Размещено на http://allbest.ru

Факультет заочного обучения

Отделение: строительства

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Инженерные сооружения»

на тему: «Вертикальные цилиндрические резервуары из стали повышенного давления»

2016 г.



Содержание

Введение

Глава 1. Общие сведения

Глава 2. Нагрузки и общие положения расчета

Глава 3. Генеральные размеры резервуаров

Глава 4. Конструкции оснований и днищ резервуаров

Глава 5. Стенки резервуаров

5.1 Конструкции стенок

5.2 Расчёт стенки

Глава 6. Крыши резервуаров

Глава 7. Лестницы, площадки, ограждения, переходы

Глава 8. Выбор материалов для элементов стенки днища и крыши резервуара

Литература



Введение

Резервуар -- это стационарный или передвижной сосуд разнообразной формы и размера, предназначенные для приёма, хранения, технологической обработки и отпуска нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов, воды, жидкого аммиака, технического спирта и других жидкостей.



Глава 1. Общие сведения

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

По расположению относительно планировочного уровня строительной площадки различают: надземные (на опорах), когда днище резервуара расположено на опорах выше уровня основания (грунта); наземные, когда днище резервуара опирается непосредственно на основание (грунт); полузаглубленные, когда нижняя грань (днище) или образующая расположены ниже планировочного уровня грунта; подземные резервуары, когда верхняя грань или верхняя образующая резервуара расположена ниже планировочного уровня площадки.

Тип резервуара выбирают в зависимости от свойств хранимой жидкости, режима эксплуатации, климатических условий района строительства. резервуар нефтепродукт днище безопасность

К резервуарам повышенного давления относятся вертикальные цилиндрические резервуары, в которых внутреннее давление выше 200 мм вод. ст., но не превышает 0,7 кгс/см², в результате чего на них не распространяются правила по котлонадзору. Резервуары повышенного давления наиболее экономичны при длительном хранении нефтепродуктов (оборачиваемость не более 10ё12 раз в год).

Отличительная особенность резервуаров повышенного давления заключается в том, что в них достигается полное устранение потерь от «малых дыханий» при внутреннем давлении в газовом пространстве 1000-2500 мм вод. ст. «Малые дыхания» возникают за счет ежесуточных колебаний температуры и барометрического давления наружного воздуха, а, следовательно, и колебания давления в газовом пространстве резервуара. Уменьшение потерь от малых дыханий достигается сокращением суточных колебаний температур в газовом пространстве путем применения предохрани- тельной окраски резервуаров в светлые тона.

Для резервуаров повышенного давления используют сфероидальные или сфероцилиндрические крыши в виде распорной конструкции и плоские или выпуклые днища.

Рис. 1. Вертикальный цилиндрический резервуар высокого давления.(1- корпус; 2 -сферическое покрытие; 3 - кольцо сопряжения цилиндрического корпуса со сферической поверхностью покрытия; 4 - днище; 5 - анкерные крепления;6- верхнее кольцо жесткости; 7 - анкерная консоль; 8 - нижнее кольцо жесткости; 9 - стенка; 10 - анкерный болт; 11-бетонная плита.)



Глава 2. Нагрузки и общие положения расчета

Несущие конструкции вертикальных цилиндрических резервуаров рассчитывают по предельным состояниям в соответствии со строительными нормами и правилами СНиП ІІ-23-81* и СП 20.13330.2010, с учётом дополнительных требований ПБ 03-605-03.

В зависимости от объёма и места расположения их подразделяют на три класса:

- класс I - особо опасные резервуары: объёмом 10 000 м3 и более, а также резервуары

- объёмом 5 000 м³ и более, расположенные непосредственно по берегам рек, крупных водоёмов и в черте городской застройки;

- класс II - резервуары повышенной опасности: объёмом от 5 000 м³ до 10 000 м³;

- класс III - опасные резервуары объёмом от 100 м³ до 5 000 м³.

Степень опасности учитывается при проектировании специальными требованиями к материалам, объёмам контроля и при назначении коэффициента надёжности по назначению ( n g?= 1,1 для I класса, n g?= 1,05 для II класса, n g?= 1,0 для III класса).

Основные элементы конструкций резервуаров по требованиям к материалам разделяются на две подгруппы:

· подгруппа А - стенка, привариваемые к стенке листы днища или кольцевые окрайки,

· кольца жёсткости;

· подгруппа Б - центральная часть днища, каркас и настил стационарных крыш, плавающие крыши, промежуточные рёбра жёсткости.

Для основных конструкций подгруппы А должны применяться только спокойные

(полностью раскисленные) стали, хорошо освоенные изготовителями конструкций и монтажниками, с гарантией ударной вязкости в зависимости от толщины проката:

С255, С315* (прокат из стали, микролегированной титаном или ванадием), С345, С440.

Для основных конструкций подгруппы Б должна применяться спокойная или полуспокойная сталь.

За расчётную минимальную температуру принимают температуру наиболее холодных суток с обеспеченностью 0,98 [СНиП 23-01-99* (Строительная климатология)], повышенную на 5 ^оС. Для резервуаров с рулонной технологией сборки расчётная температура при толщинах более 10 мм понижается на 5 ^оС.

Вертикальные цилиндрические резервуары воспринимают основные нагрузки:

1) нагрузка от собственного веса конструкции pg , gf = 1,05;

2) полное расчётное значение снеговой нагрузки

s = sg ѓК,

где sg - расчётное значение веса снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли, принимаемое в соответствии с п. 5.2 [СП 20.13330.2010];

3) внутреннее (избыточное) давление паровоздушной смеси p„y„x„q; gf = 1,2;

4) вакуум p„r„p„{; gf = 1,2;

5) гидростатическое давление жидкости



p„w=g?„w g?f z,

где g?„w - удельный вес хранимого продукта

g?„w = ѓП„w g

„w - плотность продукта,

g - ускорение свободного падения в районе строительства,

gf =1,1;

z - расстояние от поверхности жидкости (верха стенки) до расчетного уровня;

6) внешнее ветровое воздействие на стенку резервуара (в отличие от нагрузок от собственного веса, снега, внутреннего давления) не является осесимметричным и при расчете на устойчивость заменяется действием условного вакуума, равномерно распределенного по окружности резервуара.

w„ѓ„„= p„r„p„{.„…„ѓ„|.= 0,5w„„ gf,

где wm - нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки на высоте z над поверхностью земли, gf = 1,4 .

