола, включающего опорное кольцо и имеющего 56 стропил. Для удобства монтажа ребристо-кольцевое покрытие решено в виде сборных щитов, по длинным сторонам которых расположены двутавры, являющиеся элементами стропил. Двутавры гнут по радиусу сферы, равному 2 — 3 радиусам стенки
резервуара. Поперечные ребра щитов изготавливают из равнополочных уголков 90 х 8 мм, прикрепляемых к продольному ребру посредством фасонок, обеспечивающих необходимую жесткость узлов. Стальная обшивка из листов шириной 1500 мм толщиной 4 мм приварена по всей
длине к продольным и поперечным ребрам (рис. 6.19). Между собой щиты соединяются планками, расположенными по оси поперечных рёбер щитов и верхней накладкой (на представленных чертежах не приводятся).
Опорное кольцо ребристо-кольцевого покрытия имеет вид коробчатой балки высотой
800 мм с наружным поясом из швеллера № 24 и внутренним поясом из листа 100 х 12 мм.
(рис. 6.20). Элементы опорного кольца соседних щитов соединяются на монтаже листовыми
накладками.
Промежуточное кольцо покрытия выполнено в виде сварного тавра с ребрами жесткости для крепления стропильных балок и передачи действующих усилий (рис. 6.21).
Центральное кольцо диаметром 3600 мм имеет расчетное сечение в виде сварного двутавра, стенкой которого является вертикальный лист 380 х 12 мм, изогнутый по радиусу
1975 мм, а полками — периферийные участки горизонтально расположенных круглых листов. В центре кольца врезана обечайка из трубы 630 х 8 мм (рис. 6.22).
Проектирование сферического покрытия (купола) начинают с назначения основных
геометрических параметров: стрелы подъёма f, радиуса кривизны сферы rсф:
r2  f 2
1 1
f ≈ ( … ) r. ; rсф =
;
(6.15)
5 8
2f
при f = (1/6) r, rсф ≈ 3r. (Здесь и далее r- радиус резервуара).
Угол наклона касательной сферы на опоре α0 = arc sin r/rсф. Центральный угол сферы
α=2 α0 .
Длину дуги купола Lk=2πrсф2 α0 / 360 следует разделить на целое число ярусов щитов,
выделив предварительно радиус центрального кольца rцк . Радиус центрального кольца rцк
назначают в пределах (0,04…0,06) r и потом уточняют после расчёта и конструирования радиальных рёбер. Длину щита lщ по условиям транспортировки принимают не более 12 м
(6…12 м). В результате определяется тип покрытия (ребристое или ребристо-кольцевое).
58
.
Рис. 6.15. План сферического ребристого покрытия
резервуара объёмом 10000 м3
59
Рис. 6.16. Геометрическая схема и детали
сферического ребристого покрытия резервуара
объёмом 10000 м3
60
Рис. 6.17. Опорное кольцо и детали сопряжений ребра по длине.
61
Рис. 6.18. Геометрическая схема ребристо-кольцевого покрытия
резервуара объёмом 50000 м3
62
Рис. 6.19. Щит нижнего яруса с опорным кольцом резервуара
объёмом 50000 м3
63
Рис. 6.20. Опорное кольцо ребристо-кольцевого покрытия
резервуара объёмом 50000 м3
64
Рис. 6.21. Промежуточное кольцо ребристо-кольцевого покрытия
резервуара объёмом 50000 м3
65
Рис. 6.22. Центральное кольцо ребристо-кольцевого покрытия
резервуара объёмом 50000 м3
66
Если покрытие ребристо-кольцевое, то уточняют число ярусов щитов и одновременно устанавливают радиусы кольцевых элементов ri на границах ярусов. Далее следует определить
число щитов в каждом ярусе nщ , исходя из ширины щита 3,0…3,6 м: nщ = 2π ri /(3…3,6) (размерность в метрах) – округляют до целого числа. В каждом ярусе, очевидно, будет разное
число щитов. Рекомендуется, чтобы это число в одном ярусе было кратно четырём.
Кольцевые элементы устраивают в резервуарах объёмом более 20000 м3 . Обычно проектируют одно кольцо даже в резервуарах объёмом 50000 м3 , чей диаметр не превышает 60 м,
а щиты нижнего и верхнего ярусов выполняют из двух частей.
Для определения продольных усилий в радиальных рёбрах щитов разных ярусов необходимо знать углы наклона касательных по концам щитов с горизонтом
rx
tgαi =
.
(6.16)
r
2
0,25  f   x2r  x 
f
Здесь x –расстояние по горизонтали от оси стенки резервуара до оси кольцевого эле2
мента.
