Стальной вертикальный цилиндрический резервуар емкостью 5000 м 3

Республика Беларусь

Научно-проектное республиканское унитарное предприятие «ИнТест»

Предисловие

Нормативные документы периода разработки типового проекта «Стальной вертикальный цилиндрический резервуар емкостью 5000 м 3 » отражали уровень научно-технических знаний того времени и, естественно, не могли учитывать достижений науки и практики последующих лет, отраженных в строительных нормах и правилах периода возведения сооружения.

Учет особенностей работы конструкций при выборе расчетной схемы является весьма ответственной задачей. Как правило, более точной расчетной схеме соответствуют более сложные расчеты, упрощение которых может явится одной из причин появления ошибок. Принятие неадекватной расчетной схемы, а также несовершенство нормативных документов периода проектирования потребовало проведения анализа напряженно-деформированного состояния резервуара в целом и его конструктивных элементов в отдельности с использованием современных компьютерных технологий и систем, что обеспечит высокую эксплуатационную надежность сооружения.

1. Исходные данные и конструктивные решения резервуара, основные расчетные положения

Плотность жидкости ρ = 900 кг/м 3 . Место строительства - II район по снеговому покрову, нормативная нагрузка s 0 = 0,7 кПа. Материал резервуара - сталь С245 с R y = 240 МПа; сварка листов автоматическая проволокой Св-08Г2С. Избыточное давление паров испаряющейся жидкости P и = 2 кПа, а вакуум - 0,25 кПа. Коэффициент надежности по назначению γ n = 1.

Номинальные размеры резервуара Н = 12 м и D = 23 м; в типовом резервуаре объемом 5000 м 3 конструктивные размеры по высоте Н = 11920 мм, внутренний диаметр D o = 22800 мм и наружный диаметр D = 22818 мм (укладывается по длине окружности 12 листов длиной по 6 м).

Крыша резервуара запроектирована в виде щитов, состоящих из листов толщиной t = 2,5 мм, уложенных на каркасе из двутавров, швеллеров и уголков. Щиты опираются на центровую трубчатую стойку и корпус резервуара.

Днище, расположенное на песчаном основании, испытывает только сжатие от давления жидкости, поэтому толщина его листов назначена по конструктивным соображениям t = 5 мм. Диаметр днища D в = D + 90 мм = 22818 + 90 = 22908 мм (выступ днища за пределы стенки принят 50 мм. Максимальная высота налива продукта 11,3м.

Несущие конструкции резервуара рассчитывают по предельным состояниям в соответствии со строительными нормами и правилами , , с учетом дополнительных требований . В соответствии с ними конструкции резервуара емкостью менее 10 тыс. м 3 относятся ко II классу ответственности.

Стенка резервуара, являясь оболочкой вращения, при действии асимметричной нагрузки находится в безмоментном состоянии, и только в зонах краевого эффекта (в месте сопряжения стенок с днищем) имеет место моментное напряженное состояние.

Под воздействием внутреннего давления Р в тонкостенной оболочке возникают кольцевые и меридиональные напряжения Б 1 и Б 2 .

Основной нагрузкой для стенки вертикального цилиндрического резервуара является внутреннее давление Р как сумма гидростатического давления паровоздушной среды (рис.).

При пустом резервуаре возможен отрыв корпуса резервуара от основания под действием внутреннего избыточного давления и ветрового воздействия. Для предупреждения отрыва по периметру резервуара предусмотрена постановка анкерных устройств.

Вертикальный цилиндрический резервуар низкого давления имеет коническую щитовую кровлю. Щитовую коническую кровлю применяют в резервуарах низкого давления с внутренним избыточным давлением в газовой подушке до 200 мм водного столба (2 кПа) и вакуум до 25 мм вод. ст. (0,25 МПа).

Коническая крыша состоит из жестких щитов, покрытых стальной оболочкой и опирающихся на центральную стойку с кольцом, а по периметру - на стенку корпуса. Каркас щитов выполнен из двутавра 30, швеллеров 8 и 6,5 и уголков 90х56х5,5. Листы кровли толщиной t = 2,5 мм крепятся на каркас щита с напуском с одной стороны на ширину нахлестки.

При расчете стационарной крыши резервуара учитываются две комбинации нагрузок:

1) расчетные нагрузки, действующие на покрытие сверху вниз;

2). расчетные нагрузки, действующие на покрытие снизу вверх: внутреннее избыточное давление в паровоздушной сфере.

При расчете конической кровли несущие радиальные балки щитов рассматривают как элементы, работающие на изгиб. Поперечные ребра щитов рассчитаны по схеме простых балок, опирающихся на средние радиальные балки.

2. Определение расчетных нагрузок

Гидростатическое давление

Высота уровня залива резервуара Н 0 = 11,3 м, а с учетом избыточного давления Р 0 = 2 кПа условная высота Н = Н 0 + Р 0 /ρ = 11,3 + 2/9 = 11,5 м. Расчетная схема стенки резервуара показана на рис. 2.1. По высоте резервуара стенка состоит из восьми поясов высотой по 1500 мм. Расчетное сечение каждого пояса расположено на высоте 300 мм выше его нижней кромки, т.е. в сечении, где не учитывается влияние кольцевых швов смежного пояса.

Пояс стенки резервуара из условия обеспечения прочности (по первой группе предельных состояний) рассчитывается на гидростатическое давление, определяемое по формуле:

где - коэффициент надежности по нагрузке для гидростатического давления, равный 1,1.

Определение давления на пояса стенки сведено в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Гидростатическое давление на стенку резервуара

	Расстояние от верха резервуара		Значения (х 1 -620) до расчетного уровня жидкости, мм	Внутреннее давление на пояс ,	Толщина листов пояса t, мм
	до низа пояса	до расчетного уровня х 1
8	1490	1190	570	5,643	6
7	2980	2680	2060	20,394	6
6	4470	4170	3550	35,145	6
5	5960	5660	4740	46,926	6
4	7450	7150	6530	64,647	6
3	8940	8640	8020	79,398	7
2	10430	10130	9510	94,149	8
1	11920	11620	11000	108,900	9

Внутреннее избыточное давление паровоздушной среды

где - коэффициент надежности по нагрузке для внутреннего избыточного давления.

где S 0 - нормативное значение веса снегового покрова на 1 м 2 горизонтальной поверхности земли (табл. 4 );

γ f = 1,6 т.к. отношение постоянной нагрузки к временной q n /p n < 0,8 (п. 5.7 ).

Вакуум

Стенка незаполненного резервуара может потерять устойчивость под воздействием вертикальной нагрузки (веса кровли, снега, вакуума P v , собственного веса вышележащей части стенки) и равномерного давления нормального к боковой поверхности, создающего сжимающие усилия в кольцевом направлении (вакуум P v).

3. Определение усилий в элементах резервуара

Статический расчет резервуара выполнен по программе «Лира–Windows» вер. 8.0. Разбиваем стенку резервуара на конечные элементы по вертикали n1 = 8 (по числу поясов), по окружности n2 = 24 (по числу радиальных балок покрытия). Кровлю и днище разбиваем соответственно на n1 = 9 и n2 = 24 конечные элементы. Разбивка резервуара на конечные элементы приведена на рис. 3.1.

Расчет резервуара выполнен на 5 загружений:

1 загружение - постоянная нагрузка от собственного веса конструкций (учитывается автоматически);

2 загружение - гидростатическое давление;

3загружение - избыточное давление паровоздушной среды;

4 загружение - снег;

5 загружение - вакуум.

Результаты статического расчета приведены в приложении 2 (пластины) и 3 (стержни). В таблицах приложения приведены усилия от каждого загружения, а также расчетные сочетания усилий в элементах. Поскольку данная расчетная схема и нагрузки являются центрально симметричными на печать выведены усилия на элементы только одного сегмента.

4. Расчет элементов резервуара

4.1. Расчет стенки резервуара на прочность

Расчет на прочность стенки резервуара, находящейся в безмоментном напряженном состоянии, выполнена по формуле

где σ x и σ y - нормальные напряжения в кольцевом и меридиональном направлениях;

γ с - коэффициент условий работы, равный для нижнего пояса - 0,7, для остальных поясов - 0,8;

Так как расчетное сопротивление сварного шва встык растяжению для конструкций из стали С245 при автоматической, полуавтоматической и ручной сварке с физическим контролем качества шва R wy = R y = 240 МПа (табл. 51* ) расчет производим по материалу стенки резервуара.

Расчетные напряжения принимаем из таблицы сочетаний по приложению 2.

Первый пояс (элемент 877)

Второй пояс (элемент 901)

Третий пояс (элемент 925)

Пояс 4 (элемент 949)

Аналогично выполнен расчет и других поясов. Расчет поясов стенки сведен в таблицу.

Таблица 4.1 Расчет поясов стенки резервуара

Номер пояса	1	2	3	4	5	6	7	8
Напряжения в поясе σ, МПа	81,3	159,2	143	116	89,6	65,3	40,4	15,2

Проверяем напряжения в нижнем поясе стенки резервуара с учетом действия краевого момента М к. Изгибающий момент в месте сопряжения корпуса с плоским днищем при упругом защемлении стенки определяем по формуле

где Р - внутреннее давление в месте сопряжения корпуса с днищем

4.2. Расчет конструктивных элементов щитов покрытия

Расчет конструкций покрытия производим на два вида нагрузок: Нагрузка, направленная внутрь резервуара - собственный вес и вакуум, снег; нагрузки, направленные наружу - избыточное давление.

Нагрузки, действующие сверху вниз, кПа

Расчет настила

Предельный относительный прогиб настила f u /l = 1/150 = 1/n o .

Из условия заданного предельного прогиба определяем отношение наибольшего пролета настила к его толщине l/t по формуле, предложенной А.Л. Телояном (8.5 ).

где - цилиндрическая жидкость;

При t = 2,5 мм пролет настила допустим l ≤1037∙2,5 = 2592 мм.

По конструктивным соображениям расстояние между ребрами принято 1,25 м.

Расчет поперечных ребер щита

Максимальный расчетный пролет ребра принят l = 2,67 м; равномерно распределенная нагрузка при шаге поперечных ребер b = 1,25 м составит:

Изгибающий момент, как в свободно опертой балке,

Требуемый момент сопротивления сечения составляет

По сортаменту принят [ 8, W x = 22,4 см 3 , J x = 89,4 см 4

Относительный прогиб ребра составляет

где q n = 1,296∙1,25 = 1,62 кН/м

Ребро пролетом l = 2,01 м

По сортаменту принят швеллер 6,5 , W x = 15 см 3 .

Все остальные ребра с пролетом меньше 2 м также приняты из [ 6,5.

Расчет продольной балки щита

Пролет балки при свободном опирании на стенку резервуара и оголовок (зонт) трубчатой стойки равен 10 м. Сечение балки I 30 (А = 46,5 см 2 , W x =472 см 3).С учетом упругого защемления на опорах максимальный изгибающий момент от вертикальных нагрузок составляет М = 27,11 кНм при осевой растягивающей силе N = 10,07 кН (элемент 73).

Напряжения в балке проверяем как во внецентренно-растянутом элементе по формуле

Расчет элементов покрытия на вторую комбинацию нагрузок (избыточное давление изнутри резервуара наружу) производим на комбинацию усилий М = – 34,54 кНм и N = 50,96 кН.

Максимальный прогиб продольной балки от нормативных нагрузок составляет (см. приложение 1)

что меньше предельного прогиба

Повышенная несущая способность продольной балки щита покрытия объясняется учетом пространственной работы системы с включением в работу настила.

4.3. Расчет центральной стойки

Расчет центральной стойки (элемент 1019) производим на центрально приложенную осевую силу.

По конструктивным соображениям, с учетом опирания щитов покрытия и использования стойки для рулонирования элементов резервуара принята стойка из труб диаметром 426 мм со стенкой толщиной 7 мм по ГОСТ 10704–91, А = 92,1 см 2 , радиус инерции сечения i =14,8 см, сталь ст20сп по ГОСТ 8731-87, R y =225 МПа (табл. 51,а ).

Гибкость стойки По таблице 16.2 находим φ =0,689.

Предельное усилие, которое может воспринять стойка при сжатии осевой силой

что значительно больше расчетного усилия (см. приложение 2, элемент 1020).

Оголовок (зонт) и база стойки запроектированы одинакового диаметра 2660 мм с расчетом возможности ее использования для рулонирования стеки или отправочной части днища резервуара на заводе-изготовителе.

4.4. Проверка устойчивости положения покрытия при действии избыточ ного давления Р о = 2 кПа.

Общий вес покрытия и стойки без учета временной нагрузки составляет 247,5 кН (лист 4 ).

Усилие изнутри резервуара вверх при Р о = 2 кПа составит

Так как N e = 940 кН > N = 247,5 кН проектом предусмотрено крепление щитов покрытия к каркасу и стойке резервуара. Окаймляющие щиты уголки привариваются к каркасу угловыми швами с катетом К f = 6 мм, а к оголовку (зонту) стойки каждый щит закрепляется временным болтом М16 с последующей приваркой его к кольцу стойки. Обшивки смежных щитов покрытия соединяются на монтаже по всей длине угловыми швами К f = 25 мм.

Общая нагрузка от веса резервуара без учета нагрузки от веса днища J c = 722,8 кН (лист 4 ).

Усилие, отрывающее корпус от днища

Проверяем напряжения в швах, прикрепляющих нижний пояс стенки к днищу, при действии усилия отрыва

R wf - расчетное сопротивление угловых швов срезу (условному) по металлу шва (табл. 56 );

β f = 0,7 - коэффициент для ручной сварки, принимаемый по табл. 34* .

Стойка приваривается к днищу по контуру опорного кольца.

Пригрузка стойки производится путем обетонирования ее по контуру опорного ребра на высоту 1,5 м. Объем бетона 8,3 м 3 , вес пригруза 19,3 т.

4.5. Проверка устойчивости корпуса резервуара при совместном действии вертикальных и горизонтальных (боковых) сжимающих усилий выполняем согласно рекомендациям п. 8.5 … 8.9 по формуле

где σ 1 и σ 2 - соответственно абсолютные значения расчетных продольных и кольцевого сжимающих напряжений;

σ cr1 и σ cr2 - соответственно критические напряжения при раздельном равномерном действии осевого и радиального сжатия;

Проверяем устойчивость формы резервуара для четвертого пояса, где t = 6 мм.

Продольное и кольцевое сжимающие напряжения в элементе 949 (приложение 2) от постоянной, снеговой нагрузок и вакуума (загружения 1, 4, 5) соответственно равны σ 1 = 1,41 МПа и σ 2 = 0,5 МПа.

Определяем критические напряжения по пп. 8.5 и 8.7 .При равномерном сжатии вдоль образующей цилиндрической оболочки σ cr1 принимается равной меньшей из величин.

где ψ, с - коэффициенты, принимаемые по п. 8.5 .

При r/t = 1140/0,6 = 1900 > 300 коэффициент ψ не учитывается, а коэффициент

с = 0,066 (по интерполяции).

