РАЗВИТИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ФОРМ РЕЗЕРВУАРОВ

 

Основными критериями выбора новых конструктивных форм резер­вуаров являются: снижение удельного расхода металла на единицу объема; технологичность изготовления и монтажа; оптимальный режим работы несущих элементов; использование типовых конструкций с мак­симальной унификацией элементов; необходимость создания резервуа­ров большой вместимости.

Прямоугольный в плане резервуар с гибкой стенкой (ПРГС) состо­ит из каркаса, тонколистового корпуса и системы стабилизации. Кар­кас ПРГС представляет собой систему поперечных рам, включающих колонны и ригели в виде стропильных ферм (рис. 22.23, а).

Колонны, расположенные по торцовым сторонам каркаса, можно рассматривать как наружные стойки продольных рам с ригелями в виде обвязочных балок, щитов покрытия и подстропильных ферм. Каркас воспринима­ет нагрузки от веса продукта, хранящегося в резервуаре, веса конст­рукций, оборудования, снега и теплоизоляции.

Рис. 22.23. прямоугольный в плане резервуар с гибкой стенкой

а - конструктивная схема; б – схема раскроя листов стенки-днища; 1 – фермы покрытия крыши; 2 – обвязочные балки; 3 - колонны; 4 – элементы стабилизации; 5 – элементы жесткости; 6 – гибкая стенка-днище

 

Главным несущим элементом резервуара является стенка-днище, которая выполняется из тонких стальных полотнищ постоянной толщи­ны. Полотнища укладываются на основание и образуют плоское днище, а их свободные участки крепятся по периметру к обвязочным балкам и формируют цилиндрические поверхности продольных и торцовых стенок. При этом образуется гибкая висячая система, работающая в основном на растяжение. Форма поверхности стенки соответствует очер­танию гибкой нити под действием гидростатической нагрузки.

Стенка-днище может доставляться на монтажную площадку в ви­де рулонов вместе с обвязочными балками. Раскрой листов предпола­гает всего три типоразмера (рис. 22.23, б). Расчетная толщина стенки всего 2¸3 мм для резервуаров объемом до 200 тыс. м³, если высота их не превышает 10 м.

Система стабилизации ПРГС состоит из продольных балок (стрин­геров), размещаемых вдоль образующих поверхности стенки, и попе­речных тяжей, шарнирно прикрепленных к балкам и наружным колон­нам каркаса. Система стабилизации предназначена для уменьшения пе­ремещений стенки-днища во время наполнения или слива резервуара. ПРГС является резервуаром низкого давления и предназначен для хранения нефти, нефтепродуктов и других жидкостей. Расчеты резер­вуаров этого типа объемом 5000¸150 000 м³ показали, что удельный расход металла на единицу объема в зависимости от его вместимости составляет всего 10¸12 кг.

Возможность эффективного применения метода рулонирования для резервуаров низкого давления большого объема (до 200 тыс. м³) прин­ципиально может быть решена при строительстве мультицилиндрических резервуаров с плавающей крышей (рис. 22.24).

Рис. 22.24. Мультицилиндрический резервуар

1 - стенка; 2 - контрфорс; 3 – обвязочные балки; 4 – плавающая крыша; 5 – щиты покрытия

 

Стенки такого резервуара состоят из отдельных цилиндрических па­нелей небольшого радиуса (=15...20 м), поэтому толщина листа мо­жет быть принята в пределах допустимой (до 16¸18 мм) для рулонирования. Стык рулонов выполняется через промежуточный жесткий эле­мент- контрфорс, который передает внутреннее боковое давление на фундамент, а вверху - на кольцевую обвязку.

Глава 3 ГАЗГОЛЬДЕРЫ

 

3.1. Назначение и классификация газгольдеров

 

Газгольдеры предназначены для хранения, смешения и регулирова­ния расхода и давления газов, они служат аккумуляторами, выравниваю­щими как производство, так и потребление газа. Их включают в газовую сеть между источником получения газа и его потребителями.

Газгольдеры применяют для хранения природного и искусственного газа, на металлургических, коксохимических и газовых заводах, в хими­ческой и нефтяной промышленности, в городском хозяйстве.

