Сталевий вертикальний циліндричний резервуар ємністю 5000 м3

Республіка Білорусь

Науково-проектне республіканське унітарне підприємство «ІнТест»

Мінськ 2002

Передмова

Нормативні документи періоду розробки типового проекту «Сталевий вертикальний циліндричний резервуар ємністю 5000 м3» відбивали рівень науково-технічних знань того часу і, природно, не могли враховувати досягнень науки і практики наступних років, відображених у будівельних нормах і правилах періоду зведення споруди.

Врахування особливостей роботи конструкцій при виборі розрахункової схеми є вельми відповідальним завданням. Як правило, більш точної розрахункової схемі відповідають більш складні розрахунки, спрощення яких може з'явиться однією з причин появи помилок. Прийняття неадекватною розрахункової схеми, а також недосконалість нормативних документів періоду проектування вимагало проведення аналізу напружено-деформованого стану резервуара в цілому і його конструктивних елементів окремо з використанням сучасних комп'ютерних технологій і систем, що забезпечить високу експлуатаційну надійність споруди.

1. Вихідні дані та конструктивні рішення резервуара, основні розрахункові положення

Щільність рідини ρ = 900 кг/м3. Місце будівництва - II район по сніговому покриву, нормативне навантаження s0 = 0,7 кПа. Матеріал резервуара - сталь С245 з Ry = 240 МПа; зварювання аркушів автоматична дротом Св-08Г2С. Надмірний тиск парів випаровується рідини Pи = 2 кПа, а вакуум - 0,25 кПа. Коефіцієнт надійності за призначенням γn = 1.

Номінальні розміри резервуара Н = 12 м і D = 23 м; в типовому резервуарі об'ємом 5000 м3 конструктивні розміри по висоті Н = 11920 мм, внутрішній діаметр Do = 22800 мм і зовнішній діаметр D = 22818 мм (укладається по довжині кола 12 листів довжиною по 6 м).

Дах резервуара запроектована у вигляді щитів, які складаються із листів товщиною t = 2,5 мм, покладених на каркасі з двотаврів, швелерів і куточків. Щити спираються на центрову трубчасту стійку і корпус резервуара.

Днище, розташоване на піщаному підставі, відчуває тільки стиск від тиску рідини, тому товщина його аркушів призначена з конструктивних міркувань t = 5 мм. Дно Dв = D + 90 мм = 22 818 + 90 = 22 908 мм (виступ днища за межі стінки прийнятий 50 мм. Максимальна висота наливу продукту 11,3 м.

Несучі конструкції резервуару розраховують за граничними станами у відповідності з будівельними нормами і правилами [1], [3], з урахуванням додаткових вимог [2]. Відповідно до них конструкції резервуару місткістю менше 10 тис. м3 відносяться до II класу відповідальності.

Стінка резервуара, будучи оболонкою обертання, при дії асиметричного навантаження знаходиться в безмоментна стані, і тільки в зонах крайового ефекту (у місці сполучення стінок із днищем) має місце моментное напружений стан.

Під впливом внутрішнього тиску Р в тонкостінної оболонці виникають кільцеві і меридіональні напруги Б1 і Б2.

Основний навантаженням для стінки вертикального циліндричного резервуара є внутрішній тиск Р як сума гідростатичного тиску пароповітряної середовища (мал.).

При порожньому резервуарі можливий відрив корпусу резервуара від основи під дією внутрішнього надмірного тиску і вітрового впливу. Для попередження відриву по периметру резервуару передбачена постановка анкерних пристроїв.

Вертикальний циліндричний резервуар низького тиску має конічну щитову покрівлю. Щитову конічну покрівлю застосовують в резервуарах низького тиску з внутрішнім надлишковим тиском у газовій подушці до 200 мм водяного стовпа (2 кПа) і вакуум до 25 мм вод. ст. (0,25 МПа).

Конічна дах складається з жорстких щитів, покритих сталевий оболонкою і спираються на центральну стійку з кільцем, а по периметру - на стінку корпусу. Каркас щитів виконаний з двутавра 30, швелерів 8 і 6,5 і куточків 90х56х5, 5. Листи покрівлі товщиною t = 2,5 мм кріпляться на каркас щита з напуском з одного боку на ширину нахлестки.

При розрахунку стаціонарного даху резервуара враховуються дві комбінації навантажень:

1) розрахункові навантаження, що діють на покриття зверху вниз;

2). розрахункові навантаження, що діють на покриття знизу вгору: внутрішнє надлишковий тиск у пароповітряної сфері.

