Расчет стенки на прочность

Общие сведения, классификация и назначение резервуаров.

 

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

В зависимости от положения в пространстве и геометрической формы резервуары делят на: вертикальные цилиндрические; горизонтальные цилиндрические; сферические; каплевидные; торовые; траншейные.

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

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

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

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 ниже атмосферного, в резервуаре образуется вакуум, что может привести к потере устойчивости корпуса. Во избежание этого предусматривают дыхательный клапан, через который атмосферный воздух попадает в резервуар. При повышении температуры увеличивается внутреннее давление и вместе с ним - опасность разрушения резервуара. Для защиты резервуара от разрыва предусматривают предохранительный клапан, через который газовоздушная смесь, наполненная парами хранимого продукта, выбрасывается в атмосферу. Чем ниже давление, при котором срабатывает клапан, тем больше потери хранимого продукта, но меньше стоимость резервуара вследствие простоты его конструкции и малой толщины стенки корпуса. Годовые потери от малых дыханий составляют в среднем 0,5 ¸ 1% хранимого продукта.

Большие дыхания происходят при наполнении и при опорожнении резервуара. При опорожнении в резервуар засасывается атмосферный воздух, при наполнении воздух вместе с парами продукта выбрасывается в атмосферу. В среднем потери при заполнении резервуара бензином составляют в зимнее время 0,35 кг/м³ ёмкости, в летнее время – 0,55 кг/м³ ёмкости за один цикл. Определяющее влияние на потери при больших дыханиях имеет число циклов наполнения-опорожнения в год (оборачиваемость резервуара). Это число зависит от назначения нефтехранилищ (перевалочные или распределительные) и колеблется в пределах от 12 до 96 циклов в год.

Потери нефтепродуктов можно существенно снизить или даже совсем ликвидировать, увеличив расчётное избыточное давление в резервуаре или ликвидировав газовою подушку, отделив воздушное пространство от жидкости путём устройства плавающей крыши или понтона.

Для хранения сырой нефти с низки потенциалом бензина, отбензиненной нефти, керосина, дизельного топлива, мазута, и тёмных нефтепродуктов применяют резервуары, рассчитанные в газовом пространстве до 2 кПа. Для хранения бензина и сырой нефти с высоким потенциалом бензина применяют резервуары повышенного давления – до 70 кПа, или резервуары с плавающими крышами (понтонами).

Для хранения больших объёмов сжиженных газов применяют горизонтальные цилиндрические и сферические резервуары.

 

3. Вертикальные цилиндрические резервуары низкого давления.

 

Вертикальные цилиндрические резервуары (рис.2.1) используют при избыточном давлении в паровоздушной зоне до 2 кПа и вакууме до 0,25 кПа.

Рис. 2.1. Фасад и разрез резервуара вместимостью 5000 м³.

Эти резервуары имеют плоские днища, изготовленные из стальных листов толщиной 4¸6 мм, и стенки в виде ряда поясов, толщина которых увеличивается пропорционально росту давления жидкости по мере при­ближения к днищу. Тип крыши зависит как от вместимости резервуара, так и от величины внутреннего давления под крышей. На практике наибо­лее часто применяют конические, сферические и плавающие крыши. Ре­же используют висячие (шатровые), складчатые крыши.

Вместимость вертикальных цилиндрических резервуаров колеблется от 100 до 120000 м³ и увеличивается по мере разработки противопожар­ных мероприятий.

При определении оптимальных размеров резервуаров (высоты и диа­метра) за критерий оптимальности обычно принимают удельный расход стали, приходящийся на 1 м³ их полезного объема.

Суммарная масса резервуара складывается из масс днища, крыши и стенки. Она получается минимальной, если масса днища и крыши равна массе стенки.

В этом случае

, (2.1)

где - высота резервуара; - удельный вес хранимой жидкости, - расчетное сопротивление сварного шва; m = 0,8 - коэффициент условий работы, n - коэффициент надежности по нагрузке от гидро­статического давления жидкости; - сумма приведенных толщин кры­ши и днища, зависящих от объема резервуара (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Приведенные толщины для резервуаров

V, м3
, см	0,9	1,2	1,4	1,6	1,7	1,8

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.

При назначении высоты стенки и диаметра резервуара учитывают условие кратности высоты резервуара ширине листов, а длины окружно­сти - длине листов. Наиболее часто в резервуарах применяют листы размерами 1500 х 6000; 1800 х 8000; 2000 х 8000 мм, следовательно, вы­соту резервуаров следует принимать кратной 1490, 1790 или 1990 мм в за­висимости от принятого типоразмера листов, а длину окружно­сти - кратной соответственно 5990 или 7990 мм (с учетом строжки лис­тов). Разрешается принимать длину окружности, кратной половине длины листов.