При Н/r = 12/11,4 = 1,05 σ cr2 определяем по формуле

Проверяем устойчивость по формуле

т.е. устойчивость корпуса обеспечена.

5. Указания по изготовлению и монтажу резервуара

Конструктивные элементы резервуара (днище, стенку, щиты покрытия, стойку и шахтную лестницу) изготовляют на заводе и доставляют на место строительства в виде укрупненных элементов.

Днище сваривают из полос и разбивают на два элемента - половины днища. Стенку также сваривают из ранее подготовленных полос, а затем сворачивают на стенде в рулон вокруг стойки или шахтной лестницы и в таком виде доставляют на стройку. Аналогично доставляют и половины днища, которые соединяют затем внахлестку. После монтажа днища в центре устанавливают вертикально рулоны корпуса и с помощью специального устройства разворачивают до заданного диаметра. Монтажный стык корпуса выполняют равнопрочным основному металлу. Щиты покрытия укладывают на зонт стойки и стенку резервуара по мере разворачивания рулона корпуса. Для фиксирования положения на внешней стороне щитов предусматривают ловители из полосовой стали. После приварки стенки к днищу и устройства всех монтажных швов корпуса проверяют качество сварки физическими или химическими способами, обеспечивая непроницаемость соединений.

Список литературы

1. СНиП 2.01.07–85. Нагрузки и воздействия/Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 36 с.

2. СНиП 2.01.07–85. Нагрузки и воздействия. (Дополнения. Раздел 10. Прогибы и перемещения)/Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988. - 8 с.

3. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции/Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990 - 96 с.

4. Металлические конструкции. В 3 т. Т 1. Общая часть (справочник проектировщика)/ Под общей ред. В.В. Кузнецова)(ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова) - М.: издательство АСВ, 1988, 576 с.

5. Металлические конструкции. В 3 т. Т 1. Элементы стальных конструкций. Учебн. для строит. вузов/под ред. В.В. Гареева. - М.: Высш. шк.., 1997. - 527 с.

6. Стальной вертикальный цилиндрический резервуар для нефти и нефтепродуктов емкостью 5000 м 3 . Альбом 1. Типовой проект 704–1–57. (Корректировка 2000 г.).

Расчет конструкций резервуаров выполняется по методике предельных состояний в соответствии с ГОСТ 27751 - по предельным состояниям первой и второй групп.

Условные обозначения и размерности используемых величин приведены в Приложении П.1.

9.1.1. Нагрузки и воздействия

9.1.1.1. В процессе строительства и в течение расчетного срока службы резервуар должен выдерживать заданные при проектировании нагрузки и воздействия.

9.1.1.2. Классификация, нормативные и расчетные значения нагрузок и воздействий, а также учет их неблагоприятных сочетаний осуществляется исходя из климатических и сейсмических условий, а также технологических особенностей эксплуатации резервуара и в соответствии со СНиП 2.01.07-85*.

9.1.1.3. Расчетное значение нагрузки следует определять как произведение ее нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию и принимаемый по СНиП 2.01.07-85*.

9.1.1.4. К постоянным нагрузкам относятся нагрузки от собственного веса элементов конструкций резервуаров.

9.1.1.5. К временным длительным нагрузкам относятся:

Нагрузка от веса стационарного оборудования;

Гидростатическое давление хранимого продукта;

Избыточное внутреннее давление или относительное разряжение в газовом пространстве;

Снеговые нагрузки с пониженным нормативным значением;

Температурные воздействия;

Воздействия от деформаций основания, не сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта.

9.1.1.6. К временным кратковременным нагрузкам относятся:

Ветровые нагрузки;

Снеговые нагрузки с полным нормативным значением;

Нагрузки от веса людей, инструментов, ремонтных материалов;

Нагрузки, возникающие при изготовлении, хранении, транспортировке и монтаже конструкций резервуара.

Сейсмические воздействия;

Аварийные нагрузки, связанные с нарушением технологического процесса;

Воздействия от деформаций основания, сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта;

Нагрузки, возникающие в процессе стихийного бедствия.

9.1.1.8. При определении нагрузки от собственного веса элементов конструкций резервуара следует использовать значения номинальной толщины элементов t. При проверке несущей способности элементов конструкций резервуара используются значения расчетной толщины элементов (t-Δtc-Δtm).

9.1.1.9. Нагрузки и их сочетания, используемые при расчете резервуаров, приведены в Приложении П.4.

9.1.2. Учет уровня ответственности

9.1.2.1. Уровень ответственности (класс опасности) резервуаров при расчете прочности и устойчивости основных несущих конструкций должен учитываться снижением расчетного сопротивления стали на коэффициент надежности по ответственности γ n , значения которого приведены в таблице 9.1.

Таблица 9.1

9.1.2.2. Определение нагрузок на фундамент резервуара, а также его проверка на опрокидывание должны производиться с исходными технологическими, климатическими и сейсмическими нагрузками, умноженными на коэффициент надежности по ответственности γn.

9.1.3. Учет условий работы

Отклонения условий эксплуатации элементов конструкций от нормальных учитываются коэффициентами условий работы γс, приведенными в таблицах 9.2, 9.3.

Таблица 9.2

Таблица 9.3

9.1.4. Учет температуры эксплуатации

Для условий эксплуатации резервуаров при температуре выше плюс 100°С необходимо учитывать снижение расчетного сопротивления стали путем введения коэффициента γt, назначаемого в зависимости от максимальной расчетной температуры металла Т по формулам:

[σ]T, [σ]20 - допускаемые напряжения стали при температуре соответственно Т и 20°С, определяемые по ГОСТ Р 52857.1-2007. В случае применения сталей, не указанных в ГОСТ Р 52857.1-2007, допускаемые напряжения [σ]T, [σ]20 принимаются по согласованию с Заказчиком.

9.1.5. Нормативные и расчетные характеристики материалов

9.1.5.1. Нормативные значения характеристик сталей Rуn принимаются по соответствующим ГОСТ и техническим условиям.

9.1.5.2. Расчетные сопротивления сварных соединений следует определять по СНиП II-23-81*.

9.1.5.3. Расчетные сопротивления металлопроката для растяжения, сжатия, изгиба и сдвига следует определять по СНиП II-23-81* с учетом коэффициента надежности по материалу γm, принимаемого равным:

Для сталей по ГОСТ 27772, ГОСТ 19281 (Rу < 380 МПа) - γm = 1,05;

Для сталей по ГОСТ 19281 (Rу ≥ 380 МПа) - γm = 1,1.

9.2 Расчет стенки

Настоящий раздел содержит указания по расчету толщин стенки резервуара для расчетных сочетаний нагрузок 1-3 (таблица П. 4.1 Приложения П.4).

9.2.1 Общие указания

9.2.1.1. Номинальные толщины поясов стенки резервуара назначаются по итогам выполнения следующих расчетов:

а) определение толщины поясов из условия прочности стенки при действии статических нагрузок в условиях эксплуатации и гидравлических испытаний;

б) проверка устойчивости стенки;

в) проверка прочности и устойчивости стенки при сейсмическом воздействии (в сейсмически опасных районах).

9.2.1.2. Толщины стенки, назначенные в результате расчета по п. 9.2.1.1б, не должны быть меньше толщин, назначенных по п. 9.2.1.1а. Толщины стенки, назначенные в результате расчета по п. 9.2.1.1 в, не должны быть меньше толщин, назначенных по п. 9.2.1.1б.

9.2.1.3. Назначение толщин стенки из условия прочности при статическом нагружении в условиях эксплуатации и гидро- пневмоиспытаний производится в п. 9.2.2 при действии нагрузки от веса хранимого продукта и избыточного давления.

9.2.1.4. Устойчивость стенки при статическом нагружении проверяется в соответствии с требованиями п. 9.2.3 при действии нагрузок от веса конструкций и теплоизоляции, от веса снегового покрова, от ветровой нагрузки и относительного разрежения (относительного вакуума) в газовом пространстве.

9.2.1.5. Прочность и устойчивость стенки при сейсмическом нагружении проверяется в соответствии с требованиями п. 9.6 при действии нагрузок - сейсмической, от веса хранимого продукта, от веса конструкций и теплоизоляции, от избыточного давления, от веса снегового покрова.

9.2.2. Расчет стенки резервуара на прочность

9.2.2.1. Толщины поясов стенки вычисляются по кольцевым напряжениям, определяемым в срединной поверхности цилиндрической оболочки на уровне с координатой xL, в котором радиальные перемещения стенки в пределах пояса являются максимальными.

9.2.2.2. В процессе прочностного расчета стенки учитывается коэффициент надежности для избыточного давления, равный 1,2 для режима эксплуатации и 1,25 для режима гидро- пневмоиспытаний.

9.2.2.3. Номинальная толщина стенки t в каждом поясе резервуара должна назначаться по формулам:

По согласованию с Заказчиком допускается принимать xL = 0.

Индексы U, L относятся к параметрам поясов, примыкающих соответственно сверху и снизу к i-му стыку (рис. 9.1). Расчет производится последовательно от нижнего пояса к верхнему. При вычислении толщины первого пояса следует принять xL = 0.

Допускается использовать толщины поясов tL, полученные по результатам расчета стенки на устойчивость (п. 9.2.3) и сейсмостойкость (п. 9.6).

9.2.2.4. Результаты расчета толщины t для каждого пояса стенки следует округлить до целого числа в большую сторону в соответствии с толщинами проката по ГОСТ 19903-74, если не указаны специальные условия поставки листового проката.

9.2.2.5. Пример расчета стенки резервуаров из условия прочности приведен в Приложении П.5.

9.2.2.6. По согласованию с Заказчиком допускается назначать толщины стенки резервуара на основе конечно-элементного расчета составной цилиндрической оболочки с учетом ее моментного состояния. При этом в расчетную модель должна быть включена окрайка днища, связанная с основанием односторонними связями, не сопротивляющимися отрыву днища от фундамента. Коэффициенты условий работы для поясов стенки в режиме эксплуатации принимаются в этом случае такими же, как для режима гидравлических испытаний.

9.2.3. Устойчивость стенки резервуара

Расчет стенки резервуара на устойчивость выполняется в соответствии с указаниями СНиП II-23-81* и включает проверку толщин поясов стенки, необходимость установки промежуточных ветровых колец, а также назначение мест установки и сечений колец, если таковые требуются.

9.2.3.1. Критерий устойчивости стенки

9.2.3.1.1. Устойчивость стенки резервуара обеспечена при выполнении следующего условия:

9.2.3.1.2. Редуцированная высота стенки вычисляется по формуле:

Показатель степени в формуле для величины Н r может быть изменен в меньшую сторону в случае применения уточненных методик расчета устойчивости цилиндрической оболочки переменной толщины.

При наличии ребра жесткости в пределах i-гo пояса в качестве h i берется расстояние от кромки этого пояса до ребра жесткости. В резервуарах с плавающей крышей для верхнего пояса в качестве h i берется расстояние от нижней кромки пояса до ветрового кольца.

9.2.3.1.3. Коэффициент С0 следует определять по формулам:

9.2.3.1.4. Меридиональные напряжения в i-ом поясе стенки вычисляются следующим образом:

9.2.3.1.5. Кольцевые напряжения в i-ом поясе стенки следует определять по формулам:

а) для резервуаров со стационарной крышей:

σ 2 = (0,95·1,2pv + 0,9·0,5kpw) δ.

б) для резервуаров с плавающей крышей:

k - коэффициент учета изменения ветрового давления по высоте стенки z, определяемый по табл. 6 СНиП 2.01.07-85*, либо, если 5 м ≤ z ≤ 40 м, по формуле:

k = 0,365 ln (z) + 0,157.

9.2.3.1.6. Если G t = 0, или p v = 0, или p s = 0 формулы 9.2.3.1.4-9.2.3.1.5 должны быть приведены в соответствие с полученным сочетанием нагрузок.

9.2.3.1.7. Коэффициент fs, учитывающий форму стационарной крыши, принимается равным:

0,7 для купольных крыш при ρ r < D,

0,9 для купольных крыш при D ≤ ρ r < 1,1D,

1,0 для конических и прочих купольных крыш.

9.2.3.1.8. При невыполнении условия 9.2.3.1.1 для обеспечения устойчивости стенки следует увеличить толщину верхних поясов, или установить промежуточное кольцо (кольца) или то и другое вместе. При этом место установки промежуточного кольца должно обеспечивать равенство величин HrL, HrU, полученных по формуле 9.2.3.1.2 для участков стенки ниже и выше кольца, и быть не ближе 150 мм от горизонтального сварного шва. Если условие HrL = НrU обеспечить невозможно, ветровое кольцо должно быть установлено на расстоянии 150 мм ниже или выше горизонтального сварного шва, для которого разница величин HrL, HrU будет минимальной.

9.2.3.1.9. После установки промежуточного ветрового кольца, участки стенки над кольцом и под ним должны быть устойчивы, то есть должны удовлетворять условию 9.2.3.1.1.

9.2.3.1.10. Допускается расчет на устойчивость стенки резервуара выполнять по формулам, выражающим критерий устойчивости через действующие и критические значения вертикальной (осевой) нагрузки и внешнего давления:

В качестве вертикальной нагрузки N следует принимать расчетное сочетание снеговой, весовой нагрузок и вакуума (при наличии стационарной крыши), передающихся на нижнюю отметку наиболее тонкого пояса стенки резервуара, а при одинаковой толщине нескольких поясов - на нижнюю отметку нижнего из них.

В качестве внешнего давления Р следует принимать расчетное сочетание проектного вакуума и статической составляющей ветровой нагрузки, отнесенной к уровню верха стенки резервуара. Коэффициенты сочетаний нагрузок принимаются по аналогии с пп. 9.2.3.1.4-9.2.3.1.6.

9.2.3.2. Ветровые кольца жесткости на стенке резервуара

9.2.3.2.1. Необходимое сечение ветрового кольца подбирается из условия восприятия изгибающего момента при действии ветрового давления на стенку опорожненного резервуара.

9.2.3.2.2. Требуемый минимальный момент сопротивления сечения верхнего кольца жесткости резервуаров с плавающей крышей должен определяться по следующей формуле:

где коэффициент 1,5 учитывает разряжение от ветра в резервуаре с открытым верхом.

Если верхнее кольцо жесткости приварено к стенке сплошным угловым швом, в момент сопротивления кольца включаются участки стенки с номинальной толщиной t и шириной 15(t - Δtc) вниз и, если возможно, вверх от места установки кольца.

9.2.3.2.3. В случае необходимости установки промежуточного ветрового кольца, оно должно иметь такую конструкцию, чтобы его поперечное сечение удовлетворяло требованиям:

Для резервуаров со стационарной крышей:

Для резервуаров с плавающей крышей:

где Нrmax - редуцированная высота участка стенки выше, или ниже промежуточного кольца (что больше) и определяемая по формуле 9.2.3.1.2.

9.2.3.2.4. В пунктах 9.2.3.2.2, 9.2.3.2.3 нормативное ветровое давление pw следует назначать не менее 1,2 кПа.

9.2.3.2.5. В момент сопротивления промежуточного кольца жесткости можно включать части стенки с номинальной толщиной t и шириной выше и ниже места установки кольца.