При розрахунку конічної покрівлі несучі радіальні балки щитів розглядають як елементи, що працюють на вигин. Поперечні ребра щитів розраховані за схемою простих балок, що спираються на середні радіальні балки.

2. Визначення розрахункових навантажень

Гідростатичний тиск

Висота рівня затоки резервуара Н0 = 11,3 м, а з урахуванням надлишкового тиску Р0 = 2 кПа умовна висота М = Н0 + Р0 / ρ = 11,3 + 2 / 9 = 11,5 м. Розрахункова схема стінки резервуара показана на рис . 2.1. По висоті резервуара стінка складається з восьми поясів висотою по 1500 мм. Розрахункове перетин кожного поясу розташоване на висоті 300 мм вище його нижньої кромки, тобто в перерізі, де не враховується вплив кільцевих швів суміжного пояса.

Пояс стінки резервуара з умови забезпечення міцності (за першою групою граничних станів) розраховується на гідростатичний тиск, що визначається за формулою:

де - коефіцієнт надійності за навантаженням для гідростатичного тиску, який дорівнює 1,1.

Визначення тиску на пояси стінки зведено в табл. 2.1.

Таблиця 2.1. Гідростатичний тиск на стінку резервуару

Внутрішнє надлишковий тиск пароповітряної середовища

де - коефіцієнт надійності за навантаженням для внутрішнього надмірного тиску.

Снігове навантаження

Розрахункове снігове навантаження на покриття

де S0 - нормативне значення ваги снігового покриву на 1 м2 горизонтальної поверхні землі (табл. 4 [2]);

γf = 1,6 тому ставлення постійної навантаження до тимчасової qn / pn <0,8 (п. 5.7 [2]).

Вакуум

Стінка незаповненого резервуара може втратити стійкість під впливом вертикального навантаження (ваги покрівлі, снігу, вакууму Pv, власної ваги вищерозміщеної частини стінки) і рівномірного тиску нормального до бічної поверхні, що створює стискаючі зусилля в кільцевому напрямі (вакуум Pv).

Розрахункове навантаження від вакууму

3. Визначення зусиль в елементах резервуара

Статичний розрахунок резервуару виконаний за програмою «Ліра-Windows» вер. 8.0. Розбиваємо стінку резервуару на кінцеві елементи по вертикалі n1 = 8 (по числу поясів), по колу n2 = 24 (по числу радіальних балок покриття). Покрівлю і днище розбиваємо відповідно на n1 = 9 і n2 = 24 кінцеві елементи. Розбивка резервуару на кінцеві елементи наведена на рис. 3.1.

Розрахунок резервуару виконаний на 5 завантаженості:

1 завантажені - постійне навантаження від власної ваги конструкцій (враховується автоматично);

2 завантажені - гідростатичний тиск;

3загруженіе - надлишковий тиск пароповітряної середовища;

4 завантажені - сніг;

5 завантажені - вакуум.

Результати статичного розрахунку наведені в додатку 2 (пластини) і 3 (стержні). У таблицях програми наведені зусилля від кожного завантаження, а також розрахункові сполучення зусиль в елементах. Оскільки дана розрахункова схема і навантаження є центрально симетричними на друк виведені зусилля на елементи тільки одного сегмента.

4. Розрахунок елементів резервуара

4.1. Розрахунок стінки резервуару на міцність

Розрахунок на міцність стінки резервуара, що знаходиться в безмоментна напруженому стані, виконана за формулою

де σx і σy - нормальні напруження в кільцевому і меридіональному напрямках;

γс - коефіцієнт умов роботи, рівний для нижнього пояса - 0,7, для решти поясів - 0,8;

Так як розрахунковий опір зварного шва встик розтягуванню для конструкцій із сталі С245 при автоматичної, напівавтоматичної і ручної зварюванні з фізичним контролем якості шва Rwy = Ry = 240 МПа (табл. 51 * [3]) розрахунок виробляємо за матеріалом стінки резервуара.

Розрахункові напруги приймаємо з таблиці сполучень за додатком 2.

Перший пояс (елемент 877)

Другий пояс (елемент 901)

Третій пояс (елемент 925)

Пояс 4 (елемент 949)

Аналогічно виконаний розрахунок і інших поясів. Розрахунок поясів стінки зведений в таблицю.