Нагрузки
При расчёте стационарных крыш резервуаров низкого давления учитывают две комбин ации нагрузок:
1) расчётные нагрузки, действующие на покрытие сверху вниз: собственный вес конструкции крыши и теплоизоляции, снег, вакуум
q↓ =gкр +gт +(pвак+s)ψ;
(6.17)
2) расчётные нагрузки, действующие на покрытие снизу вверх: внутреннее избыточное
давление в паровоздушной среде, ветровой отсос
q↑ =(pизб +w)ψ-gкр.
(6.18)
Возможно, не будет излишним напомнить, что в формуле (6.18)
gкр = gкр н γf, где γf = 0,9.
В начале проектирования собственный вес покрытия можно принять по данным табл.
П.3. Вес теплоизоляции следует учитывать при наличии конкретных данных.
Снеговую нагрузку и собственный вес считают равномерно распределёнными по поверхности купола.
Ветровую нагрузку собирают с высоты 0,4H резервуара; при этом принято считать исходя из совместной работы купола и достаточно жёсткого опорного кольца, что 50 % ветровой нагрузки передаётся на купол, 50 % - на опорное кольцо.
Сферическое покрытие с радиальными рёбрами жёсткости на осесимметричную
равномерно распределённую нагрузку с достаточной для практических целей точностью рассчитывают, расчленяя его на отдельные плоские арки, включающие по два диаметрально
противоположных криволинейных щита.
Поскольку сферическое покрытие имеет по наружному контуру общее для всех щитов кольцо жёсткости, воспринимающее распор в арках, то оно рассматривается как общая
затяжка для всех арок. Поэтому каждую арку можно рассматривать как плоскую двух- или
трёхшарнирную арку с условной затяжкой. Величину изгибающего момента и продольной
силы определяют по формулам строительной механики [3, 5].
Другой способ расчёта основан на представлении сферического покрытия в виде ребристой оболочки.
67
При действии вертикальной симметричной нагрузки по всей поверхности оболочки
вертикальные опорные усилия в ребре
V=
q b0
r;
2
(6.19)
а меридиональные усилия
Nр q =
qb0
r.
2 sin 
(6/20)
Здесь, как и ранее, b0 – расстояние между рёбрами на опоре (ширина щита), α – угол
наклона к горизонту касательной на опоре.
К продольным усилиям в ребре от действия вертикальной нагрузки следует добавить
усилия от ветровой нагрузки
W0 = 0,5w0 γfkce1л0,4Hr (см. выше).
Таким образом,
Nр = V/sinα +W0 /cosα.
(6.21)
Устойчивость ребра в вертикальной плоскости проверяется как устойчивость арки по
формуле
 2 EI
Ncr= 2 2 ,
(6.22)
 S
где S –длина полуарки;
µ- коэффициент расчётной длины, для трёхшарнирной арки с отношением
f/l = 0,05 - 0,3 принимают равным 1,2.
Пример
Определить геометрические размеры покрытия вертикального цилиндрического резервуара объёмом 20000 куб.м. Высота резервуара H=17,9 м.,
r2  f 2
D =39,9 м. (r=19,95м.). В рекомендуемых пределах принимаем f= 3,4м., rсф =
=
2f
(19,952 +3,42 )/2  3,4 ≈60м. Угол наклона касательной на опоре α0 = arc sin r/rсф= arc sin
19,95/60=19,42о ≈20о . Длина дуги купола Lk =2πrсф2 α0 / 360 = 2.π  60  2  20/360=41,89м.,
округляем до 41,9м. Диаметр центрального кольца назначаем 2,3м. При этих размерах целесообразно выбрать вариант радиального купола как более простого в изготовлении и монтаже. Длина щита по радиусу сферы 19,8 м неприемлема из условия транспортировки, поэтому
щит стыкуют по длине из двух отправочных марок.
Подобрать сечение несущих радиальных балок щитов сферической кровли резервуара
емкостью 20000 куб.м.
Нагрузка от кровли gкр =0,50 кН/м2 , расчётная снеговая нагрузка s=1,8 кН/м2 (III снеговой район), вакуум 25 мм вод. ст. (0,25 кН/м2 ), материал конструкции—сталь С245 с расчетным сопротивлением Rу =240 МПа, ширина щита на наружном контуре покрытия b0 =359 см.