9.3. Расчет стационарных крыш

9.3.1. Общие положения расчета

9.3.1.1. Элементы и узлы крыши должны быть запроектированы таким образом, чтобы максимальные усилия и деформации в них не превышали предельных значений по прочности и устойчивости, регламентируемых СНиП II-23-81*, для всех расчетных нагрузок и их сочетаний, приведенных в таблицах П. 4.2, П. 4.3 Приложения П.4.

9.3.1.2. При расчете учитываются сочетания воздействий, в которых участвуют максимальные значения расчетных нагрузок, действующих на крышу «сверху вниз» (комбинации 1,3, таблица П. 4.2 Приложения П.4):

От собственного веса элементов крыши в некоррозионном состоянии;

От веса стационарного оборудования и площадок обслуживания на крыше;

От веса снегового покрова при равномерном или неравномерном распределении снега на крыше;

От внутреннего разрежения в газовоздушном пространстве резервуара.

9.3.1.3. В резервуарах, работающих с внутренним избыточным давлением, следует также учитывать сочетание нагрузок, в котором участвуют следующие воздействия (комбинация 2, таблица П. 4.2 Приложения П.4):

а) нагрузки, действующие на крышу «сверху вниз» и принимаемые с минимальными расчетными значениями:

От собственного веса элементов крыши в корродированном состоянии,

От веса стационарного оборудования и площадок обслуживания на крыше,

От собственного веса теплоизоляции на крыше;

б) нагрузки, действующие на крышу «снизу вверх» и принимаемые с максимальными расчетными значениями:

От избыточного давления с коэффициентом надежности по нагрузке 1,2;

От отрицательного давления ветра.

9.3.1.4. Для сейсмоопасных районов строительства в проверку несущей способности элементов крыши необходимо включать расчет на особые сочетания нагрузок (комбинации 4, 5, 6 таблица П. 4.2 Приложения П.4) с учетом сейсмического воздействия, определяемого в соответствии со СНиП II-7-81*.

9.3.1.5. Номинальные толщины и геометрические характеристики листовых и прокатных элементов крыши назначаются с учетом припуска на коррозию в соответствии с п. 7.8 и Приложением П.6.

9.3.2 Учет снеговых нагрузок

Несущая способность крыши должна проверяться с учетом равномерного и неравномерного распределения снеговой нагрузки по ее поверхности.

9.3.2.1. Величина действующей на крышу снеговой нагрузки вычисляется по формуле: psr = μрs.

9.3.2.2. Коэффициент неравномерности распределения снегового покрова μ следует определять по таблице 9.5.

Таблица 9.5

Форма крыши	Распределение снега
	Неравномерное (по рис. 9.2)		Равномерное
				Диаметр крыши, м
Купольная при f r /D ≤ 0,05	Учитывать не требуется			До 60 вкл.
Коническая при α ≤ 7°
		При отсутствии снегозадерживающих преград		Св. 60 до 100 вкл.
		При наличии снегозадерживающих преград
Коническая при 7° < α ≤ 30°

9.3.2.3 В таблице 9.5 используются следующие коэффициенты:

Рис. 9.1. Геометрические параметры стенки резервуара

Рис. 9.2. Неравномерное распределение снеговой нагрузки на стационарной крыше

9.3.3.1. Расчет толщины настила

9.3.3.1.1. Минимальная толщина настила бескаркасной конической крыши определяется из условия устойчивости оболочки по формулам:

9.3.3.1.2. Расчетная нагрузка на крышу вычисляется для сочетаний нагрузок 1, 3 (таблица П. 4.2 Приложения П.4) следующим образом:

9.3.3.1.3. Если G rt = 0, или p v = 0, или p s = 0 формула 9.3.3.1.2 должна быть приведена в соответствие с полученным сочетанием нагрузок.

9.3.3.1.4. Формулы 9.3.3.1.1 применимы для углов α ≤ 30° и при выполнении условия r /(t r 0 sin α) > 274, которое следует проверить после вычисления первого приближения для t r 0 . Поскольку р r в свою очередь зависит от предварительно неизвестной толщины t r 0 , для расчета требуется несколько последовательных приближений.

9.3.3.2. Узел сопряжения крыши и стенки

9.3.3.2.1. Узел крепления крыши к верху стенки должен выполняться по одному из вариантов, приведенных на рис. 9.3. В расчетное сечение включается кольцевой элемент жесткости, а также прилегающие участки крыши и стенки.

9.3.3.2.2. Узел сопряжения крыши со стенкой должен быть рассчитан на прочность при действии кольцевого растягивающего усилия, возникающего от нагрузок расчетных сочетаний 1, 3 (таблица П. 4.2 Приложения П.4). При этом размеры поперечного сечения должны удовлетворять условию:

где,

А r - выделенная на рис. 9.3 площадь поперечного сечения уторного узла крыши, причем размеры включенных в расчет участков стенки и настила крыши определяются соотношениями:

9.3.3.2.3. В резервуарах, работающих с внутренним избыточным давлением, узел сопряжения крыши со стенкой необходимо также проверить на устойчивость в случае действия кольцевого сжимающего усилия, возникающего от нагрузок расчетной комбинации 2, назначаемой по таблица П. 4.2 Приложения П.4. При этом размеры поперечного сечения должны обеспечивать выполнение следующего условия:

где

J y - момент инерции расчетного поперечного сечения относительно вертикальной оси «у-у», совпадающей с осью стенки (рис. 9.3).

Рис. 9.3. Соединение крыши со стенкой

9.3.4.1. Каркас крыши представляет собой систему радиальных и кольцевых балок. Количество радиальных балок n r определяется по конструктивным соображениям с учетом неравенства: n r ≥ π D /1,8 . Результат округляется до числа, кратного четырем.

9.3.4.2. Моделирование крыш следует производить методом конечных элементов. Расчетная схема должна включать все несущие стержневые и пластинчатые элементы, предусмотренные конструктивным решением. Если листы настила не приварены к каркасу, то в расчете учитываются только их весовые характеристики.

9.3.4.3. Модель крыши должна учитывать деформативность ее внешнего опорного контура, т.е. включать элементы уторного узла, верхний участок стенки высотой L s и кольцевой участок настила крыши шириной L r . При этом размеры L s , L r определяются по формулам 9.3.3.2.2.

9.3.4.4. Проверка несущей способности узла сопряжения крыши со стенкой производится в соответствии с требованиями п. 9.3.3.2.2.

9.3.5.1. Каркасные крыши взрывозащищенного исполнения должны удовлетворять требованиям п.п. 9.3.1, 9.3.2, 9.3.4, а также быть рассчитаны на действие двух дополнительных сочетаний нагрузок (таблица П. 4.3 Приложения П.4), которые включают помимо веса конструкций и теплоизоляции, внутреннее избыточное давление с коэффициентами надежности по нагрузке 1,25 (гидро-пневмоиспытания) и 1,6 (аварийный режим).

9.3.5.2. Для взрывозащищенных крыш должны выполняться условия:

а) D ≥ 15 м;

б) α ≤ 9,46° (уклон крыши меньше или равен 1:6);

в) крыша должна крепиться к опорному уголку односторонним угловым швом с катетом не более 5 мм;

г) конструкция узла сопряжения стенки и крыши должна соответствовать одной из схем, приведенных на рис. 9.3;

д) площадь сечения, выделенного на рис. 9.3, должна удовлетворять неравенству:

где

R - величина, определяемая в п. 9.2.2.3.

9.3.5.3. Если требования пункта 9.3.5.2 не обеспечены, взрывозащищенная крыша должна быть рассчитана в следующей последовательности:

а) Выполняется конечно-элементный геометрически нелинейный расчет крыши на действие комбинаций нагрузок, приведенных в таблице П. 4.3 Приложения П.4, включающих действие избыточного давления:

1,25 р для гидро-пневмоиспытаний,

1,6 р для условий аварии.

В расчетную модель следует включать настил крыши со связями, соответствующими конструктивному решению.

б) Определяются реактивные усилия, передаваемые на шов крепления настила к опорному кольцу крыши и проверяется его прочность по СНиП II -23-81 * .

в) Крыша является взрывозащищенной, если конструкция узлов сопряжения стенки и крыши, стенки и днища резервуара, а также размеры сварного шва сопряжения настила крыши с кольцевым элементом жесткости удовлетворяют следующим условиям:

Прочность шва сопряжения стенки и настила крыши обеспечена в условиях гидро- пневмоиспытаний (комбинация 1, таблица П. 4.3 Приложения П.4);

Прочность шва сопряжения стенки и настила крыши не обеспечена в условиях аварии (комбинация 2, таблица П. 4.3 Приложения П.4);

Прочность узла сопряжения стенки с окрайкой днища для всех расчетных сочетаний нагрузок обеспечена, т.е. выполняется условие:

πr 2 p ar ≤ (G s + G r - G r 1) + 0,95(G s 0 + G r0 + G st + G rt ),

где

p ar - избыточное давление, при котором происходит разрушение уторного шва крыши (1,2 р < p ar < 1,6 р ).

Весовые характеристики металлоконструкций в правой части неравенства должны быть назначены за вычетом веса откорродировавшего металла.

Прочность узла сопряжения стенки с окрайкой днища в условиях аварии может не проверяться, если резервуар оборудован анкерными устройствами, предотвращающими его подъем при аварийном избыточном давлении.

9.4. Расчет плавающих крыш и понтонов

9.4.1. Общие положения расчета

9.4.1.1. Расчет плавающей крыши (понтона) заключается в проверке плавучести и несущей способности конструкции, которая должна быть обеспечена для двух положений: на плаву и на опорных стойках.

9.4.1.2. Элементы и узлы крыши должны быть запроектированы таким образом, чтобы максимальные усилия и деформации в них не превышали предельных значений по прочности и устойчивости, регламентированных СНиП II -23-81 * .

9.4.1.3. Расчет плавающих крыш (понтонов) в положении на плаву следует производить при наличии повреждений конструкций и в случае их отсутствия. Модель поврежденной плавающей крыши должна включать два любых смежных отсека, потерявших герметичность. Модель поврежденного понтона должна допускать возможность затопления центрального отсека и двух смежных секций понтона.

9.4.1.4. Плавучесть крыши (понтона) при отсутствии повреждений следует считать обеспеченной, если в положении на плаву превышение верха любого бортового элемента (включая переборки) над уровнем продукта составляет не менее 150 мм.

9.4.1.5. Плавучесть крыши (понтона) при наличии повреждений следует считать обеспеченной, если в положении на плаву верх любого бортового элемента и переборок расположен выше уровня продукта.

9.4.1.6. Для предотвращения образования газовых пузырей под днищем однодечной крыши допускается применение дополнительных грузов (балласта) на центральной деке. Величину и схему расположения балласта следует назначать расчетом для проектной плотности продукта при отсутствии других нагрузок.

9.4.2. Нагрузки и воздействия

9.4.2.1. При расчете плавающей крыши (понтона) необходимо учитывать следующие нагрузки и воздействия:

Собственный вес элементов крыши (понтона);

Вес оборудования на крыше (понтоне);

Вес снегового покрова при равномерном и неравномерном распределении снега на плавающей крыше;

250 мм дождевых осадков на плавающей крыше;

Вес обслуживающего персонала (2,2 кН на площади 0,1 м 2) в любой точке понтона;

Равномерно распределенную по поверхности понтона технологическую нагрузку 0,24 кПа;

Выталкивающую силу от продукта плотностью 0,7 т/м 3 .

9.4.2.2. Распределение неравномерной снеговой нагрузки по поверхности плавающей крыши принимается в соответствии с формулой п. 9.3.2.1 и рис. 9.4, где: μ 1 = 0,52 - 0,7Н s / D , μ 2 = 1,77 + 1,06 H S / D , μ 3 = 0,9μ 2 , μ 4 = 0,8, μ 5 = 1,0.

Рис. 9.4. Неравномерное распределение снеговой нагрузки на плавающей крыше

9.4.2.3. Сочетания нагрузок и воздействий, используемых при проверке плавучести и несущей способности плавающих крыш и понтонов, приведены в таблице П. 4.4, П. 4.5 Приложения П.4.

9.4.2.4. Комбинации нагрузок, включающие собственный вес и равномерную снеговую нагрузку (или дождевые осадки), следует учитывать при расчете неповрежденной крыши и крыши с нарушенной герметичностью в положении на плаву.

9.4.2.5. Комбинации нагрузок, включающие собственный вес и неравномерную снеговую (для крыши) или технологическую (для понтона) нагрузку, следует учитывать при расчете неповрежденной плавающей крыши (понтона) в положении на плаву.

9.4.2.6. Неповрежденный понтон в положении на плаву должен сохранять плавучесть при действии двойного собственного веса.

9.4.2.7. В положении плавающей крыши (понтона) на опорах необходимо также проверить несущую способность опор в соответствии с сочетаниями воздействий, приведенных в таблице П. 4.4, П. 4.5 Приложения П.4.

9.4.3. Порядок выполнения расчетов

Расчет плавающих крыш и понтонов производится в следующей последовательности:

Этап 1 - выбор конструктивной схемы плавающей крыши (понтона) и предварительное определение толщин элементов исходя из функциональных, конструктивных и технологических требований.

Этап 2 - назначение комбинаций воздействий (таблице П. 4.4, П. 4.5 Приложения П.4), учитывающих величину и характер действующих нагрузок, а также возможность потери герметичности отдельных отсеков крыши (понтона).

Этап 3 - моделирование конструкции крыши (понтона) методом КЭ.

Этап 4 - расчет равновесных положений крыши (понтона), погруженных в жидкость для всех расчетных комбинаций воздействий.

Этап 5 - проверка плавучести крыши (понтона). Если плавучесть крыши не обеспечена, производится изменение ее конструктивной схемы и расчет повторяется, начиная с этапа 1.

Этап 6 - проверка несущей способности конструктивных элементов крыши для полученных на этапе 4 положений равновесия. В случае изменения толщин элементов, расчет повторяется, начиная с этапа 3.

Этап 7 - проверка прочности и устойчивости опор.

9.5 Допускаемые нагрузки на патрубки врезок в стенку резервуара

9.5.1. Действие настоящего раздела распространяется на врезки с размерами, регламентированными в п. 8.6, и с условными диаметрами патрубка Dy, соответствующими области, выделенной на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Область допускаемых размеров патрубков D y для раздела 9.5

9.5.2. Нагрузки на патрубок задаются в виде комбинаций трех усилий (рис. 9.6): радиальной силы вдоль оси патрубка FR* (кН), изгибающего момента в вертикальной плоскости ML* (кН·м), изгибающего момента в горизонтальной плоскости Мс* (кН·м). На рис. 9.6 показаны положительные направления усилий.

9.5.3. Допускаемыми являются такие комбинации нагрузок, которые обеспечивают несущую способность сварных швов по предельным состояниям, то есть попадают внутрь области допускаемых нагрузок, полученной в результате расчета на конечно-элементной модели, включающей стенку, окрайку днища, патрубок, усиливающий лист и все швы в зоне врезки. Моделирование осуществлялось с применением трехмерных конечных элементов и обеспечивало многослойную разбивку по толщине стенки, патрубка и сварных швов. Методика получения границы области допускаемых нагрузок приведена в п. 9.5.4.