По своим технологическим особенностям и требованиям газгольдеры разделяют на два типа: переменного объема (постоянного давления) и по­стоянного объема (переменного давления). Газгольдеры переменного объема предназначены для эксплуатации при низком избыточном давле­нии (не выше 0,005 МПа), а газгольдеры постоянного объема - для хра­нения газа при более высоком избыточном давлении (нередко более 0,4 МПа).

Газгольдеры постоянного объема имеют цилиндрическую или сфери­ческую геометрическую форму.

Цилиндрические газгольдеры могут быть как вертикальными, так и горизонтальными и иметь различную форму днищ: сферическую, эллип­тическую и торовую. Объемы их колеблются от 100 до 200 м³ при внут­реннем давлении от 0,4 до 1,8 МПа. В отдельных случаях давление может достигать 7,0 МПа и более.

Объемы сферических газгольдеров составляют 600¸1000 м³. Они более экономичны по массе, расход металла на их изготовление на 40% меньше, чем на цилиндрические.

В газгольдерах переменного объема постоянное по значению внут­реннее давление сохраняется в результате опускания или подъема верх­ней части газгольдера. По конструкции газгольдеры переменного объема разделяют на мокрые и сухие. В мокрых газгольдерах нижняя часть за­полнена водой, которая образует водяной затвор, обеспечивающий герметичность газового пространства. В сухих газгольдерах вода отсутству­ет. Их верхняя часть представляет собой конструкцию в виде поршня, изменение положения которого определяет объем внутреннего пространства газгольдера при заданном внутреннем давлении.

 

3.2. Газгольдеры переменного объема

 

3.2.1. Мокрые газгольдеры

 

Мокрые газгольдеры применяют главным образом для хранения га­зов, не вызывающих интенсивной коррозии стали.

Рис. 3.1. Схема мокрого газгольдера с вертикальными напрявляющими:

а) подвижные звенья опущены; б) подвижные звенья подняты давлением газа; 1 - колокол; 2 - 1-й телескоп; 3 - 2-й телескоп; 4 - резервуар; 5 - внешние направляющие; 6 - внутренние направляющие; 7 - верхний ролик колокола; 8, 9 - верхние ролики телескопа; 10 - нижний ролик колокола; 11, 12 - нижние ролики телескопа; 13 - газоввод; 14 – колпак над газовводом с перепускной трубой; 15 – верхние бетонные грузы; 16 – нижние чугунные грузы

 

Они имеют объем 100¸10 000 м³ и состоят из следующих основных частей (рис.3.1): резер­вуара с водой 4, промежуточных кольцевых звеньев (телескопов) 2,3, ко­локола 1, внешних направляющих 5 и внутренних направляющих 6. В конструкциях газгольдеров небольшого объема телескоп может отсутст­вовать. Через дно резервуара под колокол подводят трубопроводы 13 для подачи и расходования газа.

Принимают следующие марки стали: для корпуса (оболочки) резер­вуара и подвижных звеньев газгольдера при расчетной температуре ниже -30° - сталь С255, при температуре выше -30° - сталь С245, при этом необходимы дополнительные гарантии по химическому составу; для про­чих расчетных элементов - сталь С235 с дополнительными гарантиями загиба в холодном состоянии.

Непроницаемость соединения отдельных движущихся частей мокро­го газгольдера обеспечивается гидравлическими затворами, представ­ляющими собой два кольцевых желоба, входящих один в другой.

При наполнении порожнего газгольдера газом колокол газгольдера поднимается из своего нижнего положения, зачерпывает воду из резер­вуара нижним желобом и захватывает им верхний желоб телескопа.

В зависимости от числа подвижных частей (колокола и телескопа) газгольдер бывает однозвеньевым, двухзвеньевым и т. д. Резервуар газ­гольдера иногда может быть выполнен не стальным, а железобетонным. Если во внутреннем объеме газгольдера требуется сохранить сверхниз­кое давление, то колокол поддерживается в нужном положении системой противовесов или понтонами.