Ветровое давление на стенку изнутри пустого резервуара с плавающей крышей осесимметрично, как и ветровые воздействия, создающие отсос на крыше (gf =0,8); значения аэродинамических коэффициентов приведены в [СП 20.13330.2010].

Для практических расчетов удобно выразить все нагрузки в единой системе физических величин, например Н/м² или кН/м² (табл. П.2).

Коэффициенты условий работы гс принимают равными:

- для стенок при расчёте на прочность:

нижний пояс - 0,7,

остальные пояса - 0,8;

- для сопряжения стенки с днищем - 1,2;

- для стенки при расчёте на устойчивость - 1,0;

- для сферических и конических покрытий распорной конструкции при расчёте по безмоментной теории - 0,9.



Глава 3. Генеральные размеры резервуаров

Вертикальные цилиндрические резервуары в соответствии с установившимся нормальным рядом проектируют номинальной вместимостью: 100, 200, 300, 400, 700, 1000, 2000, 3 000, 5 000, 10 000, 20 000, 30 000, 50 000, 100 000 м³.

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

Оптимальные размеры наземных вертикальных цилиндрических резервуаров впервые определены В. Г. Шуховым в 1883 г. За критерий оптимальности был принят удельный расход стали, приходящийся на 1 м³ их полезного объема.

Формула В.Г. Шухова выведена для резервуаров со стационарной кровлей, со сравнительно малым давлением паровоздушной смеси (до 1 кПа) и объёмами до 5 000 м³, изготовленных из одной марки стали, и у которых все толщины поясов определены из условия прочности. Тем не менее в качестве первого приближения эта формула рекомендуется и сейчас в литературе по листовым конструкциям.

Здесь Нопт - оптимальная высота резервуара, Rwy - расчетное сопротивление стыкового сварного шва;

g?c c =0,8 - общий коэффициент условий работы;

D?- сумма приведенных толщин кровли и днища, зависящая от объема резервуара (табл. 3.1),

ѓБ„w= ѓП„w g - удельный вес хранимой жидкости,

сж - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения,

гf.=1,1 - коэффициент надёжности по нагрузке.

Таблица 3.1

Vр , м3	2 000	4 000	8 000	10 000	12 000	16 000	20 000	50 000
?, см	0,9	1,0	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	2,0

Для промежуточных значений объёмов величину D? получают по интерполяции.

Более совершенным решением при оптимизации параметров резервуаров является решение на основе приведенных затрат по изготовлению и монтажу конструкций резервуаров. При оптимизации параметров резервуаров по приведенным затратам высота резервуара несколько снижается, а диаметр увеличивается по сравнению с оптимизацией по расходу металла.

В резервуарах большого объёма из условий пожарной безопасности и условий изготовления и монтажа высоту корпуса также принимают меньше оптимальной по В. Г. Шухову, а диаметр соответственно больше.

Считается, что для резервуаров объёмом свыше 1000 м³ оптимальное соотношение H/D должно находиться в пределах 1/3 - 1/2.

Обычно при объёме резервуара от 5 000 м³ до 10 000 м³ высоту стенки назначают равной 12 м, при объёмах от 10 000 м³ до 20 000 м³ - равной 15 м, при больших объёмах - 18 м и более в зависимости от способа монтажа.

При назначении высоты стенки и диаметра резервуара учитывается условие кратности высоты резервуара ширине листов, а длины окружности - длине листов, т.е. высота стенки и диаметр должны быть целочисленными величинами. Наиболее часто в резервуарах применяются листы размерами 1 500 х 6 000, 1800 х 8 000, 2 000 х 8 000 мм, следовательно, высота резервуаров должна приниматься кратной 1 490, 1 790 или 1 990 мм в зависимости от принятого типоразмера листов, а длина окружности - кратной соответственно 5 990 или 7 990 мм (с учетом строжки листов на 5 мм по периметру). Разрешается принимать длину окружности, кратной половине длины листов. (Применение листов 2 000 . 8 000 мм наряду со снижением трудоемкости и заводской стоимости вызывает нарастание массы металла до 3 %, что приводит к некоторому повышению стоимости конструкции.)

При назначении высоты резервуаров, изготовляемых способом рулонирования, необходимо принимать во внимание, что ширина существующих станов для сборки, сварки и сворачивания рулонов не позволяет изготовить рулон высотой более 18 м. Поэтому, приняв большую высоту, придётся при монтаже стенки применять достаточно сложные методы наращивания или подращивания.

В случае полистовой сборки высота резервуара технически не ограничивается.

Из условий пожарной безопасности и условий изготовления и монтажа, если Нопт ?14 м, обычно принимают Н = 9 - 12 м; при Нопт >14 м принимают Н = 12 - 15 м; при Нопт >18 м - Н =15 - 18 м и более.

Длину развертки стенки

также приводят к величине, кратной длине листов Lкр , после чего устанавливают расчетный диаметр и фактический объем резервуара:



Здесь 20 см - припуск на устройство стыка при монтаже из рулонных заготовок.

Желательно, чтобы разница между заданным и фактическим объемом резервуара не превышала 5 %.

«Правила устройства вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов» (ПБ 03-605-03) рекомендуют параметрический ряд геометрических объёмов резервуаров при предпочтительных размерах их с точки зрения удобства изготовления и монтажа.

При этом следует различать объём и вместимость резервуара. Термин «Объём» применяют для характеристики пространства, занимаемого телом или веществом. Объём резервуара равен произведению горизонтального сечения на высоту стенки. Под «Вместимостью» понимают объём внутреннего пространства сосуда или аппарата. Вместимость резервуара определяют как произведение горизонтального сечения до уровня максимального заполнения.



Глава 4. Конструкции оснований и днищ резервуаров

Вертикальные цилиндрические резервуары располагают на достаточно простых песчаных основаниях ввиду незначительности передаваемого на них давления (рис. 2).