Нагрузка, действующая на покрытие сверху вниз:
q↓ = gкр + gm+( рвак+ s) ψ = 1,05 х 0,50 + (1,2 х 0,25 + 1,8) х 0,9 =2,42 кН/м 2 (из-за отсутствия
данных в курсовом проекте нагрузку от теплоизоляции не учитываем).
qb
2,42  3,59
Nрq =  0 r =
19,95  .253,4 кН.
2 sin 
2  0,342
68
Горизонтальное воздействие ветровой нагрузки
W0 .= 0,5  0,4 H b0 kw0 γfce1 =
= 0.5  0,4  17,9  3,59  1,0  0,48  1,4  0,9 = 7,8 кН.
Продольная сила, воспринимаемая одной радиальной балкой щита
Nр = Nр q +W0 /cosα = 253,4 +7,8/0,94 = 261,7кН.
Исходя из опыта проектирования, принимаем радиальную балку из двутавра №35 Б1 с
Ix = 10060 см3 .
 2 EI  2  2,1 104  10060
Ncr= 2 2 =
= 329,9 кН < Nр =261,7 кН.
 S
1,22  20952
Поперечные рёбра щитов рассчитывают по схеме простых балок, как и в прямолинейных щитах (см. выше).
. Конструкция опорного кольца зависит от величины распора. Это может быть прокатный уголок или швеллер, или составное сварное сечение (рис.6.23). Опорное кольцо воспринимает распор купола, воздействие вакуума (избыточного давления) и ветрового напора на
0,4 высоты стенки.
Поскольку радиальные ребра купола передают на опорное кольцо значительные сосредоточенные усилия с достаточно большим шагом, в кольце, кроме продольной силы N k , возникают изгибающие моменты Моп =Mmax и Мпр =Mср (рис.6.24). Продольная сила в кольце с учётом ветрового давления
Pk
Nk ≈
+0,5.0,4.Hkw0 γfbice1 ,
(6.23)
2
где P=Nр cosα - горизонтальная составляющая нормальной силы в ребре; Изгибающий момент
под ребром
1
Моп=Mmax = - Nр rk ( k/π – ctg π/k);
(6.24)
2
момент между ребрами
1
Mпр =Mср =
Nр rk (1/sin π/k - k/π);
(6.25)
2
Здесь rk – радиус кольца;
N р - нормальная сила в ребре;
k – число щитов;
b - ширина щита.
αi - угол примыкания ребра к плоскости кольца
Дополнительные усилия от местного воздействия ветра, вакуума или избыточного
давления при приближенном расчете можно не учитывать. Таким образом, расчет опорного
кольца сводится к расчету его на прочность как растянуто-изогнутого стержня при первой
комбинации нагрузок или на устойчивость при второй комбинации нагрузок.
Расчетная длина элемента кольца —расстояние между радиальными ребрами.
Центральное кольцо (см. рис. 6.8; 6.22) воспринимает усилия в рёбрах щитов верхнего яруса
и работает на сжатие при нагрузке q↓ и на растяжение при нагрузке q↑ . В обоих случаях оно
зафиксировано близко расположенными рёбрами и проверяется только на прочность.
Усилие в центральном кольце
Nk
N цк= i .
(6.26)
2
Примеры расчёта опорного и центрального кольца сферической крыши можно п осмотреть в [10].
-
69
Рис. 6.23. Варианты конструкции опорного кольца
Наиболее простой приближенной расчетной схемой сферического ребристокольцевого купола является разрезная арка с затяжками в предположении, что все узлы шарнирные. Это позволяет каждую отдельную арку рассматривать как арку на упругих опорах —
горизонтальных кольцах в местах их пересечения с арками. Элементами арки являются радиальные балки (стропильные ноги) двух диаметрально противоположных щитов, опирающихся
наружными концами на стенку резервуара (см. рис. 6.18). В элементах арки возникают продольные усилия и местные изгибающие моменты.
Расчётная схема нижнего радиального ребра купола представлена на рис.6.25.
70
Рис. 6.24. Расчётная схема опорного кольца
Продольные усилия в радиальном ребре (радиальных рёбрах) от суммы действующих
нагрузок
q r 2
q r 2
W 0i
W 90i
-Ni=  i 
; +Ni=  i 
.
(6.27)
k sin  i cos  i
k sin  i cos  i
qπri2 –нагрузка от части купола, лежащего выше рассматриваемого i-го сечения; в
нашем случае рассматривают первое сечение на уровне верха стенки, второе- на уровне кольцевого элемента.
k - число щитов рассматриваемого яруса, k=2πri./bi;
bi - ширина нижней части щита рассматриваемого яруса;
αi – угол наклона касательной на опоре рассматриваемого сечения.