Плавность движения телескопа и колокола обеспечивается внешними и внутренними направляющими, по которым движутся ролики. Верхние ролики скользят по наружным направляющим стойкам каркаса, ниж­ние - по внутренним стойкам каркаса, приваренным к оболочке ниже­расположенного звена. Наружные направляющие укрепляют на стенке резервуара.

Наиболее выгодные с точки зрения расхода стали размеры мокрого газгольдера средних объемов достигаются в случае, когда высота его от днища до обвязочного кольца крыши (при наивысшем положении коло­кола) приблизительно равна среднему диаметру. Для газгольдеров малых объемов оптимальная высота немного больше диаметра, для газгольде­ров крупных объемов - несколько меньше.

К недостаткам мокрых газгольдеров относятся существенные колеба­ния давления газа, а также трудность их обслуживания при отрицатель­ной температуре. В последнем случае приходится либо подогревать воду в резервуаре и затворах, либо устанавливать газгольдеры в специальных отапливаемых зданиях, объем которых значительно превышает объем и габаритные размеры газгольдеров.

 

Основные положения расчета

 

Газгольдеры переменного объема рассчитывают по методу предельных состояний в соответствии с указаниями специальных технических условий и главы СНиП II-23-81. Стенки телескопа и колокола рассчитывают на наибольшее возмож­ное давление газа в газгольдере, значение которого определяется весом колокола и телескопа с затворами, заполненными водой, и весом снега на крыше колокола. При расчете стенки резервуара кроме этого давления учитывают гидростатическое давление жидкости. Сферическую крышу колокола рассчитывают на снеговую нагрузку и проверяют на наибольшее возможное давление газа за вычетом веса крыши при отсутствии сне­говой нагрузки. Стрелу подъема сферического купола крыши газгольдера назначают равной 1/15 диаметра цилиндрической части колокола. Обвя­зочное кольцо крыши проверяют на устойчивость под действием макси­мального давления газа на крышу.

При основных сочетаниях нагрузок (с одной и несколькими кратко­временными нагрузками, при соответствующих коэффициентах сочета­ний) учитывают: вес конструкций; давление газа и (или) воды; снег, рас­пределенный по всей поверхности крыши или на половине ее поверхно­сти; временные нагрузки на площадке обслуживания; нагрузку от ветра. При особом сочетании принимают во внимание нагрузку от собственного веса; нагрузку от давления жидкости и газа; сейсмическое воздействие.

В рас­четах учитывают следующие коэффициенты перегрузки: для собствен­ного веса конструкций =1,1; для давления газа под колоколом =1,2; для давления воды в резервуаре =1,1; для полезной (времен­ной нагрузки (2 кН/м²) на обслуживающие площадки и лестницы =1,2; для снега на колоколе - на всей крыше или на половине по­верхности крыши интенсивностью, соответствующей данному району строительства, согласно СНиП II-6-74, но не менее 1 кН/м² (III район), =1,4, при этом нагрузка на всей крыше, несмотря на сферическую ее поверхность, не уменьшается; для ветровой нагрузки с аэродинамичес­ким коэффициентом =0,7 =1,2.

Значение коэффициента условий работы принимают равным: для корпуса резервуара газгольдера =0,8; для внешних вертикальных на­правляющих =0,9; для сжатых основных элементов крыши колокола (стропила, пояса жесткости и др.) =0,9; для прочих элементов =1. При расчете на прочность с учетом сейсмических сил (особое сочета­ние нагрузок) принимают специальный коэффициент условий работы =1,4.

Максимальное давление газа под колоколом возникает при его наивысшем положении, его принимают с учетом собственного веса под­вижных звеньев газгольдера, уровня воды в затворах, пригрузки, а также с учетом плотности воздуха и хранимого газа по формуле

(3.1)

где - диаметр колокола в однозвеньевом газгольдере; - общий вес колокола, телескопа, пригрузки, оборудования на подвижных звеньях, роликов, направляющих воды в затворах; - вес погружаемых в воду частей колокола и телескопа; , , - удельный вес соответственно ста­ли, воды и газа.