9.5.4. Размеры области допускаемых нагрузок (рис. 9.7) определяются по формулам:

значения коэффициентов γс, γt, γp 1 , γp 2 , определяются соответственно в пп. 9.1.3, 9.1.4, 9.5.7, 9.5.8;

М C0 - максимально допускаемая величина момента МC* при FR* = ML* = 0.

9.5.5. Параметр λ вычисляется в зависимости от величины момента МC* по формуле:

9.5.6. Безразмерные коэффициенты е1i-е3i зависящие от условной высоты налива Н* и условного прохода патрубка Dy приведены в таблице 9.6.

Таблица 9.6

Величина Н*, используемая в таблице 9.6, определяется по формуле:

но не более 24 м.

t - назначенная в проекте толщина нижнего пояса резервуара,

величина R определяется в п. 9.2.2.3 для режима эксплуатации.

9.5.7. Если предусмотрена термообработка узла врезки, то в формулах 9.5.4 следует принять γp 1 = l, в противном случае γp1 = 0,95.

9.5.8. Для учета циклического характера приложения нагрузок используется коэффициент γp 2 , который зависит от условного количества циклов налива (слива) продукта nс и определяется следующим соотношением:

причем, если γp 2 > 1, следует принять γp 2 = 1.

В представленной формуле параметры B1 и В2, измеряемые в МПа, назначаются по таблице 9.7, соответствующей ГОСТ Р 52857.6-2007.

Таблица 9.7

В таблице 9.7 Rm/t - временное сопротивление стали при расчетной температуре Т, принимаемое по ГОСТ Р 52857.1-2007.

Единичным наливом (сливом) продукта следует считать технологическую операцию, при которой уровень налива (слива) изменяется не менее чем на 0,5 Н.

9.5.9. Комбинация фактических нагрузок на патрубок FR*, ML*, MC* является допускаемой, если точка с координатами FR*, ML*, построенная на графике рис. 9.7, располагается внутри многоугольника.

9.5.10. Комбинация фактических нагрузок на патрубок FR*, ML*, MC* является недопускаемой при выполнении любого из условий:

Точка с координатами FR*, Ml*, построенная на графике рис. 9.7, располагается снаружи многоугольника;

Многоугольник на рис. 9.7 вырождается в точку (a 1 = а 2 = a 3 = a 4 = 0).

9.5.11. Допускаемые нагрузки на патрубки с величиной Dy, отличающейся от приведенной в таблице 9.6, могут быть получены интерполяцией.

9.5.12. Возможны два варианта применения методики расчета по пунктам 9.5.4-9.5.11.

Первый вариант предполагает проверку несущей способности врезки на действие заданных комбинаций фактических нагрузок FR*, ML*, МC*. Второй вариант позволяет получить область допускаемых значений для последующей проверки любых комбинаций нагрузок. В этом случае, предварительно задается набор значений момента МC* в интервале от 0 до М C0 , а затем для каждого из этих значений вычисляются границы области, изображенной на рис. 9.7. Полученный набор многоугольников и представляет область допускаемых значений нагрузок на патрубок.

9.5.13. Для врезок с параметрами, выходящими за пределы указанной в п. 9.5.1 области, допускаемые нагрузки определяются конечно-элементным расчетом на модели, указанной в п. 9.5.3. Критерием несущей способности врезки является условие: ε ≤ εp, то есть максимальная деформация сварного шва ε не должна превышать предельно допустимую деформацию этого шва εp.

Деформация сварного шва определяется как удлинение (укорочение) любой из сторон поперечного сечения сварного шва, отнесенное к ее недеформированному размеру. Предельно допустимая деформация шва вычисляется по формуле:

εp = γcγtγp1γp2Ry/E.

9.5.14. Примеры расчета допускаемых нагрузок на патрубок приведены в Приложении П.18.

9.6. Расчет сейсмостойких резервуаров

9.6.1. Общие положения

9.6.1.1. Настоящий раздел содержит требования к расчету и проектированию вертикальных цилиндрических стальных резервуаров, эксплуатация которых предусматривается в районах с сейсмичностью выше 6 баллов по шкале MSK-64. Для районов с сейсмичностью 6 баллов и ниже сейсмические нагрузки учитывать не требуется.

9.6.1.2. Полная нагрузка со стороны продукта на стенку и днище резервуара в условиях землетрясения включает:

Гидростатическую нагрузку и нагрузку от действия избыточного давления;

Импульсивную (инерционную) составляющую гидродинамического давления;

Конвективную (кинематическую) составляющую гидродинамического давления;

Составляющую сейсмической нагрузки от вертикальных колебаний грунта.

Импульсивная составляющая давления возникает от части продукта, движущегося в условиях землетрясения совместно со стенкой резервуара. Колебания жидкости внутри резервуара создают конвективное давление и приводят к появлению волн на поверхности продукта. Вертикальные колебания основания резервуара также индуцируют дополнительную нагрузку на его стенку.

9.6.1.3. Сочетания перечисленных нагрузок, а также нагрузок от веса металлоконструкций, оборудования, теплоизоляции и снега (при наличии стационарной крыши) следует производить с учетом коэффициентов сочетаний нагрузок, определяемых в соответствии со СНиП 2.01.07-85*, СНиП II-7-81*.

9.6.1.4. Проверка сейсмостойкости резервуара предусматривает комплекс расчетов, последовательность которых приведена на рис 9.8.

При этом проверка резервуара на сдвиг при землетрясении до 9 баллов включительно не требуется.

9.6.1.5. Сейсмостойкость резервуара следует считать обеспеченной при одновременном выполнении следующих условий:

а) резервуар не опрокидывается при землетрясении (критерием опрокидывания является предельное состояние, при котором на внешнем радиусе приподнятой части днища возникает полный пластический шарнир, рис. 9.9);

б) обеспечена устойчивость нижнего пояса стенки от действия продольно-поперечной нагрузки;

в) обеспечены условия прочности для всех несущих элементов резервуара.

9.6.1.6. Если условия 9.6.1.5а или 9.6.1.5б не выполняются, требуется установка анкеров, количество и размеры которых определяются расчетом.

9.6.2. Параметры сейсмического воздействия

9.6.2.1. Параметры сейсмического воздействия выдаются Заказчиком на основе данных сейсмического микрорайонирования площадки строительства. В районах, для которых отсутствуют карты сейсмического микрорайонирования, допускается использовать комплект карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации ОСР-97, или СНиП II-7-81*.

9.6.2.2. Задание на проектирование должно включать следующие параметры сейсмического воздействия:

Сейсмичность площадки строительства (баллы по шкале MSK-64);

Коэффициент вертикального сейсмического ускорения Av.

9.6.2.3. Коэффициент горизонтального сейсмического ускорения составляет Аh = 0,1, 0,2, 0,4 при землетрясении интенсивностью 7, 8, 9 баллов соответственно. Для грунтов категорий сейсмичности I или III параметр Ah задается по таблице 1* СНиП II-7-81.

9.6.3. Расчетные нагрузки

Расчет всех компонент сейсмических нагрузок производится на основе спектрального метода с учетом коэффициентов динамичности и демпфирования, соответствующих основному тону колебаний резервуара и продукта.

9.6.3.1. Опрокидывающий момент определяется по формуле:

9.6.3.2. Допускается уменьшение значения коэффициента βi, приведенного в таблице 9.8, если период основного тона импульсивных колебаний продукта получен расчетным путем и использованы соответствующие формулы п. 2.6* СНиП II-7-81*.

9.6.3.3. Нагрузки от продукта, действующие на стенку и днище резервуара, определяются по формулам:

9.6.4.1. Резервуар является устойчивым к опрокидыванию, если момент от вертикальных удерживающих сил превышает момент от инерционных горизонтальных сил.

9.6.4.2. Опрокидывание резервуара не происходит, если выполняется неравенство:

tb, Δtcb, Δtmb - соответственно толщина, припуск на коррозию и минусовой допуск на прокат окраечных (если предусмотрено - кольцевых) листов днища.

9.6.4.3. Устойчивость стенки проверяется от действия продольно-поперечной нагрузки, вызывающей ее изгиб и вертикальное сжатие в процессе опрокидывания резервуара с продуктом. За предельное состояние принимается фибровая текучесть стенки (с учетом коэффициентов γс и γn), проверяемая в вертикальном сечении оболочки. Несущая способность нижнего пояса стенки с расчетным сопротивлением по пределу текучести R1y и номинальной толщиной нижнего пояса t 1 обеспечена, если выполняется условие:

в котором расчетные нагрузки по контуру стенки в основании резервуара qmax вычисляются в п. 9.6.6.1, а допускаемые сжимающие напряжения в этом поясе определяются выражением:

9.6.4.4. В случае нарушения требований п.п. 9.6.4.2, 9.6.4.3, следует выполнить одно из следующих мероприятий или их комбинацию:

а) увеличить толщину окраечного листа днища;

б) увеличить толщину первого пояса стенки t 1 ;

в) путем изменения размеров резервуара уменьшить величину отношения H/D;

г) применить анкеры, которые назначаются в соответствии с указаниями п. 9.6.7.

9.6.4.5. Толщины каждого i-гo пояса стенки ti определяются из условия прочности по кольцевым усилиям цилиндрической оболочки. С учетом сейсмических нагрузок p0(z,φ), действующих на стенку в точке с координатами zi = H - Hi, φ = 0, имеем:

Riy - расчетное сопротивление по пределу текучести i-гo пояса стенки.

9.6.5. Максимальные вертикальные усилия сжатия в стенке резервуара

9.6.5.1. Вертикальные сжимающие усилия в стенке определяются с учетом возможного отрыва части днища от основания. При вычислении удерживающих сил учитывается вес продукта, расположенного над приподнятым участком днища.

9.6.5.2. Максимальные вертикальные усилия сжатия в нижнем поясе стенки резервуара следует определять по формулам:

9.6.6. Нагрузки на основание и фундамент и размеры окрайки днища в условиях сейсмического воздействия

9.6.6.1. Вертикальные расчетные нагрузки, действующие по контуру стенки резервуара в процессе землетрясения, вычисляются по формулам:

а) если требуется установка анкеров

б) если анкеры не требуются

9.6.6.2. Максимальная и минимальная вертикальные расчетные нагрузки на основание под центральной частью днища резервуара в процессе землетрясения вычисляются по формуле:

где знаки плюс и минус соответствуют максимальному и минимальному значению давления в диаметрально противоположных точках днища, расположенных по оси сейсмического воздействия.

9.6.6.3. Горизонтальная сдвигающая сила, передаваемая от резервуара на фундамент при землетрясении, вычисляется по формуле:

9.6.6.4. Минимальная требуемая ширина окрайки днища в процессе землетрясения (рис. 9.9) определяется соотношением:

Окончательно ширина окрайки днища назначается как большая из величин, полученных по формулам п. 8.3.6 и п. 9.6.6.4.

9.6.7. Требования к установке анкеров

9.6.7.1. Если требуется установка анкеров (см. п. 9.6.4.4 г), то расчетное усилие в одном анкерном болте определяется по формуле:

Na = (1,2 pπr2 + 4Ms/Da - Gs* - Gr*)/na,

причем значения весовых характеристик Gs*, Gr* принимаются за вычетом веса откорродировавшего металла и без учета снеговой нагрузки.

9.6.7.2. Количество анкерных болтов, устанавливаемых по периметру резервуара, определяется конструктивно. При этом минимальная расчетная площадь поперечного сечения нетто анкерного болта составляет:

где расчетное сопротивление анкерных болтов Rba назначается на основе требований раздела 3 СНиП II-23-81*. Номинальный диаметр резьбы болта следует принимать в соответствии с ГОСТ 24379.0.

9.6.7.3. Назначение размеров конструктивных элементов анкерных стульчиков следует производить в соответствии с требованиями СНиП II-23-81*. Запас прочности конструктивных элементов анкерного стульчика должен быть выше запаса прочности анкерного болта.

9.6.8. Максимальный уровень наполнения резервуара

9.6.8.1. Высота волны на поверхности продукта определяется по формуле:

dmax = 0,84βcrAh.

9.6.8.2. Максимальный уровень наполнения резервуара Н должен назначаться с учетом высоты волны на поверхности продукта в процессе землетрясения. При этом следует обеспечить выполнение условия:

Н + ΔН + d max < Нs.

9.6.9. Пример расчета

В Приложении П.7 содержится пример расчета резервуара объемом 2000 м 3 .

9.7. Защита резервуаров от стихийного воздействия водного потока

Для резервуаров, возводимых в прибрежных зонах рек, морей и океанов, существует опасность воздействия водных потоков, вызванных паводковыми разливами рек, прорывом плотин и дамб, цунами, нагоном воды из морей в устья рек и т.д. При этом возможны сдвиг и опрокидывание резервуаров, расположенных в зонах затопления. Приложение П.8 содержит рекомендации по защите резервуаров от указанного вида стихийного воздействия и включает комплекс мероприятий, проведение которых целесообразно на стадии проектирования и в процессе эксплуатации резервуаров.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

• МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Курганский государственный университет

Кафедра «Технологии и автоматизации сварочного производства»

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине:

Проектирование сварных конструкций

Расчет вертикального цилиндрического резервуара емкостью

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выполнил студент гр. Т-4170 Потрепалов Е.А.

Преподаватель: ___________ Казаков С.И.

Курган 2013г.

ВВЕДЕНИЕ

Нефтяной резервуар - ёмкость для хранения нефти и продуктов её переработки.

Hефтяные резервуары подразделяются по расположению на наземные, подземные (включая заглубленные резервуары) и подводные; по материалам, из которых изготовляются, - на металлические (из сталей, цветных металлов и их сплавов), железобетонные, каменные, земляные (амбары), деревянные, стеклопластиковые, пластмассовые, резинотканевые; по величине избыточного давления - на резервуары низкого (Pи?0,002 МПa), повышенного (0,0020 - 067 МПa) давления; по форме оболочки - на вертикальные и горизонтальные цилиндрические резервуары, каплевидные резервуары, шаровые резервуары, прямоугольные; по состоянию хранимого продукта - для маловязких нефтей и нефтепродуктов, для высоковязких и застывающих нефтей и нефтепродуктов, требующих подогрева, для сжиженных газов; по способу установки - стационарные и передвижные. Наземные нефтяные резервуары сооружаются главным образом из стали и железобетона. Последние изготовляются из рулонных заготовок корпуса и днища резервуара, свариваемых на специализированных заводах и доставляемых к месту монтажа в свёрнутом виде, или из готовых элементов (сборные резервуары, a также нефтяные резервуары большого объёма), полистовым способом из отдельных листов, свариваемых на монтажной площадке. Подземные нефтяные резервуары подразделяют на шахтные, сооружаемые в специально создаваемых горных выработках или в отработанных выработках шахт и рудников; бесшахтные, создаваемые в пластах каменной соли путём выщелачивания, a также уплотнением пород взрывом; траншейные, сооружаемые открытым горным способом. B полускальных, крупнообломочных, песчаных и глинистых грунтах траншейные нефтяные резервуары строятся металлическими c щитовой крышей, опирающейся на несущие фермы. Недостатки подземных (в т.ч. и заглублённых) нефтяных резервуаров: трудность определения утечек, ремонта и эксплуатации, a в шахтных, кроме того, необходимость заглубления насосной станции и др. При подводном хранении нефти и нефтепродуктов (подвижныe нефтяные резервуары) эластичную ёмкость или металлическую оболочку погружают на дно c помощью подвешиваемых дополнительно грузов-якорей. Кроме того, нефтяные резервуары размещают в бетонных фундаментах морских буровых платформ. Конструкция резервуара должна обеспечивать герметичность, коррозионную и химическую стойкость по отношению к хранимому продукту, долговечность, безопасность эксплуатации и др. Выбор конструкции нефтяного резервуара производится на основе технико-экономического анализа c учётом необходимости сокращения потерь хранимых продуктов, их физико-химических свойств и требований, предъявляемых к технологии хранения. Hефтяной pезервуар или группа нефтяных резеруаров, как правило, входят в состав Нефтехранилища.