Высота резервуаров, изготовляемых способом рулонирования, обыч­но не превышает 9 м при V£1500 м³,12 м при V£5000 м³ и 18 м при боль­ших объемах.

 

3.1. Основания и днища резервуаров

 

Вертикальные цилиндрические резервуары располагают на достаточ­но простых песчаных основаниях ввиду незначительности передаваемого на них давления. Обычно вначале удаляют растительный слой, засыпают площадку насыпным грунтом и уплотняют его катками. Поверх насыпно­го грунта укладывают и уплотняют песчаную подушку, выравнивают ее, организуя уклон от центра к периферии для стока и последующего удале­ния подтоварной воды и отстоя. Уклон выполняют равным 1:50 для ре­зервуаров вместимостью 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 1,5¸2,0 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, мазутом или нефтью.

Для резервуаров вместимостью 10000 м³ и более по периметру осно­вания устраивают железобетонное кольцо.

На скальных грунтах устройство оснований иногда сводится к вырав­ниванию площадки и подсыпки 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.

Днища резервуаров испытывают незначительные напряжения от дав­ления жидкости, поэтому толщину их принимают по технологическим соображениям удобства и надежности выполнения сварных соединений и сопротивляемости коррозии.

Днище резервуара состоит из четного числа полотен (для возможно­сти создания уклона), каждое из которых обычно не превышает 12 м по ширине.

Полотна сваривают из листов размерами 1500 х 6000 мм или 2000 х 8000 мм толщиной 5 мм при вместимости до 10000 м³ и толщиной 6 мм при больших объемах. Сборку и сварку полотен на заводах выполняют на механизированных станах, где плоскую большеразмерную заготовку сворачивают 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 двусторонней автоматиче­ской сваркой плотнопрочными швами с полным проваром по толщине свариваемого металла. Присадочные материалы должны обеспечивать равнопрочность сварного шва встык основному металлу. Поперечные стыки полотен днища обычно совмещают в прямую линию. В случаях, когда применяют разбежку всех или части поперечных стыков, величина последней должна быть не менее 500 мм.

В резервуарах малого объема допускаются нахлесточные соединения листов по длинным кромкам с перекрытием 30¸60 мм, а для толщин 4¸5 мм - по всем кромкам, при условии подгибки листов в местах трой­ной нахлестки.

На монтаже изготовленные и рулонированные на заводе полотна дни­ща накатывают на подготовленное основание, освобождают от закрепле­ния и разворачивают в проектное положение. Полотна днища соединяют внахлест, минимальная величина нахлеста - 30 мм.

Крайние листы (окрайки), составляющие периферийную часть дни­ща, начиная с резервуаров объемом 2000 м³, делают на 2¸3 мм толще листов средней части днища, что связано с восприятием окрайками зна­чительных краевых усилий. Расстояние от края днища (окраек) до стыков с более тонкими листами центральной части полотен должно быть не ме­нее 1000 мм. В резервуарах вместимостью более 5000 м³ окрайки делают значительной толщины, более 10¸12 мм (примерно 0,35¸0,5 t_w), что не позволяет равномерно сворачивать полотнища в рулон. Поэтому толстые окрайки днища поставляют из отдельных листов сегментной формы и приваривают к основным полотнам внахлест. Соединения окраек между собой выполняют стыковыми швами на остающихся подкладках (рис.2.2).

Рис.2.2. Днища резервуаров вместимостью 5000 м³ (слева) и 10000 м³ (справа).

В случае полистовой сборки днища все листы соединяют между со­бой внахлестку односторонними швами.

 

3.2. Стенки резервуаров.

 

Цилиндрические стенки резервуаров состоят из ряда поясов высотой, равной применяемой ширине листов (1500, 1800 или 2000 мм). В резер­вуарах малой вместимости при толщине листов 4 мм сопряжение поясов может осуществляться внахлестку как при изготовлении на заводе, так и на монтаже. Начиная с резервуаров вместимостью 800 м³ толщина листов для нижних поясов постепенно увеличивается, что отражает увеличение воспринимаемых нагрузок от столба жидкости. В этом случае все соеди­нения листов выполняют встык.

Стенки резервуаров, как правило, изготовляют на специализирован­ных заводах и поставляют в виде полотнищ, свернутых в габаритный ру­лон, удобный для перевозки к месту монтажа по железной дороге.

Стенки в одном рулоне поставляют для резервуаров объемом до 5000 м³. Полотнища стенок резервуаров большой вместимостью постав­ляют в виде нескольких рулонов, масса которых определяется грузоподъ­емностью обычных четырехосных железнодорожных платформ (60 т).