Стенки резервуара, телескопов и колокола (крыши) выполняют, как правило, из рулонированных заготовок. Толщину стенки резервуара оп­ределяют по формуле

, (3.2)

а толщину стенок телескопов и колокола - по формуле

. (3.3)

Так как давление газа под колоколом мало, то расчетная толщина стенки колокола получается незначительной и ее назначают конструк­тивно в пределах 4¸5 мм.

Крыша колокола состоит из тонколистовой сферической (пологой) оболочки и поддерживающих ее радиально расположенных в плане арок, которые между собой соединены кольцевыми стержнями и системой свя­зей (решеткой), образующими купольную систему. Наиболее часто при­меняют «дышащую» крышу, когда оболочка крыши свободно лежит на стропилах и не скрепляется с ними, ее приваривают только к упорному уголку в зоне опорного кольца. Вследствие этого усилия от внутреннего избыточного давления воспринимаются оболочкой крыши как мембра­ной без включения в работу стропильных конструкций. Поэтому толщи­ну стенки крыши определяют как для сферической оболочки по формуле

, (3.4)

где - радиус сферической оболочки; - разность между внутренним избыточным давлением в газгольдере и весом оболочки.

Стропила рассчитывают на нагрузку от собственного веса крыши и снега на ней.

Конструкции наружных направляющих, связанных между собой кольцевыми площадками и раскосами, можно представить в виде систе­мы, как пространственный сквозной призматический стержень, загру­женный сосредоточенными силами от давления наружных роликов, пере­дающих ветровую нагрузку, которая воспринимается телескопами и ко­локолом, а также одностороннюю снеговую нагрузку на крышу колокола.

Раскладывая эти сосредоточенные силы по плоским фермам, состав­ляющим грани призм, и рассматривая их как консольные системы, опре­деляют осевые усилия во всех элементах. Наибольшие усилия возникают в тех элементах граней, которые оказываются параллельными направле­нию ветра. Кроме продольных усилий наружные направляющие могут испытывать местный изгиб от сосредоточенного давления роликов, что также нужно учитывать в расчете.

Горизонтальные кольца, кроме осевого растягивающего усилия, должны быть проверены на изгиб в вертикальной плоскости от собствен­ного веса и вертикальной нагрузки (в пределах до 2 кН/м²).

Пригрузку составляют, как правило, бетонные плиты, которые распо­лагают на крыше колокола по ее наружному краю на специальной коль­цевой площадке, и чугунные элементы (грузы), которые размещают на нижнем кольце жесткости у гидрозатвора на специальном уширении. Вес пригрузки определяют по упрощенной формуле .

Рис. 3.2. Схема винтового мокрого газгольдера

а) общий вид; б) винтовая напрявляющая и ролики

 

Одной из разновид­ностей газгольдеров пе­ременного объема явля­ется геликоидальный винтовой мокрый газ­гольдер (рис.3.2). На на­ружных сторонах теле­скопов и колокола такого газгольдера размещены под углом 45° спиралеоб­разные направляющие, образующие в простран­стве отрезок винтовой линии, а на захватывающих чашах и на круговом обводе бассейна уста­новлены роликовые кронштейны, которые равномерно распределены по периметру. Направляющие вышерасположенного звена скользят между роликами нижнего звена, в результате чего звено перемещается в верти­кальном направлении и закручивается. Движение колокола и каждой те­лескопической секции направляется одним ярусом двухребордных роли­ков, которые жестко соединены попарно в подшипниках, укрепленных болтами на верхних кольцах каждой секции телескопа и на верхнем коль­це резервуара. Усилия от ветра уравновешиваются роликами, располо­женными под углом 45° к оболочке (в вертикальных плоскостях) и пере­дающими вертикальные усилия с плечом, равным диаметру газгольдера. Жесткость винтовых газгольдеров обеспечивается суммарной жестко­стью резервуара и телескопических звеньев. Направляющие ролики дей­ствуют совместно и практически не могут потерять взаимной регулиров­ки после окончания их монтажа.

Винтовые газгольдеры более выгодны по расходу стали, чем газголь­деры с вертикальными направляющими, так как в них исключены внеш­ние направляющие со связями и уменьшена масса площадок и лестниц с ограждениями, однако они не получили широкого применения в нашей стране.