Таблиця 4.1 Розрахунок поясів стінки резервуара

Перевіряємо напруги в нижньому поясі стінки резервуару з урахуванням дії крайового моменту Мк. Згинальний момент у місці сполучення корпусу з плоским днищем при пружному затисканні стінки визначаємо за формулою

де Р - внутрішній тиск у місці сполучення корпуса з днищем

4.2. Розрахунок конструктивних елементів щитів покриття

Розрахунок конструкцій покриття виробляємо на два види навантажень: Навантаження, спрямована всередину резервуара - власна вага і вакуум, сніг; навантаження, спрямовані назовні - надлишковий тиск.

Навантаження, що діють зверху вниз, кПа

Розрахунок настилу

Граничний відносний прогин настилу fu / l = 1 / 150 = 1/no [3].

З умови заданого граничного прогину визначаємо відношення найбільшого прольоту настилу до його товщини l / t за формулою, запропонованої А.Л. Телояном (8.5 [5]).

де - циліндрична рідина;

При t = 2,5 мм проліт настилу допустимо l ≤ 1037 ∙ 2,5 = 2592 мм.

По конструктивних міркувань відстань між ребрами прийнято 1,25 м.

Розрахунок поперечних ребер щита

Максимальний розрахунковий проліт ребра прийнятий l = 2,67 м; рівномірно розподілене навантаження при кроці поперечних ребер b = 1,25 м складе:

Згинальний момент, як у вільно опертої балці,

Необхідний момент опору перерізу становить

За сортаментом прийнятий [8, Wx = 22,4 см3, Jx = 89,4 СМ4

Відносний прогин ребра складає

де qn = 1,296 ∙ 1,25 = 1,62 кН / м

Ребро прольотом l = 2,01 м

За сортаментом прийнятий швелер 6,5, Wx = 15 см3.

Всі інші ребра з прольотом менше 2 м також прийняті з [6,5.

Розрахунок поздовжньої балки щита

Проліт балки при вільному обпиранні на стінку резервуара і оголовок (зонт) трубчастої стійки дорівнює 10 м. Перетин балки I 30 (А = 46,5 см2, Wx = 472 см3). З урахуванням пружного защемлення на опорах максимальний згинальний момент від вертикальних навантажень складає М = 27,11 кНм при осьовому розтягує силі N = 10,07 кН (елемент 73).

Напруження в балці перевіряємо як у позацентрово-розтягнутому елементі за формулою

Розрахунок елементів покриття на другу комбінацію навантажень (надлишковий тиск зсередини резервуару назовні) виробляємо на комбінацію зусиль М = - 34,54 кНм і N = 50,96 кН.

Максимальний прогин поздовжньої балки від нормативних навантажень складає (див. додаток 1)

що менше граничного прогину

Підвищена несуча здатність поздовжньої балки щита покриття пояснюється урахуванням просторової роботи системи з включенням в роботу настилу.

4.3. Розрахунок центральної стійки

Розрахунок центральної стійки (елемент 1019) виробляємо на центрально прикладену осьову силу.

По конструктивних міркувань, з урахуванням того, що спирається щитів покриття та використання стійки для рулонування елементів резервуара прийнята стійка з труб діаметром 426 мм зі стінкою товщиною 7 мм по ГОСТ 10704-91, А = 92,1 см2, радіус інерції перерізу i = 14,8 см , сталь ст20сп за ГОСТ 8731-87, Ry = 225 МПа (табл. 51, а [4]).

Гнучкість стійки По таблиці 16.2 [4] знаходимо φ = 0,689.

Граничне зусилля, яке може сприйняти стійка при стисканні осьовою силою

що значно більше розрахункового зусилля (див. додаток 2, елемент 1020).

Оголовок (зонт) і база стійки запроектовані однакового діаметра 2660 мм з розрахунком можливості її використання для рулонування стеки або відправних частині днища резервуару на заводі-виробнику.

4.4. Перевірка стійкості положення покриття при дії надмірна і ного тиску Ро = 2 кПа.

Загальна вага покриття і стійки без урахування тимчасового навантаження становить 247,5 кН (лист 4 [6]).

Зусилля зсередини резервуару вверх при Ро = 2 кПа складе

Так як Ne = 940 кН> N = 247,5 кН проектом передбачено кріплення щитів покриття до каркаса і стійці резервуара. Обмережують щити куточки приварюються до каркаса кутовими швами з катетом КF = 6 мм, а до оголовка (парасольки) стійки кожен щит закріплюється тимчасовим болтом М16 з подальшою приварюванням його до кільця стійки. Обшивки суміжних щитів покриття з'єднуються на монтажі по всій довжині кутовими швами КF = 25 мм.

Загальне навантаження від ваги резервуару без урахування навантаження від ваги днища Jc = 722,8 кН (лист 4 [4]).