Наиболее распространены стальные вертикальные цилиндрические нефтяные резервуары, которые предназначены для эксплуатации в pайонах c ветровой нагрузкой до 980 Пa, снеговой нагрузкой до 1960 Пa и температурой до -65°C. Они изготовляются вместимостью от 100 до 100 000 м3 и могут иметь стационарную, плавающую или дышащую крыши. Для хранения большинства нефтей и нефтепродуктов (имеющих при температуpe 37,8°C давление насыщенных паров до 2,67·* 104 Пa) используют резервуары co стационарной крышей, опирающейся на корпус (сферическая крыша) или, кроме того, на центральную стойку-опору (коническая крыша). Резервуары вместимостью от 100 до 5000 м3 изготовляют c конической крышей, от 10 000 до 30 000 м3 - co сферической крышей, выполненной из радиальных щитов. Для хранения мазута и тёмных нефтепродуктов применяют также резервуары вместимостью до 5000 м3 c "безмоментной" крышей, требующей меньших затрат металла. Бензины и нефти c давлением насыщенных паров до 0,067 МПa в целях сокращения потерь от испарения хранят в вертикальных цилиндрических резервуарах co стационарными крышами, оборудованных понтонами вместимостью до 20 000 м3, или резервуарах c плавающими крышами - вместимостью до 100 000 м3. Для уменьшения потерь нефтепродуктов от "Большого дыхания" резервуара и "Малого дыхания" резервуара применяют вертикальные цилиндрические стальные резервуары c торосферической и сфероцилиндрической крышей, c "дышащей" крышей (устройство и принцип действия, аналогичные газгольдеру переменного объёма), a также каплевидные и шаровые резервуары, используемые, кроме того, для хранения сжиженных газов и их смесей (бутана, пропана, бутилена и др.).

Для обеспечения нормальной эксплуатации нефтяные резервуары снабжаются технологическим оборудованием: дыхательной аппаратурой, предохранительной арматурой (кроме резервуаров c плавающими крышами), приёмно-раздаточными патрубками, люками-лазами, замерными люками, приборами для отбора проб и измерения уровня нефтепродукта и температуры, средствами молниезащиты и защиты от статического электричества, устройствами по предотвращению образования отложений в резервуарах. Резервуары для хранения вязких нефтепродуктов дополнительно оборудуются подогревательными устройствами, подъёмными трубами и др. (для уменьшения теплопотерь такие резервуары теплоизолируются).

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА

Резервуары вертикальные стальные цилиндрические РВС 5000 предназначены для приема, хранения, выдачи нефтепродуктов и воды, а также других жидкостей, в различных климатических условиях.

Резервуары РВС-5000 м? прежде всего используются для стационарного хранения при добыче, переработке и оптового отпуска нефти и нефтепродуктов.

В зависимости от назначений и климатических условий эксплуатации РВС 5000 изготавливаются из различных марок сталей: малоуглеродистой, низколегированной и нержавеющей стали.

Резервуары РВС 5000 изготавливаются: в рулонном и полистовом исполнении; со стационарными крышами; с плавающими крышами; с понтоном; с подогревом и утеплением; одностенного или двустенного исполнения.

Исходные данные:

1. Место строительства -- II район по снеговому покрову

2. Материал резервуара -- сталь С245 с Ry = 230 МПа

3. Избыточное давление паров испаряющейся жидкости Pи = 2 кПа

4. Плотность жидкости? = 900 кг/м3

5. Номинальные размеры резервуара Н = 12 м и D = 23 м

6. Конструктивные размеры по высоте Н = 11920 мм, внутренний диаметр Do = 22800 мм и наружный диаметр D = 22818 мм

7. Максимальная высота налива продукта 11,3м.

2. Расчетная часть

2. 1 О пределение оптимальных размеров

Принимаем отношение h/D=0,5. Затем выразим h из данного соотношения и подставим его в формулу объёма цилиндра:

где V - заданный объём резервуара; D - диаметр резервуара; - отношение h/D, соответствующее заданному объёму.

Выразив диаметр, получим:

Найденную высоту округляем в большую сторону до значения, кратного ширине пояса (1,5 м) тогда h=12 м. Количество поясов 8.

Полученные размеры сравниваем с размерами рекомендуемого параметрического ряда и принимаем h=12м, D=23,3м.

Тогда высота налива жидкости:

2. 2 Определени е толщины поясов

Минимальная толщина листов стенки РВС для условий эксплуатации рассчитывается по формуле 2.2:

Расчетное сопротивление материала стенки резервуаров по пределу текучести, определяется по формуле 2.3:

Значение минимальной толщины стенки для условий эксплуатации увеличивается на величину припуска на коррозию и округляется до ближайшего значения из сортаментного ряда листового проката.

Если полученное значение меньше или равно минимальной толщине пояса для данного объёма, то резервуар будет равностенным и расчёт остальных поясов не требуется. Минимальные значения толщин поясов приведены в таблице 2.1.

Таблица2.1 Минимальная толщина пояса резервуара для заданного объёма

Расчет 1-го пояса:

Расчет 2-го пояса:

Расчет 3-го пояса:

Расчет 4-го пояса:

Принимаем толщину 4-го, 5-го, 6-го, 7-го, 8-го поясов равной 7мм

2. 3 Расчет днища резервуара

Днище резервуара плоское.

Средняя часть днища состоит из целых листов размерами 1500 X 6000 мм

Днища резервуаров объемом от 2000 м3 должны иметь центральную часть и утолщенные кольцевые окрайки. Листы центральной части должны иметь номинальную толщину не менее 4 мм, исключая припуск на коррозию.

Кольцо из листов окраек должно быть круговой формы с внешней стороны, внутренняя граница окраек может иметь форму правильного многоугольника с числом сторон равным числу листов окрайки. Радиальная ширина окрайки должна обеспечивать расстояние между внутренней поверхностью стенки и швом приварки центральной части днища не менее 800 мм.

Толщина центральной части днища определяется по формуле 2.4

где - минимально конструктивная толщина центральной части днища, (для резервуаров с V>5000 м3 = 5 мм);

Припуск на коррозию центральной части днища, мм;

Толщина окрайки или периферийного листа днища определяется по формуле (2.5)

где - минимально конструктивная толщина окрайки днища, мм, принимается по таблице 2;

Припуск на коррозию окрайки днища, мм.

Таблица 2

Минимальная конструктивная толщина окрайки днища

2. 4 Расчёт крыши резервуара

Расчёт крыши резервуара.

Самонесущие купольные (сферические) крыши должны отвечать следующим требованиям:

минимальный радиус сферической поверхности равен 0,8D;

максимальный радиус - 1,5D, где D - диаметр резервуара;

минимальная толщина настила - 5 мм.

Минимальная расчетная толщина полотна купольной крыши по условию устойчивости без припуска на коррозию определяется по формуле

где и - угол крыши с горизонтальной плоскостью;

Е- модуль упругости стали;

здесь gm - масса 1 м2 листа крыши, кг;

gy - масса 1 м2 утеплителя, кг;

s - полное нормативное значение снеговой нагрузки, Па;

Рвак - величина относительного разрежения в резервуаре под крышей, Па.

Принимаем толщину покрытия 5 мм.

Узел должен быть рассчитан на кольцевое растягивающее усилие.

В резервуарах, работающих с избыточным внутренним давлением, узел крепления крыши к верху стенки должен быть рассчитан на кольцевое

сжимающее усилие:

где - максимальное избыточное давление;

Минимальная вертикальная расчетная нагрузка от веса крыши,.

Узел должен быть рассчитан на устойчивость при действии погонного усилия.

Расчетную площадь составляют участок крыши шириной, вычисляемой по формуле

участок стенки резервуара шириной:

и подкрепляющие узел элементы.

После вычисления и находят общую площадь элемента, воспринимающего кольцевое усилие, и рассчитывают возникающее в нём напряжение после чего сравнивают его с допустимым.

где - площадь сечения профиля опорного элемента.

Выбираем уголок №25 с площадью сечения профиля: (ГОСТ 8509-93.)

Расчет конструктивных элементов покрытия. Подсчет расчетных нагрузок, действующих сверху вниз, Н/м2:

Расчет настила. Предельный относительный прогиб настила

При пролет настила допустим

По конструктивным соображениям принимаем расстояние между ребрами 1,3 м.

Расчет поперечных ребер щита. Расчетный пролет ребер принять; равномерно распределенная нагрузка при шаге поперечных рёбер 1,3 м составляет

Изгибающий момент:

Требуемый момент сопротивления сечения составляет:

По сортаменту подбираем швеллер №12, Wx = 50,80 см3, Jx = 89,4 см2,М = 10,40 кг/м.

Расчет продольной балки щита. Пролет балки при свободном опирании на стенку резервуара и оголовок (зонт) трубчатой стоки равен примерно 22 м. Равномерно распределенная нагрузка на 1 м длины балки при ширине грузовой площадки

Изгибающий момент:

Требуемый момент сопротивления сечения балки из условия обеспечения прочности:

Требуемый момент инерции сечения балки из условия обеспечения жесткости (при) составит:

Выбираем двутавр № 27, = 5010 см4; Масса 31,50 кг/м.

Количество продольных балок: 36.

2. 5 Расчет стенки резервуара на прочность и устойчивость

2.5. Расчет на прочность с учетом действия краевого коэффициента вычисляется по формуле (2.19)

(2. 19)

Краевой момент вычисляется по формуле (2.20):

Значение максимально на расстоянии от днища. Для этого сечения усилие T1 (2.21):

Поверочный расчет на прочность и расчет на устойчивость проводится для расчетной толщины tр поясов, которая определяется как разность номинальной толщины t. минусового допуска на прокат и припуска на коррозию:

Поверочный расчет на прочность для каждого пояса стенки резервуара проводится по формуле

где - меридиональное напряжение;

Кольцевое напряжение;

Коэффициент условий работы, =0,7 для нижнего пояса, =0,8 для остальных поясов;

Коэффициент надежности по назначению, для резервуаров, =1,1

Кольцевое напряжение, вычисляется для нижней точки каждого пояса:

Меридиональное напряжение, с учетом коэффициентов надежности по нагрузке и коэффициентов для основного сочетания нагрузок вычисляется для нижней точки пояса по формуле 2.25.

где - вес металлоконструкций выше расчетной точки;

Полное нормативное значение снеговой нагрузки.

Расчет стенки резервуара на устойчивость выполняется с помощью проверки соотношения 2.26

где - первое (меридиональное) критическое напряжение; - второе (кольцевое) критическое напряжение.

Первое критическое напряжение вычисляется по формуле 2.27

где - расчетная толщина самого тонкого пояса стенки (обычно верхний пояс). Коэффициент может быть вычислен по формуле 2.28:

Второе критическое напряжение вычисляется по формуле 2.29

где - редуцированная высота резервуара, а при постоянной толщине стенки для резервуара со стационарной крышей равно полной высоте стенки резервуара Н0.

Редуцированная высота резервуара вычисляется по формуле 2.30

где - расчетная толщина листа -го пояса; - высота го пояса.

Меридиональное напряжение, вычисляется для нижней кромки участка стенки постоянной толщины по формуле 2.31

Знак напряжения сжатия, условно заменен на положительный.

где - значение ветрового давления на уровне верха резервуара Н0

Знак напряжения сжатия условно заменен на положительный.

Расчет 8-го пояса:

Условие не выполняется. Необходимо увеличить толщину стенки. Принимаем толщину стенки 8мм.

Условие не выполняется. Необходимо увеличить толщину стенки. Принимаем толщину стенки 9мм.

Условие выполняется при увеличении толщины поясов на 2 мм.

Расчет 7-го пояса:

Расчет 6-го пояса:

Расчет 5-го пояса:

Расчет 4-го пояса:

Расчет 3-го пояса:

Расчет 2-го пояса:

Расчет 1-го пояса:

2. 6 Повторный расчет на прочность

8 пояс: GM=78241,8кг 9-2-0,8=6,2мм

7 пояс: GM=78241,8кг 9-2-0,8=6,2мм

6 пояс: GM=97821,4кг 9-2-0,8=6,2мм

5 пояс: GM=107611,2кг 9-2-0,8=6,2мм

4 пояс: GM=117401кг 9-2-0,8=6,2мм

3 пояс: GM=128278,6кг 10-2-0,8=7,2мм

2 пояс: GM=141331,7кг 12-2-0,8=9,2мм

1 пояс: : GM=156559,4кг 14-2-0,8=11,2мм

2. 7 Расчет резервуара на опрокидывание

Резервуар, в целом должен быть рассчитан на устойчивость к опрокидыванию при действии ветровой нагрузки.

При выполнении условия анкеровка резервуара не требуется.

где М - опрокидывающий момент от действия ветровой нагрузки;

R - радиус стенки резервуара, м;

G - вес конструкций резервуара за вычетом припусков на коррозию;

Анкеровка резервуара не требуется.

2.3 Выбор проката для изготовления элементов резервуара

резервуар прочность расчет нефтепродукты

Для изготовления стенок, днища и покрытия крыши выбираем прокат по ГОСТ 19903 . По ГОСТу прокат поставляется размерами 6000*1,5. Поперечные ребра щита по ГОСТ 8240-97 . Продольные ребра щита по ГОСТ 8239.

2.4 Выбор типов сварных соединений

Для соединения центральной части днища с окрайкой выбираем стыковое соединение С11 (ГОСТ 5264-80). Конструктивные элементы подготовленных кромок и сварного шва представлены в таблице 2.1.

Таблице 2.1.

Для соединения нижнего пояса стенки и днища выбираем тавровое соединение Т3 (ГОСТ 5264 - 80). Конструктивные элементы подготовленных кромок и сварного шва представлены в таблице 2.2

Таблица 2.2

Для соединения центральной части днища выбираем стыковое соединение С5 ГОСТ 8713-79. Конструктивные элементы подготовленных кромок и сварного шва представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3

Для соединения листов крыши выбираем стыковое соединение С17 ГОСТ 5264-60. Конструктивные элементы подготовленных кромок и сварного шва представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4

Для соединения поясов по периметру выбираем стыковое соединение С17 (ГОСТ 5264 - 80). Конструктивные элементы подготовленных кромок и сварного шва представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Назначение габаритных размеров цилиндрического резервуара низкого давления. Конструирование днища и определение толщины листов стенки. Расчет анкерных креплений и конструирование элементов сферического покрытия. Проверка стенки резервуара на устойчивость.