 

3.2.2. Сухие газгольдеры

 

Сухие газгольдеры применяют в случае, когда хранимые газы имеют вы­сокую концентрацию (до 99,9% и выше) и не допускают увлажнения (эти­лен, пропилен и др.). Объем их колеблется в пределах от 10 до 600 тыс. м³.

Рис. 3.3. Схема сухого газгольдера объемом 100 000 м³:

1 – площадка фонаря; 2 – шайба в верхнем положении; 3 – шайба в нижнем положении; 4 - обшивка; 5 – цепная лестница; 6 – подъемная клеть; 7 – наружный подъемник; 8 – подвод газа

 

Конструкция сухих газгольдеров (рис.3.3) состоит из цилиндрической оболочки (обшивки) 4,сварен­ной с плоским днищем, по­коящимся на песчаной по­душке основания, и со сферической крышей, вы­полненной из листов толщи­ной 3¸4 мм, которые крепят к каркасу в виде радиально расположенных гнутых швеллеров. Внутри цилинд­рического корпуса переме­щается специальная конст­рукция в виде поршня (шай­бы) 3, плотно прилегающего к внутренней поверхности корпуса. Шайба имеет несу­щий каркас и наружную об­шивку из листовой стали. Несущий каркас образуется пространственной конструк­цией, состоящей из радиаль­но расположенных стальных балок или ферм, снабжен­ных на концах роликами, ко­торые скользят по стенкам корпуса газгольдера. По очертанию поршень бывает плоским или пологим сферическим.

Наиболее сложной и ответственной конструкцией сухого газгольдера является затвор, перекрывающий зазор между шайбой и корпусом. Суще­ствуют затворы с консистентной и жидкой смазкой.

Последние (рис. 3.4) получили наибольшее распространение в отечественной практике. С по­мощью рычага 1 с грузами 2 прижимное эластичное кольцо 3 сфартуком 4, 5 удерживает газгольдерное масло 6 внутри затвора. Часть масла проса­чивается через неплотности затвора и стекает по стенкам вниз, попадая в кольцевой желоб на днище газгольдера. После очистки масло по наруж­ному трубопроводу подается наверх, откуда через отверстия в стенке кор­пуса газгольдера стекает по внутренней поверхности стенки в затвор.

Рис. 3.4. Поперечный разрез затвора сухого газгольдера с жидкостным уплотнением

 

Поршневые газгольдеры могут достигать весьма боль­ших размеров. Самый крупный в мире сухой газгольдер объе­мом 600 тыс. м³ (Германия) имеет высоту 150 м.

Рис. 3.5. Сухой газгольдер с гибкой секцией:

1 – выравнивающие ролики; 2 – трос выравнивающих роликов; 3 – защитная стенка шайбы; 4 – каркас шайбы; 5 – гибкая секция из прорезиненной ткани; 6 – нижний листовой настил

В последнее время разра­ботаны конструкции сухих газ­гольдеров, имеющих гибкую связь шайбы с корпусом, осу­ществляемую с помощью эла­стичной оболочки из специаль­ной газонепроницаемой ткани (рис. 3.5).

Гибкая секция (мем­брана) из ткани прикреплена как к резервуару, так и к под­вижной шайбе. При подъеме шайбы оболочка мембраны распрямляется, создавая ем­кость для хранения газа, при опускании гибкая оболочка ук­ладывается в зазор между стен­кой корпуса и защитной стен­кой шайбы.

Шайба при своем движе­нии должна сохранять гори­зонтальное положение, для че­го предусмотрено выравни­вающее устройство (рис. 3.6), напоминающее приспособле­ние для черчения из роликов и ниток, с помощью которого рейсшина перемещается па­раллельно самой себе.

Рис. 3.6. Выравнивающая система шайбы:

а) принципиальная схема выравнивающего устройства; б) узел выравнивающего устройства; 1 - корпус; 2 - шайба; 3 - ролики; 4 - канат; 5 – верхний узел натяжного устройства; 6 – коробка натяжного устройства; 7 – крышка коробки; 8 – козырек узла закрепления каната; 9 – сжимы для канатов

Стенки корпуса и днища сухих газгольдеров изготовля­ют в нашей стране из рулон­ных заготовок. Стенка корпуса снабжена (усилена) каркасом из вертикальных стоек, заделанных в фундамент, и гори­зонтальных колец из прокатных профилей. В настоящее время все соединения элементов су­хих газгольдеров выполняют сварными.