Схемы оснований под резервуары

Рис. 2

Обычно вначале удаляют растительный слой, засыпают площадку насыпным грунтом и уплотняют его катками. Поверх насыпного грунта укладывают и уплотняют песчаную подушку, выравнивают её, организуя уклон от центра к периферии для стока и последующего удаления подтоварной воды и отстоя. Уклон выполняется равным 1:50 для резервуаров объёмом 10-20 тыс. м³,

1:75 - для объемов 30-40 тыс. м³ и 1:100 для объемов более 50 тыс. м³. Диаметр подушки

должен быть на 1,4 м больше диаметра днища резервуара. Между днищем резервуара и песчаной подушкой располагают гидроизоляционный (гидрофобный) слой толщиной около 100 мм.

Обычно это смесь песка с жидким битумом или каменноугольным дегтем.

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

На скальных грунтах устройство оснований иногда сводится к выравниванию площадки и подсыпке песчаной подушки.

Вокруг резервуара предусматривается устройство ограждений в виде грунтовых валов, железобетонных или металлических стенок. Их назначение - удержать хранимый продукт при вытекании из резервуара в аварийных случаях.

Вертикальные цилиндрические резервуары имеют плоские днища, изготовленные из стальных листов толщиной 4-6 мм, и стенки в виде цилиндрической оболочки, толщина которой увеличивается пропорционально росту давления жидкости по мере приближения к днищу. Днища резервуаров испытывают незначительные напряжения от давления жидкости, поэтому толщина их принимается по технологическим соображениям удобства и надежности выполнения сварных соединений и сопротивляемости коррозии, но не менее 4 мм, исключая припуск на коррозию.

При небольшом слое жидкости в резервуаре и внутреннем избыточном давлении края днища могут отрываться от песчаного основания. Чтобы этого не происходило, нижний пояс стенки у сопряжения с днищем прикрепляют анкерными болтами к железобетонному фундаменту, являющемуся вместе с уплотненным над ним грунтом противовесом. Анкерные болты располагаются по периметру стенки на расстоянии 1,5 -- 2,5 м один от другого и представляют собой стальные стержни диаметром не менее 30 мм. К стенке они крепятся с помощью консольных столиков (рис. 3).



Рис. 3 Анкерное крепление стенки резервуара повышенного давления к фундаменту: 1 -- закладная плита; 2 -- стенка; 3 -- днище

Усилия в анкерных болтах можно определить по формуле:

N_a=(l,2P^r²-0,9G)/n,

где:

Рп -- нормативное избыточное давление;

G -- масса кровли, стенки и части днища шириной полосы 0,5--1,0 м;

0,9 -- коэффициент недогрузки;

п -- число болтов по периметру резервуара.

По этому усилию определяется сечение болта и рассчитывается анкерный столик.

Центральная часть днища может быть выполнена и в полистовом исполнении. При монтаже центральной части днища полистовым методом при меняют нахлёсточные и стыковые соединения на остающейся подкладке. Нахлесточные соединения листов должны иметь по длинным кромкам перекрытие 30-60 мм, а для толщин 4-5 мм - по всем кромкам, при условии подгибки листов в местах тройной нахлестки.

В резервуарах объемом более 5000 м³ (7000 м³) окрайки получаются значительной толщины (табл. 4.1), что не позволяет равномерно сворачивать полотнища в рулон. Поэтому толстые окрайки днища поставляют из отдельных листов сегментной формы и приваривают к основным полотнам внахлёст.

Таблица 4.1

Толщина нижнего пояса стенки резервуара, мм	Минимальная толщина окрайки, мм
До 7 вкл.	6
8-11	7
12-16	9
17-20	12
20-26	14
Свыше 26	16

При рулонном исполнении днища резервуаров больших объёмов состоят из нескольких полотен, каждое из которых обычно не превышает 12 м по ширине (должно быть четное число полотен для возможности создания уклона). Полотна свариваются из листов размерами 1500 х 6000 мм или 2000 х 8000 мм толщиной 5 мм при объеме до 10000 м³ и толщиной 6 мм при больших объемах. Сборку и сварку полотен на заводах выполняют на механизированных станах, где плоская большеразмерная заготовка сворачивается в многослойный габаритный рулон, удобный для перевозки к месту монтажа по железной дороге. Из этого условия масса рулона не должна превышать 60 т.

Соединение листов полотнищ производят двухсторонней автоматической сваркой плотнопрочными швами с полным проваром по толщине свариваемого металла. Присадочные материалы должны обеспечивать равнопрочность сварного шва встык основному металлу.



Рис. 4. Схема днища

а) - из листов одинаковой толщины; б) - с прямоугольными окрайками; в) - с сегментными окрайками. 1 - заводские швы; 2 - монтажные швы; 3 - листы центральной части днища; 4 - прямоугольные окрайки поперечные; 5 - прямоугольные окрайки продольные; 6 - сегментные окрайки

Кромки листов, свариваемых встык, обрабатывают прострожкой или обрезают на гильотинных ножницах по заданному раскрою. Для криволинейных участков кромок используют механизированную огневую резку. Поперечные стыки полотен днища обычно совмещают в прямую линию. В редких случаях, когда применяют разбежку всех или части поперечных стыков, величина последней должна быть не менее 500 мм.

На монтаже изготовленные и рулонированные на заводе полотна днища с рядовыми окрайками накатываются на подготовленное основание, освобождаются от закрепления и разворачиваются в проектное положение. Полотна днища соединяются внахлест, минимальная величина нахлеста 30 мм (?5tmin). В местах опирания стенки в нахлесточном соединении вырезают “лыску” и сваривают этот участок шва длиной 250-300 мм встык на остающейся подкладке. Усиление шва удаляют шлифмашиной.

Монтаж днищ резервуаров объёмом 10 000 м³ и более начинается с раскладки кольца окраек, отгруженных с завода отдельными сегментными элементами, упакованными в пакеты. Сегменты окраек собирают встык на остающейся подкладке с V-образной разделкой.

Между кромками обеспечивается зазор 4 мм у края днища и 10-12 мм в конце стыков, направленных к центру резервуара для компенсаций деформаций окраек из-за усадки при сварке уторного шва.