курсовая работа , добавлен 16.07.2014


Определение габаритных размеров вертикального цилиндрического резервуара со стационарной крышей, толщины листов стенки. Конструирование днища и элементов сферического покрытия. Сбор нагрузок на купол. Расчет радиального ребра и кольцевых элементов купола.

курсовая работа , добавлен 24.01.2011


Марка и расчетные характеристики резервуара. Особенности проверочного расчета стенки резервуара на прочность. Расчет предельного уровня налива нефтепродуктов в резервуар. Расчет остаточного ресурса резервуара. Анализ результатов поверочного расчета.

контрольная работа , добавлен 27.11.2012


Расчет резервуара вертикального стального с понтоном объемом 28 тыс. м3 (РВСП-28000). Анализ оптимальности его параметров с точки зрения эффективности металозатрат. Расчет на прочность и устойчивость, соответствие резервуара предъявляемым требованиям.

курсовая работа , добавлен 09.12.2010


Изучение стандартизации, норм и правил сооружения резервуара для хранения нефти и нефтепродуктов. Основы проектирования площадки и заложение фундамента вертикального стального резервуара. Сооружение стенки и крыши емкости и основного оборудования.

курсовая работа , добавлен 09.04.2014


Описание и условия эксплуатации крыши вертикального цилиндрического наземного резервуара. Выбор способа сварки и сварочного оборудования. Разработка технологии изготовления полотнища крыши. Контроль качества сварных соединений, исправление дефектов.

курсовая работа , добавлен 25.09.2014


Расчет стенки цилиндрических вертикальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. Определение устойчивости кольцевого напряжения 2 в резервуарах со стационарной крышей. Поверочный расчет на прочность и на устойчивость для каждого пояса стенки резервуара.

контрольная работа , добавлен 17.12.2013


Техническая диагностика резервуара РВС-5000 для хранения нефти, выявление дефектов. Реконструкция резервуара для уменьшения потерь нефтепродуктов. Разработка системы пожаротушения. Технология и организация выполнения работ. Сметная стоимость ремонта.

дипломная работа , добавлен 24.06.2015


Изучение конструктивных особенностей вертикальных цилиндрических резервуаров низкого давления для нефти и нефтепродуктов. Характеристика метода наращивания поясов резервуара. Расчёт стенки резервуара на прочность. Технология сварочных и монтажных работ.

курсовая работа , добавлен 06.03.2016


Характеристика хранимой нефти. Обоснование конструктивных решений зданий и сооружений. Параметры резервуара. Основные материалы, применяемые при замене днища, участков стенки. Фундамент резервуара. Колодцы сетей канализации и наружного пожаротушения.

Музыкальная школа (Документ)

ГИБДД. Водительские права (Документ)

n1.docx

4.3. Определение толщины стенки резервуара

Несущие конструкции вертикальных цилиндрических резервуаров рассчитывают по предельным состояниям в соответствии со строительными нормами и правилами СНиП II 23-81 «Стальные конструкции. Нормы проектирования».

При наполнении резервуара жидкостью в стенке возникают растягивающие напряжения, направленные горизонтально по касательной к окружности (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Расчетная схема для определения кольцевых напряжений
от гидростатического давления нефтепродукта с удельным весом
Рассматривая равновесие кольца единичной высоты на расстоянии от днища, получим выражение для вычисления кольцевых напряжений :

где – толщина стенки резервуара; – удельный вес жидкости; – высота и радиус резервуара.

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 от днища резервуара (рис. 4.7):

Где n 1 = 1,1 – коэффициент перегрузки для гидростатического давления;
n 2 = 1,2 - коэффициент перегрузки для избыточного давления в паровоздушной смеси p и ; – удельный вес жидкости.

Рис. 4.7. Схема нагружения резервуара внутренним давлением
Выражение для предварительного определения толщины стенки получим по предельному состоянию с учетом избыточного давления в газовом пространстве резервуара :

, (4.8)

где – коэффициент условий работы;

– коэффициент надежности по давлению;

– расчетное сопротивление для стали стенки резервуара.

Толщину цилиндрической стенки корпуса резервуара на расстояниях от днища можно определять только по кольцевым напряжениям исходя из того, что они в два раза больше меридиональных.

Из выражения (4.4) получают формулу для определения минимальной толщины стенки каждого горизонтального пояса вертикального резервуара для условий эксплуатации

, (4.9)

– плотность нефти или нефтепродукта, кг/м 3 ;

– радиус стенки резервуара, м ;

м ;

м ;

, – нормативная величина избыточного давления;

– расчетное сопротивление стали для пояса стенки по пределу текучести, Па.

Расчетное сопротивление материала стенки резервуаров по пределу текучести определяется по формуле

где – нормативное сопротивления растяжению (сжатию) металла стенки, равное минимальному значению предела текучести, принимаемому по государственным стандартам и техническим условиям на листовой прокат;

– коэффициент надежности по назначению, для резервуаров объемом по строительному номиналу 10 000 м 3 и более , объемом по строительному номиналу менее 10 000 м 3 .

Таблица 4.4

Конструктивная величина толщины стенки

В качестве номинальной толщины каждого пояса стенки выбирается значение большей из двух величин, округленное до ближайшего значения из сортаментного ряда листового проката.

где – припуск на коррозию, мм ;

– значениеминусовогодопускана толщину листа, мм ;

Таблица 4.5

Предельные отклонения по толщине листа

Толщина, мм	Предельные отклонения по толщине листов для симметричного поля допусков при точности ВТ (высокой точности) и АТ (повышенной точности) при ширине, мм
	1500		Св.1500 до 2000		Св. 2000 до 3000
	ВТ	AT	ВТ	AT	ВТ	AT
От 5 до 10	±0,4	±0,45	±0,45	±0,5	±0,5	±0,55
Св. 10 до 20	±0,4	±0,45	±0,45	±0,5	±0,55	±0,6
Св. 20 до 30	±0,4	±0,5	±0,5	±0,6	±0,6	±0,7
Св. 30 до 45		±0,6		±0,7		±0,9

4.4. Расчет стенки резервуара на устойчивость

Потеря устойчивости стенки (оболочки) резервуара может происходить от действия сжимающих напряжений. При расчете на устойчивость необходимо, чтобы возникшие сжимающие напряжения не превысили критических напряжений для рассматриваемой конструкции:

где – максимальные сжимающие напряжения;

– критические напряжения.

Величина критических напряжений зависит от гибкости рассчитываемых элементов строительных конструкций. Гибкость определяется геометрическими размерами, формой и условиями закрепления сжимаемых элементов конструкций, в частности, для цилиндрической оболочки зависит от толщины, радиуса и высоты стенки. Формулы для вычисления критических напряжений необходимо выбирать по СНиП II-23-81 «Стальные конструкции».

При проверке устойчивости стенки вертикального резервуара со стационарной крышей расчетным считается тот случай, когда резервуар пустой, герметически закрыт и в нем возникает вакуум (рис. 4.8). В этом случае сжатие стенки будет происходить как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.

При расчете на устойчивость необходимо учитывать следующее сочетание нагрузок:

– осевое сжатие от веса стенки и крыши резервуара, снега и вакуума;

– равномерное внешнее давление, действующее при возникновении вакуума внутри резервуара и от ветровой нагрузки;

– совместное воздействие этих нагрузок.

Рис. 4.8. Схема для расчета стенки резервуара на устойчивость
Если учитывается совместное сжатие резервуара в осевом и горизонтальном направлениях, проверка устойчивости стенки резервуара производится по формуле

МПа;

МПа ;

МПа ;

МПа .

Расчетные осевые напряжения для резервуаров РВС определяются по формуле, описывающей сжатие поперечных горизонтальных сечений вертикальной цилиндрической оболочки:

веса;

– вес покрытия резервуара, Н ;

Н ;

Н ;

– вес покрытия резервуара, Н ;

м .

Вес покрытия резервуара рассчитывается по нормативному удельному весу крыши (табл. 4.6)

Таблица 4.6

Нормативный вес крыши на единицу площади

, (4.16)

где – номер последнего верхнего пояса, если начало отсчета снизу;

– удельный вес стали.

Нормативная снеговая нагрузка на горизонтальную проекцию резервуара определяется для заданного снегового района:

где – коэффициент перехода от веса снегового покрытия горизонтальной поверхности земли к снеговой нагрузке на трубопровод;

– нормативное значение веса снегового покрова на 1 м 2 горизонтальной поверхности земли, которое выбирается по табл. 4.7 для соответствующего снегового района Российской Федерации.

Таблица 4.7

Нормативные значения веса снегового покрова
(СНиП 2 .01.07-85 Нагрузки и воздействия)

Снеговые районы Российской Федерации	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
, кПа	0,8	1,2	1,8	2,4	3,2	4,0	4,8	5,6

Вес снегового покрова на всю крышу будет пропорционален её площади:

Нормативная нагрузка от вакуума на покрытие зависит также от размера крыши:

Осевые критические напряжения зависят от толщины стенки и радиуса цилиндрической оболочки:

где МПа – модуль упругости стали;

– коэффициент, принимаемый по табл. 4.8.

Для определения коэффициента необходимо вычислить среднюю толщину стенки резервуара:

. (4.21)
Таблица 4.8

Значение коэффициента

	600	800	1000	1500	2500
	0,11	0,09	0,08	0,07	0,06

Расчетные кольцевые напряжения в стенке при расчете на устойчивость резервуара определяются по формуле

, (4.22)

где – нормативное значение ветровой нагрузки на резервуар, Па ;

– коэффициент надежности по ветровой нагрузке;

– средняя арифметическая толщина стенки резервуара, м .

Нормативное значение ветровой нагрузки определяется по формуле

где – нормативное значение ветрового давления, для рассматриваемого района, Па (табл. 4.9);

– коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте;

– аэродинамический коэффициент.
Таблица 4.9

Ветровые давления по ветровым районам

Ветровые районы СССР	Ia	I	II	III	IV	V	VI	VII
, кПа	0,17	0,23	0,30	0,38	0,48	0,60	0,73	0,85

Аэродинамический коэффициент выбирается по СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» (табл. 4.10).
Таблица 4.10

Аэродинамический коэффициент

	0,17	0,25	0,5	1,0	2,0
	0,5	0,55	0,7	0,8	0,9

Критические кольцевые напряжения в стенке резервуара определяются по формуле

, (4.24)

где – геометрическая высота стенки резервуара, м.

Если по результатам расчета условие устойчивости не выполняется, то значения номинальной толщины стенки для соответствующих поясов стенки резервуара должны быть увеличены.

4.5. 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. 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 м 3 и более по периметру основания устраивают железобетонное кольцо.

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

Днища резервуаров могут быть плоскими или коническими с уклоном от центра или к центру (рекомендуемая величина уклона 1:100).

Днище состоит из периферийных листов, находящихся под стенкой и приваренных к ней, и центральной части.

Днища резервуаров должны иметь следующую конструкцию:

 для резервуаров объемом менее 2 000 м 3 используется конструкция с периферийными листами (рис. 4.9), сваренными с центральной частью встык. Периферийные листы должны иметь прямоугольную форму с одной радиусной кромкой, толщины периферийных листов и центральной части должны быть равны;

 для резервуаров объемом 2 000 м 3 и более периферийные листы днища образуют кольцо под стенкой резервуара (рис 4.10). Эти листы называются окрайками и имеют форму утолщенных кольцевых сегментов, сваренных с центральной частью днища внахлест. Толщина окраек определяется согласно табл. 4.11.

Рис. 4.9. Конструкция днища без окраек

1 и 2 – полотнища; 3 – монтажное соединение внахлест;
4 – заводское соединение встык; 5 – монтажный шов встык;
6 – монтажный шов внахлест; 7 – подкладка

Рис. 4.10. Конструкция днища c окрайками:

а) конструкция днища; б) соединение окраек между собой;
в) соединение центральной части днища с окрайками;
1– полотнища центральной части днища; 2 – окрайки; 3 – сварной шов;
4 – подкладка
Таблица 4.11

Конструктивная величина окрайки днища

Все листы центральной части днища указанных резервуаров должны иметь номинальную толщину не менее 4 мм, исключая припуск на коррозию.

Согласно РД Транснефти толщина центральной части днища должна быть равна 9 мм.

Периферийные листы днища и первый пояс стенки должны быть изготовлены из стали одного класса и марки.

Кольцо из листов окраек должно быть круговой формы с внешней стороны, внутренняя граница окраек может иметь форму многоугольника с числом сторон равным числу листов окрайки. Радиальная ширина окрайки должна обеспечить расстояние между внутренней поверхностью стенки и швом приварки центральной части днища к окрайке не менее 800 мм. Нахлест центральной части днища на окрайку должен составлять не менее 50 мм.

Расстояние между наружной поверхностью стенки и наружным контуром окраек или периферийных листов днища должно составлять 50…60 мм.

Окрайки собираются с клиновидным зазором и свариваются между собой односторонними стыковыми швами на остающейся подкладке толщиной 4 мм. Длина подкладки должна превышать длину сварного шва между окрайками на 30 мм во внутреннюю и наружную стороны. При сварке наружной части окраек сварные швы следует выводить на подкладку, а ее выступающую часть обрезать.

Сварные швы окраек и периферийных листов днища должны иметь разбежку с вертикальными сварными швами первого пояса стенки не менее 100 мм.

Монтажное нахлесточное соединение полотнищ днища в зоне приварки к стенке резервуара должно быть преобразовано в стыковое соединение на остающейся подкладке длиной не менее 300 мм.

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 Ч 6000 мм или
2000 Ч 8000 мм толщиной 5 мм при вместимости до 10000 м 3 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.

При монтаже центральной части днища полистовым методом применяются нахлесточные и стыковые соединения на остающейся подкладке. Стыковые соединения (на подкладке) выполняются вдоль короткой стороны листа, а нахлёсточные – вдоль длинной стороны листа, за исключением участков, примыкающих к окрайке днища. Толщина подкладки –
4–5 мм. Разбежка поперечных сварных швов при полистовой сборке днища должна быть неменее 500 мм. Соединения центральной части днища с кольцевыми окрайками выполняются внахлёст независимо от толщин стыкуемых элементов.

При 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.
4.6. Расчет сопряжения стенки резервуара с днищем

Канонические уравнения метода сил

Канонические уравнения метода сил находят широкое применение для расчета статически неопределимых систем. В этом случае за искомые неизвестные принимаются силовые факторы или реакции.

Рассмотрим этот метод на конкретном примере (рис. 4.11). Заменим исходную статически неопределимую систему на статически определимую основную систему путем удаления лишних связей.