Сравнение удельного рас­хода стали для газгольдеров од­ного и того же объема (напри­мер, 10 тыс. м³) показывает, что в газгольдере с гибкой секцией расход стали (28,8 т) значитель­но меньше, чем в газгольдерах поршневого типа (31,4 т), т.е. на 8,5%. Кроме того, в последних оказалось более сложной систе­ма уплотняющего затвора с жидкостным уплотнителем.

 

Основные положения расчета

 

Основным расчетным эле­ментом сухого газгольдера яв­ляется стенка корпуса, которую рассчитывают на избыточное внутреннее давление. Расчет­ная толщина стенки оказывает­ся незначительной, поэтому обычно принимается конструк­тивно равной 5 мм. Так как кон­струкция корпуса является тон­костенной цилиндрической оболочкой, то его проверяют также на устойчивость при от­сутствии газа и наличии вакуу­ма. В этом случае от веса корпу­са и крыши с оборудованием, веса снега на крыше, а также от полезной нагрузки в корпусе возникают продольные мери­диональные напряжения, кото­рые не должны превышать кри­тических значений.

 

3.3. Газгольдеры постоянного объема

 

Природный газ, выходящий из недр земли под большим давлением, может быть использован для отопления, освещения, для бытовых нужд и для получения энергии на значительных расстояниях от места его до­бычи. Газ подают по магистральным газопроводам протяженностью в сотни и тысячи километров под весьма высоким давлением (до 7,0 МПа). Вблизи места потребления газ собирают на газгольдерных стан­циях, где его используют для покрытия суточного и недельного расхо­дов, а также для обеспечения равномерного давления в газопроводах. Наиболее рациональным типом газгольдеров в условиях поступления газа под высоким давлением в значительных количествах и при боль­шом суточном обороте являются газгольдеры постоянного объема, не имеющие подвижных частей.

Газгольдерная станция газопровода природного газа имеет общую ра­бочую емкость до 500 тыс. м³ и требует большого числа газгольдеров. Размещение газгольдеров на станции производится в соответствии с тре­бованиями противопожарных норм, касающихся разрывов между от­дельными газгольдерами, а также продиктовано удобством их эксплуата­ции. Газгольдеры объединяют в секции: габаритные - по 10¸20 шт., не­габаритные - по 4¸8 шт. в каждой секции. Объем секции при этом достигает 25 тыс. м³ полезного газа.

Расстояние в свету между соседними газгольдерами в одной секции принимают равным разрыв между секциями - , где - диа­метр газгольдера, а - общая длина секции.

По сравнению с газгольдерами низкого давления они требуют мень­шего расхода стали на 1 м³ свободного газа, более компактны, не нужда­ются в обогреве и просты в эксплуатации, но требуют больших затрат на оборудование для сжатия газа. Газгольдеры постоянного объема имеют рабочее давление от 0,4 до 2,0 МПа, поэтому их проектируют с учетом требований специальных правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под повышенным и высоким давлением. Объем газгольдера и предельное давление газа в нем регламентируются ГОСТ 5172-63.

Газгольдеры постоянного объема подразделяют на вертикальные ци­линдрические, горизонтальные цилиндрические и сферические.

 

3.3.1. Вертикальные цилиндрические газгольдеры

 

Вертикальные цилиндрические газгольдеры (ВЦГ) состоят из цилин­дрического корпуса, днища и крыши, которые чаще всего выполняют в виде полусфер, хотя возможны и другие конструктивные формы, напри­мер эллиптическая. Объем таких газгольдеров, например эллиптическо­го, колеблется от 50 до 300 м³, что позволяет делать их в основном габа­ритными для перевозки от завода - изготовителя до строительной пло­щадки. Установлено, что по сумме единовременных затрат на строительство газгольдерной станции и эксплуатационных расходов за 50-летний срок службы наиболее экономичными являются: при давлении газа до 0,7 МПа - однослойные негабаритные газгольдеры, а при давле­нии газа более 0,7 МПа - однослойные габаритные газгольдеры.