Рис. 2.3. Полотнище стенки резервуара вместимостью 10000 м³.

На рис. 2.3 представлена стенка резервуара вместимостью 10000 м³. Стенка состоит из двух одинаковых полотнищ. Длина полотнища дана с припус­ком 140 мм для образования монтажных стыков. Монтажные швы стенки варят встык электродами типа Э50А с контролем проникающим излуче­нием по всей длине.

В резервуарах значительных объемов расчетная толщина нижних поясов стенки в случае применения малоуглеродистых сталей оказывает­ся столь велика, что исключает применение рулонирования полотнищ. В этом случае оказывается целесообразным использование в нижних поя­сах стенок высокопрочной стали (полотна стенок, свернутые в рулон, разворачиваются без заметных пластических деформаций, если толщина стенки не превышает 18 мм).

Чтобы использовать метод рулонирования для резервуаров больших объемов с расчетной толщиной стенки большей, чем допустимо техниче­ским пределом, нижние пояса стенок можно усилить бандажами, сделать двухслойную стенку или создать предварительное напряжение обратного знака путем обмотки стенки высокопрочной проволокой.

Бандажи изготовляют из отдельных свальцованных листов, сварен­ных между собой по коротким сторонам. Их приваривают к усиливаемым поясам стенки понизу и поверху швом с катетом 4 мм.

Наружный слой двухслойной стенки выполняют в виде нескольких полотнищ, соединяемых между собой монтажными швами на подклад­ках. Наружная оболочка приподнята над уровнем днища на высоту 100 мм. Зазор между оболочками порядка 50 мм заполняют бетоном, пере­дающим напряжение от внутренней стенки к наружной.

Резервуары вместимостью 10000¸20000 м³ рулонной сборки показа­ли себя в эксплуатации вполне надежными. В резервуарах вместимостью 50000 м³ и более наблюдается угловатость монтажного стыка, сопровож­дающаяся пластической деформацией металла и опасностью развития малоцикловой усталости. По этой причине, а также в случае отсутствия надлежащего оборудования, сложностях транспортировки или при нали­чии других веских причин стенки резервуаров монтируют методом поли­стовой сборки. Стенку резервуара изготовляют и монтируют из свальцо­ванных листов одинаковой длины с разделанными на заводе кромками. Разделка V-образная, Х-образная и К-образная, в зависимости от положе­ния шва в пространстве и его толщины (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Развертка стенки полистовой сборки резервуара вместимостью 50000 м³.

При монтаже замыкаю­щий лист каждого пояса обрезают 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.

 

3.3. Общие положения расчета элементов вертикальных цилиндрических резервуаров

 

Несущие конструкции вертикальных цилиндрических резервуаров рассчитывают по предельным состояниям в соответствии со строитель­ными нормами и правилами СНиП II 23-81 «Стальные конструкции. Нормы проектирования», СНиП III 18-75 «Металлические конструкции. Правила производства и приёмки работ», с учетом дополнительных требова­ний по СНиП 2.09.03-85 «Сооружение промышленных предприятий». В соответствии с ним стенки и окрайки днищ резервуаров вместимостью 10 тыс. м³ и более, фасовки крыш резервуаров отнесены к 1-й группе конст­рукций. Ко 2-й группе отнесены стенки и окрайки днищ резервуаров вме­стимостью менее 10 тыс. м³, покрытия, опорные кольца покрытия и коль­ца жесткости, центральные части днищ, понтона и плавающие крыши ре­зервуаров всех вместимостей.

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

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

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

 

 

Стенка корпуса является несущим элементом резервуара и рассчи­тывается по методу предельных состояний в соответствии с требования­ми СНиП II-23-81. Нормативные нагрузки, действующие на стенку ре­зервуара, а также коэффициенты перегрузки принимают в соответствии со СНиП II-6-74. Кроме этого, принимают дополнительные коэффициен­ты перегрузок и условий работы, не содержащиеся в СНиП: для избы­точного давления и вакуума n₂=1,2; при расчете подъема стенки резер­вуара от избыточного давления и отсоса от ветровой нагрузки n₃= 0,9; при расчете стенок на прочность = 0,8; при расчете стенок на устойчи­вость =1; при расчете сопряжения стенок с днищем и других зон крае­вого эффекта =1,6.

Стенку резервуара рассчитывают на прочность по безмоментной тео­рии как цилиндрическую оболочку, работающую на растяжение от дей­ствия гидростатического давления жидкости и избыточного давления газа. Расчетное давление на глубине х от днища резервуара (рис. 22.5) равно:

(22.3)

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

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

(22.4)

Прогиб стенки (радиальное перемещение) определяется по норма­тивному давлению

(22.5)

где - коэффициент постели.