Основную систему нагружают заданными внешними силами и лишними неизвестными усилиями и , заменяющими действие удаленных связей, в результате чего получают эквивалентную систему . При этом неизвестные усилия должны быть подобраны так, чтобы перемещения в опорах и были такими же, как и в исходной системе.

В данном примере перемещения в точках и равны нулю. Приравнивая суммарное перемещение от внешних нагрузок и неизвестных сил нулю, получим систему канонических уравнений метода сил

(4.25)

Где , – перемещения от внешних нагрузок (рис. 4.11,в);

, , , – перемещения от неизвестных сил
(рис. 4.11,г).

Рис. 4.11. Расчетная схема для определения реакций методом сил:

а – исходная система; б – основная система; в – перемещения от внешних нагрузок;

г – перемещения от неизвестных сил; д – перемещения от единичных сил
Если вместо неизвестных сил приложить единичные силы, то получим следующие выражения:

В этих выражениях – перемещение точки от единичной силы, приложенной вместо силы ; – перемещение точки от единичной силы, приложенной вместо силы ; – перемещение точки от единичной силы, приложенной вместо силы ; – перемещение точки от единичной силы, приложенной вместо силы . На основании теоремы о взаимности перемещений

Таким образом, исходную задачу удалось разбить на несколько более простых, для которых решения можно найти в справочнике или воспользоваться известными из курса сопротивления материалов методами, например, методом Мора. Интеграл Мора для перемещений от внешних нагрузок и от единичных сил определяется следующим образом:

, (4.27)

где – суммарная длина всех участков;

– момент от внешних нагрузок;

– момент от единичной силы, приложенной в -й точке;

– осевой момент инерции сечения.

После того, как все перемещения определены, получаем систему канонических уравнений метода сил

(4.28)

Проверочный расчет узла сопряжения стенки и днища

В зоне сопряжения стенки резервуара с днищем за счет стесненности радиальных деформаций стенки днищем возникают изгибающий момент и поперечная сила. Расчетная схема и основная система сопряжения показаны на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Расчетная схема узла сопряжения стенки резервуара
и днища для метода сил: а – исходная система – совместная деформация стенки
и днища; б – основная система для расчета нижнего узла методом сил
Предполагается, что полоски единичной ширины, вырезанные из стенки и днища, работают как балки на упругом основании (по гипотезе Винклера). Основная система получается путем отрыва стенки от днища. Лишние неизвестные ( – изгибающий момент, – поперечная сила) определяются методом сил из решения канонических уравнений, выражающих условие совместности перемещений тех поперечных сечений стенки и днища, в которых они жестко соединены между собой:

Где – перемещения от единичного момента и единичной силы ;

И – грузовые члены, зависящие от внешних нагрузок.

Для упрощения данной задачи можно считать, что днище является абсолютно жестким при его деформировании в собственной плоскости и соответственно все перемещения днища в горизонтальной плоскости от действия внешней нагрузки, момента и поперечной силы обращаются в ноль:

С учетом сделанных допущений система уравнений (4.29) принимает более простой вид:

(4.31)

Перемещения стенки резервуара и днища, входящие в канонические уравнения, получают из решения дифференциального уравнения оси изогнутой балки на упругом основании.

Для стенки – это дифференциальное уравнение четвертого порядка

(4.32)

И для днища

(4.33)

Где – коэффициент постели днища, зависящий от упругих свойств основания резервуара.

Обозначив коэффициент постели стенки как

И введя нужную подстановку

Уравнение (4.32) представляют в виде

, (4.34)

Где – коэффициент деформации стенки;

– цилиндрическая жесткость стенки;

– коэффициент Пуассона;

– модуль упругости стали.

Аналогично преобразуется дифференциальное уравнение для днища

, (4.35)

Где – давление в нижней точке резервуара.

Для определения перемещения используются решения дифференциальных уравнений (4.34) и (4.35), которые имеют следующий вид

Где – частное решение дифференциального уравнения.

Более подробно решение для балки на упругом основании рассмотрено в учебниках по сопротивлению материалов и строительной механике. Применив эти решения для определения перемещений в стенке и днище резервуара, получают следующие соотношения:

; (4.38)

; (4.42)

. (4.43)

В этих выражениях при определении перемещений в днище используются функции Крылова:

; (4.44)

; (4.45)

где – размер свисающей части окрайки днища.

После вычисления перемещений и решения системы канонических уравнений (4.31) определяют неизвестные: изгибающий момент и поперечную силу в стенке резервуара .

Вычислив силовые факторы в узле сопряжения, можно выполнить расчет на прочность стенки резервуара и днища, а также сварного соединения.

На рис. 4.13 изображена расчетная схема для вычисления напряжений в стенке резервуара и в днище. Предельное состояние оценивается по максимальным нормальным напряжениям, которые возникают от найденного изгибающего момента и сжимающей осевой силы , которую вычисляли по формуле (4.14) для первого пояса стенки резервуара при проверке её на устойчивость:

, (4.48)

Где и – момент сопротивления и площадь поперечного сечения стенки резервуара.

Для пластин и оболочек момент сопротивления зависит от толщины стенки :

Формула (4.48) принимает следующий вид:

Днище необходимо проверить на прочность от изгибающего момента в узле сопряжения:

. (4.51)

Рис. 4.13. Расчетная схема для определения нормальных напряжений
в стенке и днище

Рис. 4.14. Расчетная схема для расчета сварного шва

Стенка резервуара и днище образуют сварное тавровое соединение с угловыми швами (рис. 4.14) , расчет которого от действия продольных и поперечных сил проводят на срез по металлу сварного шва и по металлу границы сплавления.

Расчетные формулы, отражающие условие прочности сварного шва, представляют собой выражения для сдвигающих напряжений в плоскости разрушения шва. Они определяются как отношение сдвигающих усилий к площади сечения в плоскости среза.

Расчет по металлу сварного шва:

, (4.52)

где – высота катета сварного шва. Минимальный катет определяется по таблице 38 СНиП II-23-81, а максимальный не должен превышать
1,2 толщины более тонкой детали в соединении;

– расчетная длина шва, принимаемая меньше его полной длины;

– коэффициент для сталей с пределом текучести до 530 МПа, принимаемый в зависимости от вида сварки, диаметра проволоки и положения шва по таблице 34 СНиП II-23-81 (для ручной электродуговой сварки = 0,7); для сталей с пределом текучести более 530 МПа независимо от условий = 0,7;

– коэффициенты условий работы шва, равные 1,0 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах I 1 , I 2 , II 2 , II 3 , где = 0,85;

– коэффициент условий работы;

– расчетное сопротивление углового шва при расчете по металлу шва, которое принимается по таблице 56 СНиП II-23-81 в зависимости от марки электрода.

Проверку прочности углового шва, прикрепляющего стенку к днищу, производят на одновременное воздействие поперечной силы и изгибающего момента (рис. 4.14). В этом случае сдвигающая сила будет определяться как геометрическая сумма вертикальной и горизонтальной составляющих:

Вертикальная составляющая образует пару сил , равную произведению силы на плечо (рис. 4.14):

Горизонтальная составляющая будет возникать от распределения поперечной силы на два сварных шва:

Подставив полученные выражения в формулу (4.53), определим расчетную нагрузку углового шва:

. (4.56)

Необходимо напомнить, что момент и сила в соответствии с принятыми в теории пластин и оболочек определениями являются распределенными по ширине, т.е. отнесенными к единице длины. С учетом этого, длина сварного шва в формуле (4.52) должна равняться единице.

Таким образом, условие прочности сварного шва принимает следующий вид:

. (4.57)

Аналогично выполняется расчет по границе сплавления сварного шва.
4.7. Конструкции покрытий
вертикальных резервуаров

Выбор типа покрытия резервуара в первую очередь зависит от его объема и условий эксплуатации. При проектировании необходимо учитывать: внутреннее давление в резервуаре (избыточное или вакуум), собственный вес конструкции, снеговую нагрузку и ветровую нагрузку, направленную вверх (отсос).

Широкое применение нашли следующие типы покрытий:

– висячие бескаркасные;

– конические каркасные;

– сферические каркасные.

Для резервуаров малого объема предложена бескаркасная конструкция в виде висячей безмоментной оболочки (рис. 4.15) . Настил такой кровли 6 сваривается из тонких листов толщиной 2,5–3 мм и за исключением крайних зон работает в наиболее выгодных для стальных конструкций условиях на растяжение. По верхнему контуру резервуара настил опирается на установленное с внутренней стороны опорное кольцо жесткости коробчатого сечения 5, а в центре резервуара – на стойку 3, вверху которой находится конический стальной зонт 4. По расходу металла резервуары с висячей безмоментной кровлей легче резервуаров с каркасной кровлей на 10–15 %.

Рис. 4.15. Конструкция вертикального резервуара с безмоментной крышей

1 – песчаное основание; 2 – база центральной стойки; 3 – центральная стойка;

4 – зонт; 5 – опорное кольцо жесткости; 6 – настил
Для резервуаров объемом до 5 тыс. м 3 рекомендуется применять конические каркасные крыши (рис. 4.16). Каркасные крыши изготавливаются в виде щитов, которые представляют собой радиально расположенные главные балки 2, выполненные из прокатных или гнутых профилей, кольцевые балки 3, на которые опирается настил, и самого настила 4 из стальных листов толщиной 2,5–3 мм. Такие транспортабельные щиты могут изготавливаться на заводах в виде отдельных отправочных элементов. Опираются щиты на опорные кольца жесткости 5, установленные вверху стенки резервуара, и центральное кольцо со стойкой, которая помещается внутри резервуара.

При монтаже щиты в виде круговых секторов располагаются через один сектор и соединяются между собой кольцевыми элементами каркаса 3. Настил изготавливается из раскроенных и соединенных между собой сваркой листовых заготовок и приваривается к опорному кольцу на стенке резервуара и центральному кольцу.

Рис. 4.16. Конструкция вертикального резервуара с конической крышей:

1 – опорная стойка с центральным щитом; 2 – главные балки;
3 – кольцевые балки настила; 4 – настил; 5 – опорные кольца жесткости
Для резервуаров объемом более 5 тыс. м 3 щитовая и висячая крыши с центральной стойкой оказываются экономически неоправданными.
В резервуарах большего объема более целесообразно применять покрытия в виде сферических крыш без центральной стойки (рис. 4.17, 4.18).

Рис. 4.17. Конструкция вертикального резервуара со сферической крышей:

1 – центральный щит; 2 – круговые главные балки;
3 – кольцевые балки настила; 4 – настил; 5 – опорное кольцо жесткости;

I – соединение сферической крыши со стенкой

Рис. 4.18. Соединение сферической крыши со стенкой

Конструкция сферической крыши по составу несущих элементов и методам их сборки схожа с конструкцией конической крыши щитового типа, описанной выше. Однако круговые радиально расположенные главные балки, изготовленные из вальцованных профилей, обладают повышенной несущей способностью.

Самонесущие купольные (сферические) крыши должны иметь радиус сферической поверхности от 0,8 до 1,5 , где – диаметр резервуара. Толщина элементов стального настила должна быть не менее 4 мм.
4.8. Расчет несущих элементов сферической
крыши резервуара

Главную балку радиально-кольцевого каркаса сферической крыши вертикального резервуара на расчетной схеме (рис. 4.19) можно рассматривать как круговую арку, сопряженную на концах с опорным кольцом. Опорное кольцо устанавливается по верхнему краю цилиндрической стенки резервуара (рис. 4.17). Наиболее точные результаты будет иметь такой вариант расчетной схемы, который учитывает изгибную жесткость опорного кольца и стенки в плоскости оси арки, а также горизонтальную жесткость опорного кольца.

За счет изгибной жесткости в узле сопряжения на арку будет передаваться изгибающий момент , величина которого пропорциональна углу поворота опорного кольца. За счет горизонтальной радиальной жесткости опорного кольца будет возникать реактивная сила , которая называется распором арки.

Рассмотрим пример расчета главной балки, в котором будем учитывать только горизонтальную жесткость верхнего опорного кольца резервуара (рис. 4.19).

4.19. Расчетная схема главных балок каркаса сферической крыши
Арка, имеющая на концах шарнирно-неподвижные опоры, будет один раз статически неопределимой. Неизвестной реакцией является распор , зависящий от горизонтальной жесткости опорного кольца. Чтобы определить величину распора, используется условие совместности деформаций арки и опорного кольца

где – горизонтальное перемещение арки в узле сопряжения;

– горизонтальное радиальное перемещение опорного кольца.

Для определения перемещения воспользуемся известным решением для кольца, нагруженного равномерно распределенной погонной нагрузкой (рис. 4.20):

где – интенсивность распределенной нагрузки в плоскости кольца;

– радиус кольца;

– площадь сечения кольца.

Рис. 4.20. Расчетная схема опорного кольца
Интенсивность нагрузки на кольцо необходимо выразить через распор на главные балки :

где – число главных балок.

Таким образом, получим горизонтальное перемещение опорного кольца

Для определения горизонтального перемещения в опорах арки рассмотрим расчетную схему (рис. 4.19). Для того чтобы из заданной системы получить основную систему, заменим на правом конце арки шарнирно-неподвижную опору на шарнирно-подвижную (рис. 4.21). Эквивалентную систему получим, заменив отброшенную связь неизвестной реакцией, т.е. распором . Горизонтальное перемещение опоры определяется как сумма перемещений от заданной внешней нагрузки (рис. 4.21,а) и неизвестного распора :

где – перемещение от единичной силы, приложенной вместо неизвестной силы распора (рис 4.21, б).

Рис. 4.21. Расчетная схема для определения перемещений
узла опирания главной балки

Перемещение можно определить, используя интеграл Мора:

где – момент от внешних нагрузок;

– момент от единичной нагрузки.

Интеграл Мора для определения перемещения получится при подстановке :

С учетом симметрии расчетной схемы уравнение момента от единичной силы (рис. 4.21, б) запишем только для правой части арки

. (4.65)

Тогда перемещение с учетом выражения

Будет определяться как

.

Чтобы определить перемещение , необходимо записать уравнение для изгибающего момента от внешних нагрузок

, (4.66)

.

Полученные выражения для моментов необходимо подставить в уравнение (4.63) и также учесть симметрию внешней нагрузки:

.

После подстановки полученных выражений в уравнение (4.62) определяется распор арки :

. (4.68)

В приведенном ниже примере выполнения курсового проекта по дисциплине «Строительные конструкции» предложен вариант упрощенного моделирования главных балок в виде трехшарнирной арки. В этом случае получается статически определимая система и реакции опорной конструкции стенки находятся из уравнений статики. В этом примере также подробно рассмотрены проектный расчет главной балки каркасной сферической крыши, кольцевой балки настила и метод для определения толщины листа настила крыши.

4.9. Пример выполнения расчетов
строительных конструкций
вертикального стального резервуара

Цель: спроектировать вертикальный стальной резервуар (РВС).

Дано. 1. Объем резервуара – 20 тыс. м 3 .

1. 
   Плотности нефтепродукта – 900 кг/м 3 .
2. 
   Место строительства – Сургут.

Задание

1. Определить геометрические параметры резервуара.

2. Определить толщину всех поясов стенки резервуара.