Оборудование газгольдера постоянного объема состоит из предохра­нительных клапанов, лаза для осмотра, штуцера для подключения газ­гольдера в сеть, вентиля для спуска воды (от гидравлического испытания или конденсата), патрубка для свечи.

Для осмотра, ремонта и обслуживания оборудования на уровне верха газгольдера устраивают площадку, огражденную перилами. Площадка сообщается с поверхностью земли лестницами: для газгольдеров высотой до 6 м - типа стремянки с ограждающими конструкциями, а для газголь­деров большей высоты - шахтной или винтовой.

Основными недостатками ВЦГ являются их значительная высота, за­трудняющая эксплуатацию, и относительно малый объем, приводящий к увеличению на станции числа газгольдеров, коммуникаций и оборудова­ния. Однако в тех случаях, когда речь идет об аппаратах высокого давле­ния, с этими недостатками приходится мириться.

Основной нагрузкой, определяющей толщину стенки цилиндриче­ского корпуса ВЦГ, является внутреннее давление газа. Кроме того, необ­ходимо учитывать собственный вес конструкций, давление воды (при гидравлических испытаниях), сосредоточенные силы при монтаже и дру­гие нагрузки. Толщина стенки корпуса обычно изменяется от 8 до 36 мм, однако стенки могут быть и большей толщины, причем все листы одно­слойной цилиндрической оболочки сваривают встык, что вызывает зна­чительные технологические трудности производства сварочных работ. В этом случае применяют многослойные рулонируемые крупногабаритные ВЦГ высокого давления с эффективным использованием различных схем предварительного напряжения. При изготовлении таких сооружений стенку корпуса по толщине разделяют на несколько зон. Сначала создают центральную обечайку (основу) из обычной или коррозионно-стойкой стали либо из цветного металла. С помощью специальных навивных ма­шин на эту основу навивают рулонную сталь с предварительным натяже­нием. Трубы отдельных обечаек обрабатывают механическим способом, после чего осуществляется наплавка кромок. Сварку кольцевых швов производят на стендах электрошлаковой сварки. Многослойные обечай­ки в отличие от однослойных не требуют многократного нагрева, уни­кальных термических печей и оборудования для ковки, штамповки, ка­либровки и нормализации и могут быть изготовлены при практически не­ограниченных габаритах и толщинах стенки. В настоящее время изготовление многослойных обечаек полностью механизировано и авто­матизировано. Область рационального применения таких газгольде­ров - крупногабаритные сосуды высокого давления с внутренним диа­метром цилиндрического корпуса до 3 м, толщиной стенки до 400 мм и массой до 500 т.

К многослойным сосудам давления относятся также сооружения, соз­даваемые спирально рулонным способом. На центральную трубу нама­тывают с предварительным натяжением или с предварительным нагре­вом стальную полосу по спирали без зазора между витками. Каждый по­следующий слой навивают в направлении, обратном предыдущему. Связь слоев между собой получается фрикционной.

Спирально-рулонные многослойные корпуса обладают существен­ным преимуществом по сравнению с рулонными, так как в них отсутству­ют массивные кольцевые швы, сварка которых является исключительно трудоемкой операцией и требует специального сварочного оборудова­ния. Кроме того, сварные швы являются зоной повышенных напряжений. Спирально-рулонные крупногабаритные сосуды могут изготавливаться непосредственно на месте их монтажа при невозможности их перевозки железнодорожным транспортом.

Другой способ изготовления сосудов высокого давления заключается в том, что на центральную трубу-основу навивают высокопрочную сталь­ную проволоку с предварительным натяжением. Витки проволоки распо­лагают вплотную друг к другу. Число слоев обмотки определяется расче­том и может достигать нескольких десятков. Навивка проволоки осуществ­ляется на стационарном заводском оборудовании, если наружный диаметр корпуса сосуда давления не превышает 3,5 м, либо специальными намо­точными машинами на месте монтажа, если его диаметр больше 3,5 м. Воз­можны два вида намотки проволоки - кольцевая и спиральная. Предвари­тельное напряжение позволяет создать оболочку, равнопрочную в осевом (меридиональном) и кольцевом направлениях. Область рационального применения таких газгольдеров - крупногабаритные и сверхкрупногаба­ритные сосуды с внутренним давлением до 40 МПа и выше.