Сварные швы, выполняемые вручную, выполняют электродами типа Э42А, Э46А, Э50А ГОСТ 9467-75* в зависимости от применяемой в днище стали.

Для контроля геометрических размеров днища и стенки резервуара в центре днища приваривают шайбу ? 50-60 мм толщиной 8 мм с отверстием ? 10 мм в центре, которая остается на весь период эксплуатации. На днища резервуаров с понтонами или с плавающей кровлей дополнительно навариваются опорные плиты под стойки и направляющие понтонов.

Расчёт на прочность днищ (окраек) резервуаров сводится к проверке изгибных напряжений в месте сопряжения со стенкой.



Глава 5. Стенки резервуаров

5.1 Конструкции стенок

Цилиндрическая стенка является главной несущей конструкцией вертикальных цилиндрических резервуаров. Все её конструктивные элементы должны сохранять в процессе эксплуатации прочность, устойчивость и герметичность.

В большинстве случаев цилиндрическая стенка собирается из отдельных листов размерами 6000Ч1500 мм (5990Ч1490 мм после острожки кромок).

Возможны и другие параметры листов стенки 6000Ч2000 мм, 8000Ч2000 мм. Положение листов в стенке принимается таким образом, чтобы длинная сторона каждого отдельного листа была направлена по горизонтали (рис. 5.1).

Рис. 5.1 Схема развёртки стенки резервуара

Горизонтальные ряды листов стенки называются поясами. Каждый отдельный пояс состоит из листов одной толщины.

Толщина поясов определяется расчётом и, как правило, увеличивается от верхних поясов к нижним (соответствуя закону распределения гидростатического давления).

Все соединения листов в поясе делаются встык. Пояса между собой могут соединяться встык или внахлёстку в телескопическом или ступенчатом порядке (рис. 5.2).

Рис. 5.2 Типы соединений поясов по высоте стенки а) - встык; б) - телескопическое; в) - ступенчатое

Монтаж цилиндрической стенки может осуществляться двумя способами: полистовым или рулонным.

Метод рулонирования обладает рядом преимуществ: трудоёмкость монтажа, общие затраты на сооружение резервуара, сроки возведения снижаются; повышается качество сварных швов и надёжность резервуаров.

Однако максимальное значение толщины листов, сворачиваемых в рулоны, ограничивается 16-18 мм.

Ширина полотнища стенки ограничивается 18 м по условиям изготовления на рулонном оборудовании (рис. 5.3).

Рис. 5.3 Габариты рулонируемого полотнища стенки

Длина полотнища должна быть не более 66 м по условиям перевозки железнодорожным транспортом (наружный диаметр навернутого на каркас полотнища с учётом допускаемой неплотности навивки должен быть не более 3,2 м), а общая масса одного рулона до 60 т.

Разница в толщине смежных листов должна быть не более 2 мм по условиям сварки без скоса кромок листов.

Компоновка поверхности цилиндрической стенки может быть произведена с использованием различных вариантов.

Для полистового способа монтажа компоновка может быть самой разнообразной, но при этом нужно, чтобы в любом случае вертикальные сварные соединения листов в смежных поясах стенки были смещены относительно друг друга на величину 8t, где t - толщина нижележащего пояса (рис. 5.4).

Для резервуаров II и III класса при изготовлении стенки из рулонных полотнищ допускаются вертикальные заводские и монтажные стыковые соединения без смещения.

Рис. 5.4 Компоновка листов стенки для полистового способа монтажа

Для рулонированных стенок наиболее простым является вариант компоновки, показанный на рисунке 5.5, а. Однако зарубежные стандарты не рекомендуют устраивать сквозные на всю высоту стенки сварные стыки. Поэтому иногда применяют другие виды компоновки (рис. 5.5, б). Во всех этих случаях монтажные соединения рулонов осуществляются встык или внахлёст. В последнее время усиленно осваивается стыковка рулонов с использованием так называемых «зубчатых» стыков (рисунок 5.5, в), хотя при такой стыковке трудоёмкость устройства монтажного стыка значительно возрастает.

Расчётные значения толщины листов каждого пояса определяются в соответствии с требованиями. Для сейсмоопасных районов строительства проводят дополнительную проверку несущей способности стенки.

Стенка резервуара должна иметь основное кольцевое ребро жёсткости, которое устанавливается в верхней части стенки, снаружи или изнутри. В резервуарах со стационарной крышей основное кольцевое ребро жёсткости должно одновременно служить опорной конструкцией для крыши.

Рис. 5.5 Компоновка листов стенки для рулонного способа монтажа

Сечение кольца жёсткости определяется расчётом. Для обеспечения устойчивости стенки могут устанавливаться промежуточные кольцевые рёбра жёсткости. Кольцевые рёбра жёсткости должны иметь неразрезное сечение по всему периметру стенки.

Кольца жёсткости должны отстоять не менее чем на 150 мм от горизонтальных швов стенки, а их монтажные стыки не менее чем на 150 мм - от вертикальных швов стенки. Конструкция колец жёсткости не должна допускать скопления в них воды (рис. 5.6).



Рис. 5.6 Варианты сечений промежуточных колец жёсткости

В ряде случаев могут быть приняты решения усиленной стенки, предусматривающие установку различных дополнительных элементов для увеличения её прочности: дополнительная стенка, гибкие и жёсткие бандажи, высокопрочная проволока с усилием предварительного напряжения. В некоторых случаях конкурентоспособным может оказаться многостенчатый резервуар, в котором используется идея уравновешивания столбов хранимой жидкости, находящихся одновременно в нескольких отсеках. Все такие решения становятся актуальными в случаях, когда по расчёту толщина нижних поясов однослойной цилиндрической стенки оказывается больше ограничений, введённых по толщине поясов для резервуаров, изготавливаемых методом рулонирования.