Wi0 =0,5.0,4.Hkw0 γfbice1 - сосредоточенная ветровая нагрузка на ребро (рёбра) щита
нижнего яруса от ветрового напора, значение аэродинамического коэффициента ce1 можно
принять равным единице [2].
Щиты покрытия могут иметь одно или два радиальных ребра. Во втором случае продольные усилия будут в два раза меньше.
.
Рис. 6.25. Расчётная схема радиального ребра нижнего яруса
71
При определении продольных усилий в рёбрах щитов верхнего яруса горизонтальное
воздействие ветра не учитывается.
Вертикальная нагрузка, вызывающая изгибающие моменты в радиальных рёбрах на
участке между кольцевыми элементами распределяется в виде трапеции. Изгибающий момент в радиальных рёбрах определяют как для простой балки, пролётом равным расстоянию
по горизонтали между кольцами. В запас прочности можно принять
q b l2
Mmax =  i
(6.28)
10,57
(Справочник проектировщика, расчётно-теоретический, под редакцией А.А.Уманского).
Проверка прочности радиального ребра как сжато-изогнутого (первое сочетание нагрузок), или растянуто-изогнутого (второе сочетание нагрузок) проводится суммированием
напряжений:
N M
σi= i  i ≤ γcRy ;
Ai Wi
здесь, как обычно, Ai и Wi – площадь и момент сопротивления ребра,
γс = 0,9 – коэффициент условий работы купола.
Расчёт радиальных рёбер на устойчивость не проводится, поскольку к ним приварены
поперечные рёбра щита и настил.
Кольцевой элемент, промежуточное кольцо, на которое опираются рёбра щитов ни жнего и верхнего ярусов (рис.6.21) может быть растянутым при действии первой комбинации
нагрузок q↓ и сжатым при второй комбинации q↑
1
Tk =
(N cosαi- Ni+1 cosi+ 1 )
(6.29)
 i
2 sin
k
Если число щитов в верхнем и нижнем ярусе одинаково, то в кольцевом элементе возникает местный изгибающий момент только от поперечной нагрузки передаваемой настилом
q↓ или q↑ . Местный изгибающий момент от нагрузок q↓ или q↑ , собирают с грузовой площади
в виде двух треугольников
Мк= qbi3 / 12.
(6.9)
Кольцевой элемент проверяют по прочности аналогично (6.18) и по устойчивости
Tk
≤ γcRy .
e A
Пример расчёта см. в [10]
Кольцевые элементы располагаются между щитами покрытия, являясь одновременно
соединительными по длине элементами. Не следует смешивать с кольцевыми элементами поперечные ребра щитов покрытия, не воспринимающих кольцевые усилия.
Поперечные рёбра щитов рассчитывают по схеме простых балок, как и в прямолинейных щитах (см. выше).
Расчёт настила см. раздел «Щитовая кровля».
6.4. Плавающая крыша (понтон)
При хранении легкоиспаряющихся жидкостей (сырой нефти, бензина) в резервуарах,
располагаемых в южном и среднем климатических поясах, рационально применение плавающей крыши. В северных районах, где возможны снежные заносы, применяют резервуары со
стационарной крышей и понтоном.
Понтон состоит из понтонного кольца, обеспечивающего плавучесть всего понтона, и
центральной части из плоских стальных листов (рис.6. 26). Понтонное кольцо проектируется
двух типов: из замкнутых коробов или из открытых отсеков. На рис. 6.27 показан понтон с
открытыми отсеками резервуара объёмом 5000 м 3 . На круглом днище понтона установлены
72
наружная и внутренняя концентрические стенки, пространство между ними разделено на отсеки радиальными гнутыми стенками.
Центральная часть понтона толщиной 4 мм состоит из двух полотнищ, изготовляемых
методом рулонирования. Концентрически и радиально расположенные стенки приняты из листов толщиной 6 мм, сверху они окаймлены уголком 50 х 4. Наружная стенка отсеков имеет
высоту 370 мм, внутренняя—260.
На рис. 6.28 представлен общий план и разрез резервуара с плавающей крышей объёмом 10000 м3 . Понтонное кольцо в нижнем положении опирается на стойки, расположенные
в один ряд по окружности, а центральная часть понтона опирается на стойки, расположенные
по концентрическим окружностям, число которых зависит от объема резервуара.
Опорные стойки приняты плавающими, трубчатого сечения. Обычно нижнее положение понтона предусматривается на отметке 1,8 м, поэтому стойки имеют различную длину,
связанную с их расстоянием от центра мембраны и принятого уклона мембраны и днища резервуара. Закрепление стоек в патрубках возможно в двух вариантах: без короба (рис. 6.29) и
повышенной жёсткости в коробе (рис. 6.30) для резервуаров больших объёмов.