Расчет вертикальных цилиндрических газгольдеров и сосудов давле­ния на прочность аналогичен расчету резервуаров.

 

 

3.3.2. Горизонтальные цилиндрические газгольдеры

 

Горизонтальные цилиндрические газгольдеры (ГЦГ) по своей конст­руктивной форме аналогичны горизонтальным цилиндрическим резер­вуарам (ГЦР). Они также состоят из цилиндрического корпуса, но так как являются емкостями (сосудами) повышенного и высокого давления, то днище в них делают только сферического или элипсоидального очерта­ния путем горячей штамповки листов на специальных прессах. По поло­жению в пространстве ГЦГ в большинстве являются надземными соору­жениями (рис.3.7) и реже - подземными.

Рис. 3.7. Горизонтальный газгольдер постоянного объема

 

Надземные газгольдеры, как правило, имеют две опоры. В цилиндрической оболочке корпуса над опо­рами устраивают кольца (диафрагмы) жесткости. В основном ГЦГ - га­баритные сооружения, их целиком изготовляют на заводе.

Расчетные толщины стенок цилиндрического корпуса и сферических днищ определяют по формулам:

для цилиндрического корпуса

; (3.5)

для сферических днищ

; (3.6)

где = 0,6 - коэффициент условий работы ГЦГ.

Кольца жесткости в корпусе в местах опирания газгольдера выполня­ют из составного или прокатного тавра, приваренного к стенке корпуса.

Наибольшие усилия в кольцах (диафрагмах) жесткости возникают при гидравлических испытаниях газгольдера водой. Сдвигающие усилия между стенкой корпуса и кольцом определяют по формуле (см. рис. 3.7)

, (3.7)

где - максимальное значение сдвигающего усилия в месте со­пряжения кольца жесткости со стенкой; - общий вес газгольдера с оборудованием и водой; - угловая координата.

При продольную силу определяют по формуле

. (3.8)

Кольца жесткости проверяют на совместное действие момента (см. эпюру моментов на рис. 3.7) и продольной силы. В условную площадь по­перечного сечения кольца жесткости включают часть стенки корпуса (на рис. 3.7 - разрез 2-2). В газгольдерах с небольшим значением внутрен­него избыточного давления кольцо жесткости выполняют из уголка, со­гнутого на перо и усиленного дополнительными стержнями (по типу опорных колец СГЦР).

 

3.3.3. Сферические газгольдеры

 

Сферические газгольдеры (СГ) являются наиболее рациональным ти­пом по расходу стали для газгольдеров постоянного объема. Однако от­носительно высокая стоимость изготовления и монтажа СГ ограничивает их широкое распространение. Сферические газгольдеры любого объема (в диапазоне от 100 до 6 000 м³ и более) не вписываются в железнодорож­ные габариты и поэтому не могут полностью изготовляться на заводе с доставкой в готовом виде на строительную площадку.

Диаметр корпусов СГ обычно принимают равным 10¸12 м. Их опира­ют на стойки, число которых принимают кратным четырем (4; 8; 12 сто­ек). Обычно стойки сферических газгольдеров устанавливают таким об­разом, чтобы они были направлены по касательной к сфере.

При больших давлениях возрастают трудности штамповки толстых листов, поэтому в некоторых случаях их заменяют несколькими более тонкими листами, которые не сваривают между собой в процессе изго­товления. Они прижимаются друг к другу внутренним давлением газа в процессе эксплуатации газгольдера. Многослойные сферические газ­гольдеры можно применять при давлении газа до 2,4 МПа.

Конструктивное оформление и методика расчета сферических газ­гольдеров такие же, как для сферических резервуаров для хранения сжи­женных газов (см.п.2.2.6).