В ряде случаев могут быть приняты решения усиленной стенки, предусматривающие установку различных дополнительных элементов для увеличения её прочности дополнительная стенка, гибкие и жёсткие бандажи, высокопрочная проволока с усилием предварительного напряжения. В некоторых случаях конкурентоспособным может оказаться многостенчатый резервуар, в котором используется идея уравновешивания столбов хранимой жидкости, находящихся одновременно в нескольких отсеках. Все такие решения становятся актуальными в случаях, когда по расчёту толщина нижних поясов однослойной цилиндрической стенки оказывается больше ограничений, введённых по толщине поясов для резервуаров, изготавливаемых методом рулонирования.



5.2 Расчёт стенки

Проверка несущей способности стенки резервуара должна включать в себя:

- расчёт прочности при статическом нагружении в условиях эксплуатации и гидроиспытаний;

- проверка устойчивости при статическом нагружении;

- проверка прочности и устойчивости при сейсмических воздействиях (в сейсмоопасных районах);

- расчёт малоцикловой прочности (при необходимости определения срока службы резервуара).

Основной нагрузкой при расчёте стенки на прочность является гидростатическое давление, которое, совместно с избыточным давлением, вызывает появление в стенке кольцевых растягивающих напряжений. Таким образом, при определении кольцевых напряжений рассматривают следующие загружения: а) нагрузка от гидростатического давления жидкости в расчётном уровне каждого пояса Рж (кН/мІ):

где гжf - коэффициент надёжности по нагрузке, принимаемый для гидростатического давления равным 1;

z - расстояние от дна до нижней кромки расчётного пояса. Обычно высота налива продукта определяется технологическим регламентом эксплуатации резервуара и составляет 90-95% высоты стенки.

б) нагрузка от избыточного давления Pиn (кН/мІ):



где гfи- коэффициент надёжности по нагрузке для избыточного давления, принимаемый равным 1,2;

Pиn - нормативное значение избыточного давления, принимаемое для резервуаров низкого давления равным 2 кН/мІ. При расчёте стенки резервуара с понтоном избыточное давление отсутствует. Однако при этом учитывается нагрузка от собственного веса понтона, которая может быть определена после назначения его конструкции и определения толщин элементов. Кроме кольцевых напряжений в стенке возникают и меридиональные напряжения (осевые) от вертикальных нагрузок, к которым относят: а) собственный вес покрытия, площадок ограждения и стационарного оборудования GО (кН):

где гgf - коэффициент надёжности по нагрузке для собственного веса металлоконструкций, принимаемый равным 1,05;

- нормативное значение распределённой нагрузки от веса покрытия, площадок ограждения и стационарного оборудования, приближенно может быть определено по обобщенным показателям в зависимости от объёма резервуара.

Нагрузка от собственного веса приведена приближённой, и зависит не только от объема резервуара, но и от типа стационарной крыши. По результатам конструктивного расчета крыши данная нагрузка может быть уточнена и принята в дальнейшем для определения более точных значений меридиональных напряжений. б) вес металлоконструкций выше расчётной точки GM (кН):



Где г_fg- плотность стали; - высота стенки выше рассматриваемого уровня; ti - номинальная толщина i-го пояса стенки. Вес стенки определяется для каждого пояса. в) вес утеплителя GУ (кН) складывается из веса теплоизоляции на кровле и веса утеплителя стенки выше расчетного уровня: М сi Hст,

Где г _{f У} - коэффициент надёжности по нагрузке для собственного веса утеплителя;

G_Уn - нормативное значение веса утеплителя, принимаемое в зависимости от материала утеплителя и его толщины (кН/мІ);

S_пов - площадь поверхности кровли:

для сферической

для конической

R_пов- радиус сферической поверхности крыши;

h_кр - высота крыши, стрела подъема.

Как правило, утеплитель на стенке закрывается от внешних атмосферных воздействий оцинкованной сталью толщиной 0,8-1 мм. В этом случае собственный вес утеплителя на резервуаре с защитным кожухом из оцинкованной стали определится следующим образом:

где

С к з- плотность материала защитного кожуха;

tзк- толщина стенки защитного кожуха;

_fgзк - коэффициент надёжности для собственного веса защитного кожуха, принимаемый равным: для оцинкованной стали - 1,05, для защиты из полимерных материалов - 1,2.

г) вес снега S (кН/мІ):

где

Sg - расчётное значение веса снегового покрова на 1 мІ горизонтальной поверхности земли (по п. 5.2. СНиП 2.01.07-85* );

м - коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие (по п. 5.3.-5.6. СНиП 2.01.07-85*).

При расчете на устойчивость рассматривается пустой резервуар, в котором отсутствует гидростатическое давление продукта и избыточное давление, и рассматриваются следующие нагрузки:

а) нагрузка от относительного разрежения (вакуум) Pвак (кН/мІ):

где

г_fвак - коэффициент надёжности по нагрузке для вакуума, принимаемый равным 1,2;

P_вакn - нормативное значение вакуума, принимаемое для резервуаров низкого давления равным 0,25 кН/мІ.

б) ветровая нагрузка Pвет (кН/мІ):

где

гвет f - коэффициент надёжности по нагрузке для ветровой нагрузки, принимаемый при расчете на устойчивость равным 0,5 СНиП 2.09.03-85;

w0 - нормативное значение ветрового давления (по табл. 5 СНиП 2.01.07-85*);

k - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте (по п. 6.5. СНиП 2.01.07-85*);

с - аэродинамический коэффициент (по п. 6.6. СНиП 2.01.07-85*, прил. 4), равный 1 при в = 0.



Глава 6. Крыши резервуаров

Для резервуаров повышенного давления используют сфероидальные или сфероцилиндрические крыши в виде распорной конструкции

Опираются стационарные крыши на стенку резервуара (на кольцевой элемент жёсткости) и центральную стойку, либо только на стенку (распорная система). Для сферической крыши применяется только распорная конструкция. Бескаркасная крыша применяется при небольших снеговых нагрузках (до 1,5 кН/м2) и малых объёмах (до 5000 м³).

Каркас сферической крыши следует выполнять ребристым, ребристо-кольцевым или сетчатым (рис. 6.1). Сетчатые крыши экономичнее ребристых по расходу стали и трудоёмкости изготовления.

Угол наклона образующей конической крыши к горизонтальной поверхности принимается от ?4,7є (уклон 1:12) до ?9,5є (уклон 1:6).