Чтобы предотвратить повороты понтона при его подъеме и опускании под воздействием жидкости, в диаметральном направлении на днище размещают две направляющие
перфорированные трубы, которые наверху свободно устанавливают в патрубки, прикрепленные к покрытию резервуара, а внизу приваривают к днищу (рис. 6.26; 6.28). Эти трубы используют также как кожухи пробоотборников. В резервуарах с плавающей крышей стационарное покрытие отсутствует, и понтон состоит из закрытых герметических коробов, образующих замкнутое кольцо и обеспечивающих его плавучесть (рис.6.31).
Центральная часть плавающей крыши представляет собой тонкую стальную мембрану,
приваренную к внутреннему контуру коробов. В зависимости от объема резервуара мембрана
состоит из двух, четырех, шести или большего числа полотнищ заводского изготовления, сваренных между собою внахлест. Для обеспечения стока дождевой воды мембране придают
уклон к ее центру.
В резервуарах с плавающей крышей стационарное покрытие отсутствует, и понтон состоит из закрытых герметических коробов, образующих замкнутое кольцо и обеспечивающих
его плавучесть, см. рис. 6.31.
Центральная часть плавающей крыши представляет собой тонкую стальную мембрану,
приваренную к внутреннему контуру коробов. В зависимости от объема резервуара мембрана
состоит из двух, четырех, шести или большего числа полотнищ заводского изготовления, св аренных между собою внахлест. Для обеспечения стока дождевой воды мембране придается
уклон к ее центру. Удаление воды с крыши производится через гибкий шланг или шарнирную
трубу, прикрепленную к центру мембраны снизу и снабженную поворотными шарнирами.
Резервуары с плавающей крышей имеют люки, лазы, замкнутые устройства, предохранительные и вакуумные клапаны, размещенные на крыше. Для обслуживания резервуара
предусматривается внутренняя катучая лестница, нижний конец которой перемещается по
специальной опорной балке (ферме), закрепленной на крыше. Верхний конец лестницы шарнирно прикреплен к стенке резервуара, см. рис. 6.28.
Для придания открытой сверху стенке резервуара необходимой жёсткости в пределах
её верхнего пояса устанавливают кольцо жёсткости, которое одновременно является и ходовой площадкой. Снаружи резервуара для обслуживания плавающей крыши устанавливают
шахтную лестницу, см. рис. 6.28.
Закрытые герметические короба понтонов проектируют размерами приемлемыми для
транспортировки, из стандартных листов шириной 1500 мм. Короба изготавливают в кондукторе на заводе, что обеспечивает высокую технологичность их монтажа. В каждом отдельном
элементе кольца обычно располагаются три ребра, одно или два из которых выполняются в
виде решетчатых ферм или рамы с замкнутым контуром и одно из сплошного гнутого листа,
в которое вваривается патрубок для пропуска стойки. Сплошные ребра разделяют понтонное
кольцо на изолированные отсеки (рис. 6.32; 6.33).
73
Для уменьшения кинематических перемещений мембраны плавающей кровли она
укрепляется радиальными ребрами жесткости из гнутых листов и пригружается коробами с
песком. В резервуарах больших объемов пригруз мембраны осуществляется по всей ее площади. С той же целью плавающие крыши резервуаров прикрепляются ветровыми кольцами
(рис. 6.34 - 6.38).
Рис. 6.26. План и разрез понтона резервуара объёмом 5000 м3
74
Рис. 6.27. Детали понтона резервуара объёмом 5000 м3
75
Рис 6.28. Резервуар объёмом 10000 м3 с плавающей крышей
76
Рис. 6.29. Опорные стойки плавающей крыши резервуара объёмом 10000 м 3
77
Рис. 6.30. Опорные стойки плавающей крыши резервуара объёмом 100000 м 3
78
Рис. 6.31. Короб плавающей крыши резервуара объёмом 10000 м3
79
Рис. 6.32. Короб плавающей крыши резервуара объёмом 100000 м 3
80
Рис. 6.33. Короб плавающей крыши резервуара объёмом 100000 м 3
81
Рис. 6.34. Плавающая крыша резервуара объёмом 10000 м 3
82
Рис. 6.35. Фрагменты плавающей крыши резервуара объёмом 10000 м3
83
Рис. 6.36. Фрагменты плавающей крыши резервуара объёмом 10000 м 3 .