Зусилля, відривальну корпус від днища

Перевіряємо напруги у швах, що прикріплюють нижній пояс стінки до днища, при дії зусилля відриву

де

Rwf - розрахунковий опір кутових швів зрізу (умовного) по металу шва (табл. 56 [2]);

βf = 0,7 - коефіцієнт для ручного зварювання, приймається за табл. 34 * [2].

Стійка приварюється до днища по контуру опорного кільця.

Привантаження стійки проводиться шляхом набетонуванням її по контуру опорного ребра на висоту 1,5 м. Об'єм бетону 8,3 м3, вага привантаження 19,3 т.

4.5. Перевірка стійкості корпусу резервуара при спільній дії вертикальних і горизонтальних (бічних) стискаючих зусиль виконуємо згідно з рекомендаціями п. 8.5 ... 8.9 [3] за формулою

де σ1 і σ2 - відповідно абсолютні значення розрахункових поздовжніх і кільцевого стискаючих напруг;

σcr1 і σcr2 - відповідно критичні напруги при роздільному рівномірному дії осьового та радіального стиснення;

γс = 1.

Перевіряємо стійкість форми резервуара для четвертого поясу, де t = 6 мм.

Поздовжнє і кільцеве стискаючі напруги в елементі 949 (додаток 2) від постійної, снігового навантаження і вакууму (завантаження 1, 4, 5) відповідно рівні σ1 = 1,41 МПа і σ2 = 0,5 МПа.

Визначаємо критичні напруги за пп. 8.5 і 8.7 [3]. При рівномірному стисненні вздовж твірної циліндричної оболонки σcr1 приймається рівною меншої з величин.

де ψ, с - коефіцієнти, які приймаються згідно з 8.5 [3].

При r / t = 1140 / 0,6 = 1900> 300 коефіцієнт ψ не враховується, а коефіцієнт

з = 0,066 (за інтерполяцією).

Тоді

При Н / r = 12/11, 4 = 1,05 σcr2 визначаємо за формулою

Перевіряємо стійкість за формулою

тобто стійкість корпусу забезпечена.

5. Вказівки з виготовлення та монтажу резервуару

Конструктивні елементи резервуара (днище, стінку, щити покриття, стійку і шахтну сходи) виготовляють на заводі і доставляють на місце будівництва у вигляді укрупнених елементів.

Днище зварюють із смуг і розбивають на два елементи - половини днища. Стінку також зварюють із раніше підготовлених смуг, а потім згортають на стенді в рулон навколо стійки або шахтної сходи і в такому вигляді доставляють на будівництво. Аналогічно доставляють і половини днища, які з'єднують потім внахлестку. Після монтажу днища в центрі встановлюють вертикально рулони корпусу і з допомогою спеціального пристрою розгортають до заданого діаметра. Монтажний стик корпусу виконують равнопрочний основного металу. Щити покриття укладають на парасольку стійки і стінку резервуару в міру розгортання рулону корпусу. Для фіксування положення на зовнішній стороні щитів передбачають уловлювачі з смугової сталі. Після приварювання стінки до днища і пристрої всіх монтажних швів корпусу перевіряють якість зварювання фізичними або хімічними способами, забезпечуючи непроникність з'єднань.

Список літератури

1. СНиП 2.01.07-85. Навантаження і впливи / Держбуд СРСР. - М.: ЦІТП Держбуду СРСР, 1986. - 36 с.

2. СНиП 2.01.07-85. Навантаження і впливи. (Дополненія. Розділ 10. Прогини і переміщення) / Держбуд СРСР. - М.: ЦІТП Держбуду СРСР, 1988. - 8 с.

3. СНиП II-23-81 *. Сталеві конструкції / Держбуд СРСР. - М.: ЦІТП Держбуду СРСР, 1990 - 96 с.

4. Металеві конструкції. У 3 т. Т 1. Загальна частина (довідник проектувальника) / Під загальною ред. В.В. Кузнєцова) (Перелік нормативних ім. М. П. Мельникова) - М.: видавництво АСВ, 1988, 576 с.

5. Металеві конструкції. У 3 т. Т 1. Елементи сталевих конструкцій. Навч. для будує. вузів / за ред. В.В. Гарєєва. - М.: Вищ. шк .., 1997. - 527 с.

6. Сталевий вертикальний циліндричний резервуар для нафти і нафтопродуктів ємністю 5000 м3. Альбом 1. Типовий проект 704-1-57. (Коригування 2000 р.).