Рис. 6.1 Конструктивные решения купольных покрытий

а) ребристый; б) ребристо-кольцевой; в) сетчатый; 1 - нижнее опорное кольцо; 2 - верхнее опорное кольцо; 3 - рёбра; 4 - промежуточные кольца; 5 - сетка

Минимальный радиус сферической поверхности равен 0,8D, максимальный радиус - 1,5D, где D - диаметр резервуара.

Минимальная толщина настила для конической кровли равна 4 мм, для сферической - 5 мм.

Конические и сферические каркасные крыши обычно состоят из сборных секторных щитов заводского изготовления. Щиты состоят из радиальных и поперечных рёбер (прокатные или гнутые профили) и обшивки из стальных листов. Количество щитов принимается из условия габаритности при перевозках (ширина щита должна быть в пределах 3,2 - 3,85 м).

Расстояние между поперечными (кольцевыми) балками назначается кратным 100 мм (в дальнейшем уточняется расчётом); длиной участка, примыкающего к опорному кольцу, обычно компенсируются возможные невязки.

Монтаж каркасных конических и сферических крыш производится с временной центральной стойкой. На ней устанавливается центральное кольцо, к которому крепятся все щиты кровли. Щиты между собой свариваются внахлёст.

Диаметр верхнего опорного кольца - 1500-2500 мм. Сферические крыши конструируют в виде ребристо-кольцевых куполов для резервуаров объёмом 6000 м³ и более и сетчатыми при объёмах 10000 м³ и более. Допускается применение стационарных крыш из алюминиевых сплавов. Купольные алюминиевые крыши поставляются на российский рынок зарубежными фирмами, поэтому необходимо в соответствии с российскими нормами выполнять поверочные расчёты таких крыш.

Проектирование сферического покрытия (купола) начинают с назначения основных геометрических параметров: стрелы подъёма f, радиуса кривизны сферы rсф:

при f = (1/6) r, rсф ? 3r. (Здесь и далее r- радиус резервуара).

Угол наклона касательной сферы на опоре

б0 = arc sin r/rсф.



Центральный угол сферы б=2 б0.

Длину дуги купола

Lk=2рrсф2 б0 / 360

следует разделить на целое число ярусов щитов, выделив предварительно радиус центрального кольца rцк . Радиус центрального кольца rцк назначают в пределах (0,04…0,06) r и потом уточняют после расчёта и конструирования радиальных рёбер.

Длину щита lщ по условиям транспортировки принимают не более 12 м (6…12 м). В результате определяется тип покрытия (ребристое или ребристо-кольцевое).

Если покрытие ребристо-кольцевое, то уточняют число ярусов щитов и одновременно устанавливают радиусы кольцевых элементов ri на границах ярусов. Далее следует определить число щитов в каждом ярусе nщ, исходя из ширины щита 3,0…3,6 м: nщ = 2р ri /(3…3,6) (размерность в метрах) - округляют до целого числа.

В каждом ярусе, очевидно, будет разное число щитов. Рекомендуется, чтобы это число в одном ярусе было кратно четырём. Кольцевые элементы устраивают в резервуарах объёмом более 20000 м³.

Обычно проектируют одно кольцо даже в резервуарах объёмом 50000 м³, чей диаметр не превышает 60 м, а щиты нижнего и верхнего ярусов выполняют из двух частей.

Для определения продольных усилий в радиальных рёбрах щитов разных ярусов необходимо знать углы наклона касательных по концам щитов с горизонтом



Здесь x -расстояние по горизонтали от оси стенки резервуара до оси кольцевого элемента.

Нагрузки: При расчёте стационарных крыш резервуаров низкого давления учитывают две комбинации нагрузок:

1) расчётные нагрузки, действующие на покрытие сверху вниз: собственный вес конструкции крыши и теплоизоляции, снег, вакуум

qv=gкр +gт+(pвак+s)ш;

2) расчётные нагрузки, действующие на покрытие снизу вверх: внутреннее избыточное давление в паровоздушной среде, ветровой отсос

q^=(pизб+w)ш-gкр.

Вес теплоизоляции следует учитывать при наличии конкретных данных.

Снеговую нагрузку и собственный вес считают равномерно распределёнными по поверхности купола.

Ветровую нагрузку собирают с высоты 0,4H резервуара; при этом принято считать исходя из совместной работы купола и достаточно жёсткого опорного кольца, что 50 % ветровой нагрузки передаётся на купол, 50 % - на опорное кольцо.

Сферическое покрытие с радиальными рёбрами жёсткости на осесимметричную равномерно распределённую нагрузку с достаточной для практических целей точностью рассчитывают, расчленяя его на отдельные плоские арки, включающие по два диаметрально противоположных криволинейных щита.

Поскольку сферическое покрытие имеет по наружному контуру общее для всех щитов кольцо жёсткости, воспринимающее распор в арках, то оно рассматривается как общая затяжка для всех арок.

Поэтому каждую арку можно рассматривать как плоскую двух- или трёхшарнирную арку с условной затяжкой.

Величину изгибающего момента и продольной силы определяют по формулам строительной механики.

Другой способ расчёта основан на представлении сферического покрытия в виде ребристой оболочки. При действии вертикальной симметричной нагрузки по всей поверхности оболочки вертикальные опорные усилия в ребре

а меридиональные усилия

Здесь, как и ранее, b0 - расстояние между рёбрами на опоре (ширина щита), б - угол наклона к горизонту касательной на опоре.

К продольным усилиям в ребре от действия вертикальной нагрузки следует добавить усилия от ветровой нагрузки



Таким образом,

Устойчивость ребра в вертикальной плоскости проверяется как устойчивость арки по формуле:

где S -длина полуарки;

м- коэффициент расчётной длины, для трёхшарнирной арки с отношением f/l = 0,05 - 0,3 принимают равным 1,2.

Конструкция опорного кольца зависит от величины распора. Это может быть прокатный уголок или швеллер, или составное сварное сечение. Опорное кольцо воспринимает распор купола, воздействие вакуума (избыточного давления) и ветрового напора на 0,4 высоты стенки.