Опорные стойки и ветровые кольца
84
Рис. 6.37. Фрагмент плавающей крыши резервуара объёмом 50000 м 3
.
85
Рис. 6.38. Фрагменты плавающей крыши резервуара объёмом 50000 м3 .
Расположение опорных стоек и догрузки
Расчет плавающей крыши (понтона) сводится к определению высоты ее коробов и п оложения ватерлинии (рис. 6.39).
86
Рис. 6.39. Расчётная схема понтона
Положение ватерлинии hв определяется из условия равенства подъемной силы понтона
и веса понтона с нагрузкой плюс силы трения, возникающей в результате прижатия затвора к
корпусу резервуара.
hп 
gп  gоб  f
 ж min
S

qAпр
r 2 ж min
(6.30)
Значение массы понтона gп , кг/м2 приведены в табл. П3. Массу оборудования, пригрузов и т.п. в первом приближении можно принять равной массе понтона gob = gn . Давление
прижима затвора на стенку резервуара
q = 0,5—0,7 Н/см2 . Апр = 2π r2 вnр — площадь поверхности контакта затвора со стенкой, где вnр = 200 мм. Коэффициент трения μ = 0,15. Минимальная плотность хранимой жидкости γж min = 550 кг/м3 . Снеговая нагрузка S
учитывается только для плавающих крыш. Обычно высота ватерлинии получается в пределах
0,15 — 0,25 м. Высоту понтона принимают в полтора-два раза больше высоты ватерлинии.
Мембрана приваривается к коробу с внутренней стороны на высоте
g  gоб  f
hм  п
(6.31)
 ж min
Между стенкой резервуара и наружной стенкой понтонного кольца предусматрив ается зазор шириной 200 — 275 мм, для герметизации этого пространства используют различные конструкции уплотняющих затворов.
По типу уплотнения затворы могут быть отнесены к двум группам:
1-й тип - с мягкими уплотнителями и различными заполнителями (рис. 6.40);
2-й тип - с механическими прижимными устройствами (рис. 6.41).
В затворах первого типа используются:
а) уплотнение с помощью жидкости, заключённой в бензостойкую оболочку, которая
подвешена на шарнирных тягах;
б) уплотнение с помощью гофрированной оболочки, наполненной жидкостью;
в) уплотнение из двух оболочек, прижимающих резиновый скользящий элемент;
г) оболочка из мелкозернистой пластмассы;
д) уплотнение из упругой плотной синтетической ткани;
е) уплотнение из бензостойкой резины;
ж) уплотнение из полиуретана, помещённого в прорезиненную оболочку;
з) уплотнение с применением пустотелой пластичной пластмассы;
и) затвор с уплотнением типа «Дельтасил».
Затворы второго типа с механическими прижимными устройствами снабжены спец иальным элементом, который скользит по внутренней вертикальной поверхности корпуса,
оказывая поверхностное давление, необходимое для создания эффекта уплотнения:
а) затвор с подвесным рычажным устройством и пружиной;
б) затвор рычажной подвесной конструкции (затвор Виггинса);
87
в) затвор с прижатием скользящего элемента собственным весом;
г) затвор с подвеской скользящего элемента на кронштейне;
д) затвор с металлическим скользящим элементом и листовой пружиной;
е) затвор с металлическим скользящим элементом и спиральной пружиной.
а)
г)
ж)
б)
в)
д)
е)
з)
и)
Рис. 6.40. Уплотняющие затворы мягкого типа
88
а)
б)
в)
г)
д)
е)
Рис. 6.41. Уплотняющие затворы с механическими прижимными устройствами
89
Примерный перечень вопросов
для оценки степени усвоения курса
(«Вертикальные цилиндрические резервуары»)
Общие вопросы
1. Как назначают генеральные размеры резервуаров?
2. Какие требования следует соблюдать при назначении генеральных размеров резервуаров?
3. Листы каких размеров применяют при проектировании резервуаров, чем это обосновывается?
4. Прокат из каких сталей применяют в резервуаростроении?
5. Какова конструкция оснований для резервуаров «малых» и «больших» объемов?
6. Чем руководствуются при назначении толщины днища и окраек?
7. Какая часть стенки находится в безмоментном напряженном состоянии?
8. Как определить требуемую толщину стенки резервуара?
9. Как проверяют прочность стенки, находящейся в двуосном безмоментном напряженном состоянии?
10. Как проверяют прочность стенки в зоне краевого эффекта?
11. Как проверить прочность сварного шва, прикрепляющего стенку к днищу?
12. От воздействия каких нагрузок стенка резервуара может потерять устойчивость?