4. Выполнить расчет несущего каркаса и настила сферической
крыши.

5. Выполнить графическую часть:

– общий вид резервуара на основании;

– сечение и развертку стенки резервуара. Примеры горизонтальных и вертикальных сварных швов, соединение стенки резервуара и днища;

– общий вид днища. Соединение центральной части, окраек и периферийных листов;

– общий вид сферической крыши резервуара. Узлы соединения главной балки и опорного кольца, главной балки и центрального щита, главных балок и балок настила.
1. Определение геометрических параметров резервуара

Выбор размеров стального прокатного листа для изготовления
стенки

Размеры листа. В соответствии с рекомендациями ПБ 03-605-03
для изготовления стенки выбираем стальной лист с размерами в поставке 2000 Ч 8000 мм. С учетом обработки кромок листа с целью получения правильной прямоугольной формы при дальнейших расчетах принимаются следующие его размеры 1990 Ч 7990 мм.

Сначала выбираем высоту резервуара. Для этого используем рекомендации ПБ 03-605-03 (табл. 4.2). В соответствии с этими рекомендациями предпочтительная высота резервуара от 12 до 20 м.

Высота резервуара. Для резервуара объемом принимаем номинальную высоту резервуара . Соответственно количество поясов в резервуаре будет равно восьми (). Точная высота резервуара

Предварительный радиус резервуара. Радиус резервуара определяется из формулы для объема цилиндра:

Периметр резервуара и число листов в поясе

.

Предпочтительней округлять число листов (рис. 4.22) в поясе до целого или выбирать последний лист равным половине длины листа.

Принимаем число листов в поясе . Тогда периметр резервуара

а окончательный радиус

.

Уточненный объем резервуара.

Рис. 4.22. Развертка и сечение стенки вертикального резервуара
2. Определение толщины стенки резервуара

Определение методики и параметров, необходимых для расчета

Минимальная толщина листов стенки резервуара РВС для условий эксплуатации рассчитывается по формуле

,

где – коэффициент надежности по нагрузке гидростатического давления;

– коэффициент надежности по нагрузке от избыточного давления и вакуума;

– плотность нефти, кг/м 3 ;

– радиус стенки резервуара, м ;

– максимальный уровень взлива нефти в резервуаре, м ;

– расстояние от днища до расчетного уровня, м ;

– нормативная величина избыточного давления;

– коэффициент условий работы, для нижнего пояса, для остальных поясов;

– расчетное сопротивление материала пояса стенки по пределу текучести, Па .

Расчетное сопротивление материала стенки резервуаров по пределу текучести определяется по формуле (4.10):

где – нормативное сопротивления растяжению (сжатию) металла стенки, равное минимальному значению предела текучести, принимаемому
по государственным стандартам и техническим условиям на листовой прокат;

– коэффициенты надежности по материалу;

Так как объем резервуара более 10 000 м 3 .

Стенка резервуара относится к основным конструкциям подгруппы «А», для которых должна применяться сталь класса С345 (09Г2С-12) с нормативным расчетным сопротивлением .

Вычисляем расчетное сопротивление:

.

Вычисление предварительной толщины стенки для каждого пояса резервуара

Для вычисления используем формулу (4.9), в которой, начиная со второго пояса, единственным изменяемым параметром при переходе от нижнего пояса к верхнему является координата нижней точки каждого пояса

где – номер пояса снизу вверх;

– ширина листа.

Основные геометрические размеры резервуара при проведении прочностных расчетов округляем в большую сторону до номинальных размеров так, чтобы погрешность шла в запас прочности: .

Толщина первого пояса определяется при ; ;
:

Для второго пояса при ,

Для остальных поясов резервуара полученные значения для толщины стенки приведены в табл. 4.12.

Таблица 4.12

Толщина стенки поясов резервуара

Номер пояса	Толщина стенки, мм	Номер пояса	Толщина стенки, мм
1	15,0	5	6,7
2	11,5	6	5,0
3	9,9	7	3,4
4	8,3	8	1,8

Выбор номинального (окончательного) размера толщины стенки.

Значение минимальной толщины стенки для условий эксплуатации увеличивается на величину минусового допуска на прокат и округляется до ближайшего значения из сортаментного ряда листового проката. Полученное значение сравнивается с минимальной конструктивной толщиной стенки , определяемой по табл. 4.4.

В качестве номинальной толщины каждого пояса стенки выбирается значение большей из двух величин, округленное до ближайшего значения из сортаментного ряда листового проката:

где – припуск на коррозию, мм ;

– значениеминусовогодопускана толщину листа, мм ;

– минимальная конструктивная толщина стенки.

Величину минусового допуска определяют по предельным отклонениям на изготовление листа. Соответствующие предельные отклонения по толщине листа приводятся в табл. 4.5.

Припуск на коррозию элементов резервуара представляется заказчиком (в курсовом проекте припуск на коррозию необходимо выбирать
2–3 мм).

В табл. 4.13 приводятся все данные для выбора номинального размера толщины стенки.

Таблица 4.13

Номинальная толщина стенки

Номер пояса	, мм	, мм	, мм	++
1	15,0	2,0	0,45	17,45	11,0	18,0
2	11,5			13,95		14,0
3	9,9			12,35		13,0
4	8,3			10,75		11,0
5	6,7			9,15		11,0
6	5,0			7,45		11,0
7	3,4			5,85		11,0
8	1,8			4,25		11,0

3. Расчет стенки резервуара на устойчивость

Проверка устойчивости стенки резервуара производится по формуле (4.13):

где – расчетные осевые напряжения в стенке резервуара, МПа;

– расчетные кольцевые напряжения в стенке резервуара, МПа ;

– критические осевые напряжения в стенке резервуара, МПа ;

– критические кольцевые напряжения в стенке резервуара, МПа .

Осевые напряжения определяются по минимальной толщине стенки пояса, кольцевые напряжения – по средней толщине стенки.

Расчетные осевые напряжения для резервуаров РВС определяются по формуле (4.14)

где – коэффициент надежности по нагрузке от собственного
веса;

– коэффициент надежности по снеговой нагрузке;

– вес покрытия резервуара, Н ;

– вес вышележащих поясов стенки, Н ;

– полное расчетное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия, Н ;

– вес покрытия резервуара, Н ;

– расчетная толщина стенки i-го пояса резервуара, м .

Определение веса крыши

Вес покрытия резервуара рассчитывается по нормативному давлению крыши (табл. 4.6)

Для резервуара объемом давление крыши .

Определение веса стенки резервуара

Вес вышележащих поясов стенки резервуара определяется из условия, что высота всех поясов одинакова и равна ширине листа :

,

где – номер последнего пояса, если начало отсчета снизу;

– удельный вес стали.

Вес стенки при расчете первого пояса

.

Вес стенки при расчете второго пояса

Результаты расчетов веса стенки для всех поясов приведены в табл. (4.14).

Таблица 4.14

Вес стенки резервуара

Номер пояса

Вес стенки , кН

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Новосибирский государственный технический университет

Кафедра инженерных проблем экологии

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине «Расчёт и проектирование систем обеспечения безопасности»

Тема: Расчёт и проектирование горизонтального газгольдера

Выполнил: Гусев К. П.

Группа: СЭМ - 81

Студент: Кравчук Ирина

Преподаватель:

Факультет: ЛА

Новосибирск - 2013

Введение

Горизонтальные цилиндрические резервуары используют для хранения нефтепродуктов и сжиженных газов при атмосферном или повышенном давлении. Диаметр оболочки обычно не превышает трех метров, что связано с ограничениями железнодорожного габарита. Объем резервуаров для нефтепродуктов - до 1000 м3.

Горизонтальный резервуар состоит из корпуса (стенки), двух днищ, опорных диафрагм, промежуточных колец жёсткости, опор (рис. 1).

Днища резервуаров выполняют плоскими, сферической, конической или эллиптической формы.

Резервуары имеют промежуточные ребра жесткости и опорные ребра жесткости с треугольной диафрагмой. При надземной установке резервуары устанавливают на две железобетонные опоры с углом охвата 900.

Резервуары устанавливают в любых районах, где температура окружающего воздуха не ниже минус 650 С, а сейсмичность района может быть 7, 8 и 9 баллов.

В зависимости от расчетных температур районов эксплуатации горизонтальные резервуары изготавливают:

при расчетной температуре до минус 400 С из углеродистой стали марки Вст3кп2 по ГОСТ 380-88* для толщин до 4 мм и марки Вст3пс6 по ГОСТ 380-88* для толщины 6 мм и более;

Горизонтальные цилиндрические резервуары объемами от 3 до 100 м3 рассчитаны на внутреннее избыточное давление 0,04 и 0,07 МПа и имеют габаритные размеры: диаметры - от 1,4 до 3,24 м; длины - от 2,02 до 12 м.

В технологии изготовления горизонтальных резервуаров объемами от 3 до 100 м3 приняты следующие конструктивные решения:

днища плоские (допускаемое внутренне избыточное давление 0,04 МПа);

днища конические (допускаемое внутренне избыточное давление 0,07 МПа);

стенки, изготовленные полистовой сборкой.

Область применения горизонтальных резервуаров ограничена тем, что они занимают большие площади, велика в таких резервуарах площадь зеркала продукта. Такие резервуары могут быть использованы на мылах распределительных нефтебазах и автозаправочных станциях. С 1948 г. широкое распространение получил рулонный метод изготовления и монтажа вертикальных резервуаров и газгольдеров. Для изготовления резервуарных конструкций был создан целый ряд рулонирующих установок, начиная с одноярусных с применением односторонней автоматической сварки.

Когда нельзя по каким-либо причинам использовать рулонные листовые заготовки, резервуар (днище, корпус) изготовляют из отдельных листов или укрупненных блоков (полистовая сборка). Это может быть, например, при сооружении резервуаров с толщиной стенки нижних поясов большей, чем это допускают условия рулонирования. Горизонтальные резервуары в отличии от вертикальных изготавливаются на заводах и поставляются на место в готовом виде. Применяются при транспорте и хранении нефтепродуктов на распределенных нефтебазах, а на нефтеперекачивающих станциях их используют как емкости для сбора утечек.

1. Расчёт и проектирование горизонтального резервуара

Таблица 1 - Исходные данные для расчёта

Параметр, ед. изм.ЗначениеКомментарийВместимость резервуара, м350Хранимый продуктНефтьВнутреннее избыточное давление, кН/см25,5∙10-3Давление вакуума, кН/см20,1∙10-3Материал конструкции стенки:ВСт3сп5-2Сопротивление по пределу текучести,Ry, кН/см227См. таблицу 1Форма днищаплоскоеИсходя из избыточного давленияРасшивка листовНа усмотрениеНаличие усиленийПо результатам расчетаМесто строительстваА (см. табл. 4)Допуск отклонения толщины листовСм. табл. 2Припуск на коррозию, Δ, мм0,1Коэффициент k0См. табл. 4Коэффициент сСм. табл. 3

Материал конструкции - сталь марки: ВСт3сп5-2, класс стали С 285, листовая ТУ 14-1-3023-80.

Толщина проката - 10 мм. Заданный объём резервуара V = 50 м3

Плотность жидкости 1 т/м3. Избыточное давление Ризб = 5,5∙10-3 кН/см2. Нормальное давление вакуума = 0,1∙10-3 кН/см2

27 кН/см2 (прил. А) при толщине стенок 4 - 10 мм.

Припуск на коррозию - Δ = 0,1 мм. Допуск отклонения толщины листов - σ= 0,4 мм. Место строительства - местность типа А.

1.1 Определение размеров резервуара

Определение оптимального диаметра резервуара

Dопт. = 0,8∙,

где - заданный объём резервуара (м3).

Dопт. = 0,8∙ = 3 м.

Ввиду удобства транспортирования резервуара железнодорожным транспортом, примем диаметр: D = 3 м, следовательно радиус r = 1,5 м.

При плоских днищах длина резервуара составит:

где r - радиус резервуара (м).

Подбираем листы для корпуса 1400×4000. Края листов уменьшаем на 10 мм, следовательно лист будет иметь размер 1390×3990.

При ширине листа Вл = 1,39, требуется следующее количество колец:

nобщ =

n = шт,

следовательно, принимаем целое число колец, равное 54 шт.

Истинная длина резервуара: l = nобщ ∙ Вл = 5∙1,39 = 6,95 м. Фактический объём резервуара составит:

Vф = π∙∙l;

Vф = 3,14∙6,95∙= 49,1 м3.

Фактический диаметр должен быть меньше заданного диаметра на 5 %.

1,8 5 %.

Так как 1,8 ≤ 5 %, то фактический диаметр выбран верно.

Определим номинальную толщину стенки резервуара:

,

где ;

Плотность жидкости (т/м3);

Ускорение свободного падения (м/с2);

Коэффициент;

0,8 - учёт вытяжки металла при вальцовке листов;

0,8;

Расчётное сопротивление стыкового шва растяжению при соответствующем контроле качества швов (= = 27 кН/см2).

Нормальное избыточное давление (Па).

0,148 см.

Учитываем минусовой допуск отношения толщины листов (см. табл. δ = 0,4) и припуск на коррозию ∆ = 0,1 мм. Получим, что требуемая толщина стенки равна

Толщину стенки принимаем равной минимум 4 мм, следовательно tтр = 4 мм.

резервуар горизонтальный газгольдер днище

1.2 Проверка устойчивости стенки

Расчётная толщина стенки принимается:

tpw = tтр - с1 - δ - ∆;

tpw = 4 - 0,8 - 0,4 - 0,1 = 2,7 мм.

Вычислим значение нормальных напряжений стенки резервуара:

,

где - нормальное давление вакуума

0,033 кН/см2.

Нагрузка от собственного веса резервуара:

,

где К =1,1 - коэффициент, учитывающий наличие рёбер жёсткости и оборудование в резервуаре;

Удельный вес стали;

Объём стенки и днищ.

=(2π∙r∙l + K2∙r2)∙,

где К2 = 6,28 - при плоских днищах;

=(2∙3,14∙150∙710 + 6,28∙1502)∙ = 218732,4 см2.

2,9 ∙10-2 кН/см.

Момент сопротивления кольцевого сечения:

W = π∙r2∙( - c1)

W = 3,14∙1502∙0,27 = 19076 см3.

Напряжение изгиба от собственного веса:

00073 кН/см2.

0,03227 кН/см2

0,03373 кН/см2

Дополнительный коэффициент .

1,0043.

КН/см2.

Кольцевое напряжение:

.

0,0667 кН/см2.

0,00447 кН/см2,

где = 0,5 (прил. А) - коэффициент для местности типа А.

0,23 ∙ 10-4 - ветровая нагрузка для региона

0,0667 + 0,00447 = 0,0712 кН/см2.

Отношение радиуса к его толщине: r/ = 150/0,27 = 556 (),

в этом случае рассчитываем критические напряжения.

где с = 0,13 (прил. А) при r/= 556.

Коэффициент, учитывающий неравномерность сжатия оболочки по сечению, вследствие её изгиба.

Е - модуль упругости материала.

.

Критическое кольцевое напряжение

Похожие статьи