Поскольку радиальные ребра купола передают на опорное кольцо значительные сосредоточенные усилия с достаточно большим шагом, в кольце, кроме продольной силы Nk, возникают изгибающие моменты

Моп =Mmax и Мпр =Mср

Продольная сила в кольце с учётом ветрового давления

где P=Nрcosб - горизонтальная составляющая нормальной силы в ребре; Изгибающий момент под ребром

момент между ребрами

Здесь rk - радиус кольца;

Nр- нормальная сила в ребре;

k - число щитов;

b - ширина щита.

бi - угол примыкания ребра к плоскости кольца

Дополнительные усилия от местного воздействия ветра, вакуума или избыточного давления при приближенном расчете можно не учитывать. Таким образом, расчет опорно го кольца сводится к расчету его на прочность как растянуто-изогнутого стержня при первой комбинации нагрузок или на устойчивость при второй комбинации нагрузок.

Расчетная длина элемента кольца --расстояние между радиальными ребрами.

Центральное кольцо (см. рис. 6.8; 6.22) воспринимает усилия в рёбрах щитов верхнего яруса и работает на сжатие при нагрузке qv и на растяжение при нагрузке q^. В обоих случаях оно зафиксировано близко расположенными рёбрами и проверяется только на прочность.

Усилие в центральном кольце



Наиболее простой приближенной расчетной схемой сферического ребристо-кольцевого купола является разрезная арка с затяжками в предположении, что все узлы шарнирные.

Это позволяет каждую отдельную арку рассматривать как арку на упругих опорах -- горизонтальных кольцах в местах их пересечения с арками. Элементами арки являются радиальные балки (стропильные ноги) двух диаметрально противоположных щитов, опирающихся наружными концами на стенку резервуара. В элементах арки возникают продольные усилия и местные изгибающие моменты.

Рис. 6.2 Расчётная схема опорного кольца

Продольные усилия в радиальном ребре (радиальных рёбрах) от суммы действующих нагрузок

qрri² -нагрузка от части купола, лежащего выше рассматриваемого i-го сечения; в нашем случае рассматривают первое сечение на уровне верха стенки, второе- на уровне кольцевого элемента.

k - число щитов рассматриваемого яруса, k=2рri./bi;

bi - ширина нижней части щита рассматриваемого яруса;

бi - угол наклона касательной на опоре рассматриваемого сечения.

Wi⁰=0,5.0,4.Hkw0гfbice1 - сосредоточенная ветровая нагрузка на ребро (рёбра) щита нижнего яруса от ветрового напора, значение аэродинамического коэффициента ce1 можно принять равным единице.

Щиты покрытия могут иметь одно или два радиальных ребра. Во втором случае продольные усилия будут в два раза меньше.

Рис. 6.3 Расчётная схема радиального ребра нижнего яруса

При определении продольных усилий в рёбрах щитов верхнего яруса горизонтальное воздействие ветра не учитывается.

Вертикальная нагрузка, вызывающая изгибающие моменты в радиальных рёбрах на участке между кольцевыми элементами распределяется в виде трапеции. Изгибающий момент в радиальных рёбрах определяют как для простой балки, пролётом равным расстоянию по горизонтали между кольцами. В запас прочности можно принять

(Справочник проектировщика, расчётно-теоретический, под редакцией А. А. Уманского). Проверка прочности радиального ребра как сжато-изогнутого (первое сочетание нагрузок), или растянуто-изогнутого (второе сочетание нагрузок) проводится суммированием напряжений:

здесь, Ai и Wi - площадь и момент сопротивления ребра,

гс = 0,9 - коэффициент условий работы купола.

Расчёт радиальных рёбер на устойчивость не проводится, поскольку к ним приварены поперечные рёбра щита и настил.

Кольцевой элемент, промежуточное кольцо, на которое опираются рёбра щитов нижнего и верхнего ярусов может быть растянутым при действии первой комбинации нагрузок qv и сжатым при второй комбинации q^

Если число щитов в верхнем и нижнем ярусе одинаково, то в кольцевом элементе возникает местный изгибающий момент только от поперечной нагрузки передаваемой настилом qv или q^. Местный изгибающий момент от нагрузок qv или q^, собирают с грузовой площади в виде двух треугольников

Кольцевой элемент проверяют по прочности аналогично и по устойчивости



Кольцевые элементы располагаются между щитами покрытия, являясь одновременно соединительными по длине элементами. Не следует смешивать с кольцевыми элементами поперечные ребра щитов покрытия, не воспринимающих кольцевые усилия.

Поперечные рёбра щитов рассчитывают по схеме простых балок, как и в прямолинейных щитах (см. выше).



Глава 7. Лестницы, площадки, ограждения, переходы

Для доступа обслуживающего персонала устраивают лестницы. Лестницы для подъёма на резервуар могут выполняться отдельно стоящими, с опиранием на собственный фундамент (шахтные) или кольцевыми - полностью опирающимися на стенку резервуара.

Шахтные лестницы (рис. 7.1) являются конструктивно-технологическим элементом, выполняющим роль собственно лестницы для подъёма на крышу резервуара, а также служащим каркасом, на который наворачивается полотнище стенки (для резервуаров объёмом до 3000 м³ совместно со стенкой могут сворачиваться полотнища днища и крыши).

Рис.7.1 Шахтная лестница и площадки на крыши

Недостатки шахтных лестниц:

- требуют устройства отдельного фундамента;

- крепятся к стенке резервуара несколькими рядами радиальных распорок, которые вызывают в стенке нежелательные концентрации напряжений, особенно при воздействии сейсмических нагрузок.

Кольцевые лестницы (рис. 7.2) не имеют указанных недостатков применения шахтных лестниц.

Рис.7.2 Кольцевая лестница и площадки по периметру крыши

Минимальная ширина лестницы 700 мм, максимальный угол по отношению к горизонтальной поверхности - 50°. Ступени лестниц изготавливают из перфорированного, решётчатого или рифлёного металла. Минимальная ширина ступеней - 200 мм; высота одинаковая и не более 250 мм. Конструкция лестницы должна выдерживать сосредоточенный груз 4,5 кН. При полной высоте лестницы более 9 м конструкция лестницы должна включать в себя промежуточные площадки, разница между вертикальными отметками которых не должна превышать 6 м.

Для обеспечения требований безопасности и удобства обслуживания установленного оборудования рекомендуется круговое расположение площадок по периметру крыши.

Для резервуаров без понтона объёмом свыше 1000 м3 допускается выполнение площадок по периметру (рис. 7.1). Группы соседних резервуаров могут быть соединены между собой переходами. На каждую группу резервуаров должно быть, по крайней мере, две лестницы (с противоположных сторон). Минимальная ширина переходов 700 мм. Конструкция площадок и переходов должна выдерживать сосредоточенный груз 4,5 кН (на площадке 100100 мм).

Ограждения должны устанавливаться по всему периметру стационарной крыши по наружной стороне площадок; по краям переходов, лестниц. Ограждение должно выдерживать нагрузку 0,9 кН, приложенную в любом направлении в любой точке поручня. Ограждения стандартно изготавливаются из углового профиля, но также могут быть выполнены из труб.



Глава 8. Выбор материалов для элементов стенки днища и крыши резервуара

Выбор марок сталей для элементов резервуаров зависит от ряда условий: района строительства (температура наиболее холодных суток); вместимости резервуаров; интенсивности эксплуатации (оборачиваемости хранимых продуктов в год); степени агрессивности среды; пожароопасности хранимых продуктов.

Строительными нормами [14] стальные резервуары отнесены к I-ой и II-ой группам конструкций. К группе I относятся стенки и окрайки днищ резервуаров вместимостью 10 тыс. мі и более, фасонки крыш резервуаров. К группе II - стенки и окрайки днищ резервуаров вместимостью менее 10 тыс. мі, покрытия, опорные кольца покрытия и кольца жёсткости, центральные части днищ, понтоны и плавающие крыши резервуаров всех вместимостей.

Все элементы конструкций по требованиям к материалам разделяются на две группы: основные конструкции (подгруппы «А» и «Б»), вспомогательные конструкции. Для конструкций резервуаров должна применяться сталь, выплавленная электропечным, кислородно-конвертерным или мартеновским способом.

В зависимости от требуемых показателей качества и толщины проката сталь должна поставляться в состоянии после горячей прокатки, термической обработки (нормализации или закалки с отпуском) или после контролируемой прокатки.

Для основных конструкций подгруппы «А» должна применяться только спокойная (полностью раскисленная) или низколегированная сталь. Для основных конструкций подгруппы «Б» должна применяться спокойная или полуспокойная сталь. Для вспомогательных конструкций наряду с вышеперечисленными сталями с учётом температурных условий эксплуатации допускается применение кипящей стали.

Выбор марки стали для основных элементов конструкций должен производиться с учётом гарантированного минимального предела текучести, ударной вязкости, толщины проката. При этом одним из основных критериев при выборе марки стали является ударная вязкость, характеризующая склонность металла к хрупкому разрушению. Нормированная величина ударной вязкости зависит от гарантированного минимального предела текучести и направления вырезки образцов (поперечных или продольных).

На поперечных образцах для листов низколегированной стали (НЛ) с пределом текучести 345 МПа и ниже она должна быть равна не менее 35 Дж/смІ, для листов НЛ стали с более высоким гарантированным пределом текучести должна составлять не менее 50 Дж/смІ. Для фасонного проката нормируемое значение ударной вязкости марки стали повышается по сравнению с листовым прокатом аналогичной толщины на 20 Дж/смІ. Значение ударной вязкости определяется при расчётной температуре эксплуатации металла. При этом за расчётную температуру металла принимается наиболее низкое из двух следующих значений:

- минимальная температура складируемого продукта;

- температура наиболее холодных суток для данной местности (минимальная среднесуточная температура), повышенная на 5°С.

При определении расчётной температуры металла не учитываются температурные эффекты специального обогрева и теплоизоляции резервуаров. Температура наиболее холодных суток для данной местности определяется с обеспеченностью 0,98 по таблице температур наружного воздуха в соответствии с требованиями строительных норм и правил. Для резервуаров с рулонной технологией сборки расчётная температура металла при толщинах более 10 мм понижается на 5°С.

Другим немаловажным фактором, обеспечивающим надёжность конструкций резервуара с учётом большого количества сварных швов является обеспечение прочности и вязкости металла сварного соединения не ниже, чем требуется для исходного основного металла.

При этом углеродный эквивалент стали с пределом текучести 390 МПа и ниже для основных элементов конструкций не должен превышать 0,43, где значение углеродного эквивалента определяется по формуле:

где С, Mn, Si, Cr, Ni, Cu, V, P - массовые доли углерода, марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия и фосфора по результатам плавочного анализа. При отсутствии в сертификатах на сталь сведений о содержании меди и ванадия расчёт углеродного эквивалента производится из условия содержания в прокате меди и ванадия в количестве 0,30 и 0,01% по массе соответственно.

Сварочные материалы (электроды, сварочная проволока, флюсы, защитные газы) выбираются в соответствии с требованиями технологического процесса изготовления и монтажа конструкций, а также выбранных марок стали.

При этом применяемые сварочные материалы и технология сварки должны обеспечивать механические свойства сварного шва не ниже свойств, установленных требованиями для выбранных сталей. Конструктивные элементы сварных соединений и швов, как правило, должны соответствовать требованиям стандартов на применяемый вид сварки: для ручной дуговой сварки; для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом; для дуговой сварки в среде защитных газов.

Принимая во внимание особенности работы и эксплуатации резервуарных конструкций, а также их функциональное назначение, особые требования предъявляются к качеству сварных швов. При этом сварные швы соединений должны быть плотнопрочными и соответствовать основному металлу по показателям стандартных механических свойств металла шва: пределу текучести, временному сопротивлению, относительному удлинению, ударной вязкости, загибу в холодном состоянии на 180є. 49

Для улучшения коррозионной стойкости металл шва и основной металл по химическому составу должны быть близки друг к другу. В зависимости от назначения сварного шва (вертикальные и горизонтальные соединения поясных листов, соединения стенки и днища и т.д.) в строительных конструкциях резервуаров применяются несколько типов сварных соединений.

...