Условия устойчивости
13. Как и в каком случае можно повысить устойчивость стенки?
14. Как назначить рациональный размер сечения кольца жесткости?
Щитовые крыши
1. При каком избыточном давлении применяют щитовые крыши?
2. Как определяют требуемой число щитов?
3. Изобразите расчетную схему бесстоечного щитового покрытия.
4. Запишите условие устойчивости основного несущего элемента щита.
5. Покажите продольный (поперечный) разрез щита, конкретный узел.
Висячие (шатровые) крыши
1. При каком избыточном давлении применяют висячие крыши?
2. Как определить требуемую толщину листов крыши? От чего она зависит при неи зменной нагрузке?
3. Как проверить несущую способность центральной стойки резервуара?
90
4. Как проверить несущую способность опорного кольца резервуара?
5. Изобразите один из характерных узлов висячего покрытия?
Сферические крыши
1. В каких случаях целесообразно применять сферические крыши?
2. Изобразите возможные расчётные схемы сферических крыш?
3. Как проверить несущую способность радиального ребра крыши, промежуточного
кольцевого элемента?
4. Как проверить несущую способность центрального кольца сферической кровли ?
5. Изобразите один из характерных узлов сферической крыши?
Плавающие крыши
1. В чём преимущества плавающих крыш перед другими?
2. Как назначают генеральные размеры плавающих крыш?
3. Как обеспечивается плавучесть понтонов?
4. Какими способами достигается необходимая жёсткость мембраны?
5. Изобразите один из характерных узлов плавающей крыши?
Заключение
Надеемся, что данное пособие поможет студентам понять работу листовых металлических конструкций, освоить принципы их проектирования и успешно выполнить курсовой
проект. Полученный опыт, несомненно, пригодится как при работе над дипломным проектом, так и в дальнейшей производственной деятельности.
91
Библиографический список
1. СНиП ІІ-23-81*. Стальные конструкции. Нормы проектирования / Госстрой России.
- М.: ГУП ЦПП, 2003.
2. СНиП 2.01.07.85*. Нагрузки и воздействия: Госстрой России. – М.:ГУП ЦПП, 2003.
3. Металлические конструкции: учебник для студ. высш. учеб. заведений / под общ.
ред. Ю.И. Кудишина. – М.: Издательский центр «Академия», 2006.
4. Металлические конструкции: в 3 т. Т. 3. Специальные конструкции и сооружения:
учеб. для строит. вузов; под ред. В.В. Горева. – Высш. шк., 1999.
5. Металлические конструкции. Справочник проектировщика: в 3 т. / под ред. В.В.
Кузнецова. – М.: Изд-во АСВ, 1998.
6. ПБ 03-605-03. «Правила устройства вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. - М.: Госгортехнадзор России, 2003.
7. Сафарян, М.К. Проектирование и сооружение стальных резервуаров для нефтепродуктов/ М.К. Сафарян, О.М. Иванцов. - М.: Гостехиздат,1961.
8. Поповских, Б.В. Изготовление и монтаж крупногабаритных листовых конструкций/
Б.В. Поповских, В.Н. Дикун. - М.: Стройиздат,1983.
9. Иванов, Ю.К. Основания и фундаменты резервуаров/ Ю.К. Иванов [и др.]. - М.:
Стройиздат, 1989.
10.
Нехаев, Г.А. Проектирование и расчёт стальных цилиндрических резервуаров и
газгольдеров низкого давления: учеб. пособие / Г.А. Нехаев. - М.: Изд-во АСВ,
2005.
92
Приложение
Справочные материалы
Таблица П.1
Значения плотности и избыточного давления некоторых видов нефтепродуктов
Продукт
Авиационный бензин
Ризб , кПа, при t
Плотность,
т/м3
Температура
замерзания,
о
С
+20о С
+40о С
0,75-0,77
-60
26
50
-60
20
40
Автомобильный бензин
0,70-0,76
Лигроин
0,77-0,83
-60
-
-
Сырая нефть
0,83-1,04
-
8
14
Керосин осветительный
0,85
-60
7
15
Крекинг-бензин
0,75
-60
23
40
Тёмные нефтепродукты
0,9
-
1
2
Отбензиненная нефть
0,9
-
1
2
Мазут
1,0
-
-
-
Дизельное топливо
0,9
-
0,5
1,0
93
Таблица П.2
Выборка из Перечня единиц физических величин, подлежащих применению
в строительстве (СН 528-80)ъ
Единица СИ, обозначение
Наименование
величины
2.1. Масса
2.2. Плотность
(плотность массы)
2.13.1. Сила, вес
2.15. Удельный вес
2.18. Давление
2.21. Нормативные и
расчётные сопротивления
русское
международное
Рекомендуемые
кратные и дольные от единиц СИ
кг
кг/м3
kg
kg/m3
т
т/м3
Н
Н/м3
Па
N
N/m3
Pa
кН, МН
кН/м3 , МН/м3
кПа, МПа
Па
Pa
кПа, Мпа
Плотностью называют величину, равную отношению массы вещества к занимаемому им объёму.
Удельный вес – отношение веса тела к объёму, он равен произведению плотности на
ускорение свободного падения.
В качестве характеристики материалов, изделий и конструкций в спецификациях и на
чертежах должна приводиться их масса (свойство тела или вещества, характеризующее их
инерционность и способность создавать гравитационное поле – скалярная величина), а вес
(сила, возникающая вследствие взаимодействия с гравитационным полем – векторная величина) указывается в случаях, когда речь идёт о силе воздействия под действием земного
притяжения.
Соотношения между разными физическими величинами
1 кгс/см2  105 Па = 102 кПа = 0,1 МПа = 0,01 кН/см2 ;
1 мм вод. ст.  10 Па  1 кгс/м2 = 1.10-4 кгс/см2 ;
1 мм рт. ст.  133,3 Па  13. 10-4 кгс/см2 ;
765 мм рт. ст. = 1 кгс/см2 =1 ати.
94
Таблица П.3
Примерные геометрические и весовые показатели
вертикальных цилиндрических резервуаров низкого давления (до 2 кПа).
Ёмкость резервуара, тыс. м3
1
3
5
10
20
50
Диаметр резервуара, м
12,33
18,98
22,79
34,20
45,64
60,70
8,85
Высота, м
11,83 11,83
24,2
Масса общая, т
64,6 90,4
204,1
379,2
4,0
В том числе днища
11, 6
19,8
41,2
86,7
11,6
5,6
31,4
11,92
Стенки
43,6
90,9
17,95
146,8
Щитового покрытия кровли
13,4
18,4
55,5
118,8
Расход стали . кг/ м3 . ёмкости
23,0
23,1
22,3
23,5
24,8
Масса понтона или плавающей крыши
12,7
16,7
51,0
99,8
(135,5
95
17,95
830,6
157,8
411,5
242,4
20,5
179,7)
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ……………………………………………………………………………………..
1. Общие сведения ………………………………………………………………………….
2. Нагрузки и общие положения расчёта ………………………………………………..
3. Генеральные размеры резервуаров …………………………………………………..
4. Конструкции оснований и днищ резервуаров ………………………………………
5. Стенки резервуаров ……………………………………………………………………..
5.1. Конструкции стенок ……………………………………………………………
5.2. Расчёт стенки резервуара на прочность …………………………………….
5.3. Определение усилий и проверка прочности в месте сопряжения стенки
и днища резервуара ………………………………………………………………
5.4. Расчёт стенки резервуара на устойчивость ………………………………...
6. Крыши резервуаров ……………………………………………………………………..
6.1. Каркасная коническая крыша ………………………………………………….
6.2. Висячая (шатровая) крыша ……………………………………………………
6.3. Сферическая крыша ……………………………………………………………..
6.4. Плавающая крыша (понтон) …………………………………………………...
Примерный перечень вопросов для оценки степени освоения курса……………..
Заключение …………………………………………………………………………………
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ………………………………………………………
Приложение. Справочные материалы ……………………………………………………...
3
4
6
7
10
19
19
27
30
34
42
42
53
58
72
90
91
92
93
Учебное издание
Панин Анатолий Васильевич
ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ РЕЗЕРВУАРЫ
РАСЧЁТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Учебное пособие
для студентов, обучающихся по направлениям
270800 - «Строительство», 271101 - «Строительство уникальных зданий и сооружений»,
131000 – «Нефтегазовое дело», 130301 - «Теплоэнергетика и теплотехника»
Редактор Аграновская Н.Н.
Подписано в печать 12.11.2015. Формат 60х84 1/16. Уч.-изд. л. 12,0.
Усл.-печ. л 12,1. Бумага писчая. Тираж 180 экз. Заказ № 472.
Отпечатано: отдел оперативной полиграфии издательства учебной литературы
и учебно-методических пособий Воронежского ГАСУ
394006, Воронеж, 20-летия Октября
96
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
272
Размер файла
12 791 Кб
Теги
панин, 767, цилиндрическом, вертикальной, резервуаров
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа