Стальные вертикальные цилиндрические резервуары

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет
Балаковский институт техники, технологии и управления
СТАЛЬНОЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ
РЕЗЕРВУАР ДЛЯ ХРАНЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДА
Методические указания к проведению практических занятий
по курсу ”Современные методы конструирования и расчета
пространственных систем” для студентов специальности
“Промышленное и гражданское строительство”
всех форм обучения
Одобрено
редакционно-издательским советом
Балаковского института техники,
технологии и управления
Балаково 2009
ВВЕДЕНИЕ
Стальные листовые конструкции находят широкое применение в различных отраслях промышленного производства, составляя по массе около
трети всех строительных металлоконструкций. Большинство листовых металлоконструкций представляет собой емкостные сооружения, предназначенные для приема, хранения, переработки и отпуска жидкостей, газов или
сыпучих материалов.
Изучение вопросов работы, расчета, конструирования и изготовления листовых металлических конструкций (ЛМК) является важной составной частью подготовки инженера-строителя по специальности «Промышленное и гражданское строительство».
В специальном курсе строительных металлоконструкций значительное место отведено рассмотрению проектирования ЛМК и, в частности,
проектированию стальных резервуаров. В процессе изучения ЛМК за время, отведенное программой курса для практических занятий, студенты выполняют эскизное проектирование (расчет и конструирование) основных
элементов стального вертикального цилиндрического резервуара.
В металлических резервуарах осуществляется хранение основной
массы нефти и нефтепродуктов. Широкое распространение получили вертикальные цилиндрические резервуары, отличающиеся индустриальностью заводского изготовления, повышенной транспортабельностью, простотой монтажа.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЫПОЛНЕНИИ ЭСКИЗНОГО ПРОЕКТА
1.1. Цель и задачи проектирования стального резервуара
Целью настоящих методических указаний является оказание практической помощи студентам в процессе проектирования стального вертикального цилиндрического резервуара. Использование методических указаний должно способствовать закреплению и углублению теоретических
знаний в области листовых металлоконструкций, а также приобретению
определенных практических навыков проектирования указанных конструкций. При этом предполагается, что в процессе проектирования резервуара студенты будут использовать не только материалы методических
указаний, но и активно работать с учебной, нормативной и специальной
литературой.
В методических указаниях рассматриваются основные положения
расчета, конструирования и монтажа стального вертикального резервуара
постоянного объема со стационарным покрытием. Необходимость составления данных указаний вызвана тем обстоятельством, что в существующих
источниках технической информации отсутствуют достаточно полные и
систематизированные сведения по расчету и конструированию металличе-
2
ских резервуаров; кроме того, некоторые материалы по проектированию
листовых конструкций содержатся в узкоспециалированных источниках,
практически недоступных для обучаемых.
При проектировании стального вертикального цилиндрического резервуара необходимо решить следующие основные задачи:
 выбор по условию минимума расхода металла основных размеров
резервуара с обоснованием способов изготовления его конструктивных элементов и монтажа резервуара; техническое задание на проектирование;
 конструирование и расчет стенки резервуара;
 конструирование днища резервуара;
 расчет сопряжения стенки резервуара с днищем с учетом напряжений краевого эффекта;
 расчет анкерных креплений резервуара к основанию;
 выбор конструкции покрытия (крыши) резервуара.
Некоторые трудоемкие расчеты при проектировании резервуара могут быть выполнены на ЭВМ с использованием компьютерных программ,
разработанных на кафедре «Промышленное и гражданское строительство»
доцентом С. А. Ращепкиной.
В процессе работы над проектом резервуара студенты должны также
приобрести определенный опыт конструирования листовых металлических
конструкций.
1.2. Требования к эскизному проекту резервуара
Результаты разработки проекта вертикального цилиндрического резервуара оформляются в виде технического отчета, включающего текстовую часть объемом до 30 страниц и графические материалы, общим
объемом около одного листа стандартного формата.
В состав текстовой части отчета входят:
 техническое задание на проектирование;
 аннотация объемом до 0,5 страницы;
 введение, где должны быть сформулированы основные задачи проектирования стального резервуара;
 расчетная часть, содержащая краткие сведения теоретического характера с обоснованием принимаемых решений, расчетные формулы и вычисления по ним, эскизы конструктивных элементов и их расчетные схемы, эпюры усилий и т.п.;
 заключение, содержащее основные выводы по результатам проектирования;
 библиографический список использованных источников;
 оглавление;
 приложения.
3
При оформлении текстовой части проекта последовательность изложения вопросов расчета и конструирования резервуара и его элементов
может быть принята такой же, как и в данных методических указаниях. В
соответствующем месте текста приводится ссылка на программу компьютерного расчета и укрупненная схема алгоритма расчета. Результаты машинного расчета в виде распечаток рекомендуется вынести в приложение.
Графическая часть проекта выполняется в виде эскизных решений,
соответствующих стадии КМ проектирования металлоконструкций, и
включает чертежи основных, конструктивных элементов резервуара, а
также решения важнейших узлов и деталей. Чертежи выполняются с учетом требований ЕСКД, а также требований системы проектной документации для строительства (СПДС). Оформление текстовой и графической частей проекта резервуара может быть выполнено с использованием компьютерных технологий.
В процессе разработки проекта стального резервуара студенты имеют возможность познакомиться с образцами оформления чертежей ЛМК
(по материалам дипломного и курсового проектирования прошлых лет).
Заключительная часть текста должна содержать технико-экономический анализ результатов проектирования, включающий общий расход стали на резервуар в целом, расход стали на 1 м3 объема резервуара, соответствующие показатели аналогичных листовых сооружений (по данным,
содержащимся в специальной литературе, в реальных проектах). Должны
быть сформулированы основные выводы и приведены общие соображения
о возможных путях экономии конструкционных материалов при проектировании стальных резервуаров.
1.3. Организация работы при проектировании резервуара
Каждый студент получает индивидуальное задание на проектирование стального вертикального цилиндрического резервуара, в котором указываются основные характеристики резервуара (объем, вид хранимого
продукта и др.). Задание оформляется на специальном бланке преподавателем, проводящим практические занятия и осуществляющим руководство
проектированием. Заполненный бланк задания подписывается преподавателем и студентом при получении задания.
Работы по проектированию (расчету и конструированию) стального
резервуара выполняются как в процессе аудиторных практических занятий, так и в часы самостоятельной работы студентов, предусмотренной
программой специального курса по металлическим конструкциям. На
практических занятиях преподаватель излагает основные положения, последовательность конструирования и расчета элементов резервуара, ориентирует студентов на использование соответствующей учебной, специальной и нормативной литературы, а также компьютерных банков данных.
4
Основной объем работы, связанной с проектированием резервуара,
может быть выполнен в процессе практических занятий (при условии собранности, самодисциплины, ответственного отношения к выполнению задания). На практических занятиях преподаватель осуществляет контроль
за ходом проектирования. Объем выполненной работы учитывается при
аттестации студентов в течение семестра. При необходимости студенты
могут также получать соответствующие консультации в промежутке времени между аудиторными занятиями.
Успешная защита оформленного технического отчета, содержащего
расчет, конструирование и эскизный проект стального резервуара, является необходимой предпосылкой получения зачета по курсу ”Современные
методы конструирования и расчета пространственных систем”
2. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СТАЛЬНОГО РЕЗЕРВУАРА
ДЛЯ ХРАНЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДА
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 1
2.1. Назначение основных размеров вертикального
цилиндрического резервуара
Стальные вертикальные цилиндрические резервуары объемом V более 1000 м3 проектируются со стенкой переменной толщины по высоте.
Общие схемы вертикальных цилиндрических резервуаров приведены в
учебниках [1] и [2].
Высота резервуаров назначается по условию минимума расхода металла. Принципы оптимального проектирования металлических резервуаров разработаны В.Г. Шуховым и рассматриваются в работах [3], [7]. Оптимальная высота резервуара со стенкой переменной толщины определяется по формуле:
H opt 
R wy  c 
f ж
,
где Rwy- расчетное сопротивление стыкового сварного шва;
с - коэффициент условий работы; с = 0,8;
f – коэффициент надежности по нагрузке гидростатического давления жидкости, f = 1,1;
значение  рекомендуется принимать по таблице:
V, м3
1000
2000
3000
4000
6000
8000
12000
, см
0,8
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,6
5
ж - удельный вес хранимой в резервуаре жидкости;
 - сумма приведенных толщин днища и кровли (= tпривдн+tпривпокр).
Если резервуар возводится методом рулонирования, то с учетом размеров стендов для изготовления рулонов высота стенки резервуара не
должна превышать 18 м. Принимаемая высота резервуара должна быть согласована с шириной листов раската, из которых формулируется стенка.
Длина развертки стенки цилиндрического резервуара определяется
по формуле
L2
V
,
H opt
где V – заданный объем резервуара.
2.2. Способы изготовления и монтажа резервуаров
Существует два основных способа возведения резервуаров в зависимости от технологии монтажа стенки – рулонирования и полистовой.
Полистовой способ более трудоемок и применяется при возведении
резервуаров объемом более 30000 м3. Резервуары объемом до 300000 м3
возводят индустриальным способом рулонирования. В этом случае корпус
резервуара (стенка) изготавливается в заводских условиях на автоматизированных станах в виде свернутых в рулоны сварных полотнищ, образуемых из стандартных листов. Листы свариваются друг с другом встык.
В случае применения способа рулонирования максимальная толщина
листов не должна превышать 17 мм – по условию отсутствия остаточных
деформаций при разворачивании рулона.
Стенки массой до 60 т поставляются на стройплощадку в виде одного рулона, при большей массе – в виде двух и более рулонов. Для изготовления рулона полотнище стенки наворачивается на каркас шахтной лестницы либо на специально изготовленный каркас.
Если толщина листов стенки по расчету превышает 17 мм, то для
возможности использования способа рулонирования стенку в наиболее
напряженной нижней зоне следует конструировать двойной.
В заданиях на эскизное проектирование предусматриваются объемы
резервуаров до 20000 м3, поэтому в проекте следует принять возведение
резервуара способом рулонирования.
2.3. Компоновка полотнища стенки резервуара
Для стенок резервуаров объемом менее 20000 м3 используют стандартные листы размером 15006000 мм (после строжки кромок -14905980
мм) [3]. Для резервуаров объемом 20000 м3 и более размеры листов стенок
20008000 мм (19907980 мм). Длина развертки полотнища должна быть
6
кратной числу листов. Для лучшего приближения фактического объема к
заданному допускается применять вставки, равные ½ или ¼ длины листа.
На рис. 1 показана раскладка листов стенки резервуара (фрагмент развертки стенки).
В замыкающем монтажном (вертикальном) стыке стенки должна
быть предусмотрена нахлестка краев рулонов по 100 мм в каждую сторону
от оси стыка. Перед выполнением монтажного стыкового шва нахлестка
обрезается.
Фактическая емкость резервуара определяется по формуле:
V
факт
L2 H

,
4
где L и H – соответственно длина развертки и высота стенки, принятые при
компоновке резервуара.
1490 1490 1490
t2
t1
2980
5980
5980
5980
Рис.1. Фрагмент стенки резервуара (развертка)
Допускаемые отклонения от заданного объема резервуара: увеличение – до 5%, уменьшение – до 2%.
Радиус вертикального цилиндрического резервуара находится по
формуле
L
,
r
2
где L – принятая длина развертки стенки.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 2
2.4. Расчет стенки резервуара на прочность
В методических указаниях рассматривается расчет однослойной
стенки. Стенка вертикального цилиндрического резервуара рассчитывается на прочность как безмоментная цилиндрическая оболочка. При этом
расчетное кольцевое усилие определяется от действия гидростатического
давления хранимого жидкого продукта и избыточного давления газа в па-
7
ровоздушном пространстве между свободной поверхностью жидкости и
крышей резервуара (рис. 2).
Ð
èçá
H
h
N1 N2
N2
N1
r
r
Рис. 2. Расчетная схема стенки вертикального цилиндрического резервуара
Расчетное кольцевое растягивающее усилие, соответствующее высоте h,
N2=(f1жh+f2pизб)r,
где f1 – коэффициент надежности по нагрузке для хранимой жидкости,
f1 =1,1;
f2 – коэффициент надежности по нагрузке для избыточного давления в
паровоздушной среде, f2=1,15.
Расчетная высота h принимается равной расстоянию от расчетного
уровня налива жидкости до расчетного уровня рассматриваемого пояса;
указанный уровень принимается на 30 см выше нижней кромки пояса, что
учитывает разгружающее влияние напряжений краевого эффекта, возникающих в кольцевых (горизонтальных) стыках листов.
Требуемая толщина рассматриваемого пояса
t
¹
N2
,
R wy  c
где с – коэффициент условий работы, принимаемый при расчете стенки
Ëèò .
äî êóì на
. прочность
Ï î äï . равным
Äàò à 0,8 для всех поясов, кроме нижнего, для которого
с= 0,7.
Растягивающее напряжение в рассматриваемом поясе
N
2  2 ,
tn
где t n – толщина пояса.
8
Êî ï èðî âàë
Ëèñò
Ì àñ
Ë
Ôî ðì àò
î êóì .
Результаты определения толщин поясов стенки резервуара следует
представить в графической форме (рис.3).
t4
t3
t i >t i+1
t2
t1
Äí èù å
Рис. 3. Сечение однослойной стенки вертикального цилиндрического резервуара
Масса всей стенки определяется по формуле:
m cm  2rh n
n
 t n ,
i 1
где
h n - высота пояса; t ni - принятая толщина i-го пояса;
3
 - плотность стали, равная 7,8510-3 кг/смËèò
; . Ì àññà Ì àñøò àá
Ï î äï . Äàòrà– радиус резервуара; n - число поясов.
Если масса стенки mcm> 60т, то стенка разделяется на два или большее число рулонов так, чтобы масса одногоËèñò
рулона неËèñò
превышала
60 т.
îâ
Окончательно устанавливаются размеры рулонов (с учетом нахлестки краев) и их масса. Число рулонов следует принимать минимально возможным,
поскольку операция замыкания вертикальных стыковых швов является
Êî ï èðî âàë
Ôî ðì àò
A4
весьма трудоемкой и ответственной.
Если стенка резервуара по высоте выполняется из сталей различных
марок, то следует также подсчитать расход стали каждой марки для соответствующей части стенки.
Особенности конструктивных решений стенок
резервуаров большого объема
В резервуарах объемом 30…50 тыс. м3 и более требуемые толщины
нижних поясов стенок получаются большими, что не позволяет использовать способ рулонирования при сооружении резервуара. В этом случае
может быть применен полистовой способ возведения стенки, который более трудоемок по сравнению с индустриальным способом рулонирования.
Чтобы обеспечивать строительство крупных резервуаров с применением рулонирования, можно стенку в нижней части корпуса выполнять
двухслойной, при этом максимальная толщина основного (внутреннего)
9
слоя принимается не более 16 мм (из условия возможности рулонирования). Наружный слой имеет меньшую толщину.
При расчете предполагается, что при действии гидростатического
давления жидкости вначале работает только внутренний слой, а затем в
работу включается второй, наружный слой.
К числу других решений, допускающих применение способа рулонирования, относятся:
 усиление нижней части стенки корпуса стальными бандажами;
 предварительное напряжение нижней части стенки корпуса, создаваемое путем обмотки высокопрочной проволокой или стальными
лентами [3].
Вопросы конструирования и расчета стенок крупных резервуаров
могут быть факультативно проработаны студентами, которые предполагают выбрать разработку проекта резервуара большого объема в дипломном проектировании.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 3
2.5. Расчет стенки резервуара на устойчивость
2.5.1. Общие положения расчета
Тонкая стенка резервуара может потерять устойчивость при действии сжимающих напряжений. Потеря устойчивости представляет опасность, в первую очередь, для верхних поясов стенки резервуара, где толщины листов, определенные из расчета стенки на прочность, являются небольшими.
Расчет листовых металлоконструкций на устойчивость регламентируется нормами проектирования стальных конструкций [9].
В незаполненном цилиндрическом резервуаре могут возникать сжимающие усилия в двух направлениях: вертикальные (осевые) усилия и
кольцевые усилия, развивающиеся при внешнем давлении, нормальном к
поверхности стенки. Условие устойчивости стенки цилиндрического резервуара имеет вид:
1

 2  c ,
 cr1  cr 2
где
10
1 и 2 – расчетные значения продольного и кольцевого сжимающих
напряжений в стенке резервуара;
cr1 и cr2 – значения критических напряжений, соответствующие раздельному действию нагрузок осевого и радиального направлений;
c – коэффициент условий работы, принимаемый при проверке
устойчивости равным единице.
Проверка устойчивости стенки резервуара выполняется на действие
двух комбинаций нагрузок, для каждой из которых вычисляются напряжения 1 и 2.
В комбинации 1 (с учетом действия ветра) вычисляются:
а) продольные сжимающие напряжения 1, возникающие от собственного
веса крыши, снега на крыше, вакуума, ветровой нагрузки, действующей на
крышу (отсоса), от собственного веса вышерасположенной части стенки;
б) радиальные сжимающие напряжения 2, возникающие при действии вакуума и ветровой нагрузки.
В комбинации 2 (без ветровой нагрузки) вычисляются:
а) продольные сжимающие напряжения, возникающие от собственного веса крыши, снега на крыше, вакуума и от собственного веса вышерасположенной части стенки;
б) радиальные сжимающие напряжения 2, возникающие от действия вакуума.
2.5.2. Продольные сжимающие напряжения
Собственный вес крыши (с учетом, установленного на крыше технологического оборудования)
pкр=f qкр,
где f – коэффициент надежности по нагрузке, f = 1,1;
qкр – нормативное значение нагрузки, которое может быть принято по
табл. 3 приложения.
Снеговая нагрузка вычисляется по формуле:
pсн=f s0 с,
где
f – коэффициент надежности по нагрузке, f = 1,4;
s0 – нормативное значение снеговой нагрузки, принимаемое по таб-
лице 4 [9] в зависимости от района строительства;
с – коэффициент, учитывающий характер распределения снега на
крыше резервуара.
При учете действия ветра (комбинация 1) с учетом сдувания снега с
крыши рекомендуется принимать с=0,7; при неучете ветровой нагрузки
(комбинация 2) с=1.
Нагрузка, создаваемая вакуумом, определяется по формуле:
pвак=f pвакn,
где f – коэффициент надежности по нагрузке, f = 1,2;
pвакn – нормативное значение нагрузки от вакуума, принимаемое согласно заданию на проектирование.
11
Ветровой отсос, действующий на крышу, приводит к возникновению продольных растягивающих напряжений в стенке резервуара. Величина нагрузки, создаваемой отсосом, определяется по формуле:
pâ  γf w0kcâ2 ,
где f –коэффициент надежности по нагрузке, для ветрового отсоса f=0,8;
w0 – нормативное значение ветрового давления, принимаемое по
табл.5 [9] в зависимости от района строительства;
k – коэффициент, учитывающий изменения ветрового давления по
высоте ([9], табл. 6);
св2 – аэродинамический коэффициент для крыши резервуара; значение св2 зависит от типа крыши резервуара и отношения H/2r; рекомендуется принять сl2 = 0,8.
Продольные сжимающие напряжения от собственного веса стенки,
имеющей наименьшую толщину, определяются по формуле:
σc 
g ñòåí
 γ f γ cm h n n ,
t min
где f – коэффициент надежности по нагрузке, f = 1,05;
cm – удельный вес стали; hn – высота пояса стенки;
n – число верхних поясов стенки, имеющих наименьшую толщину tmin.
Расчетные продольные напряжения на стенке находятся по формуле:
σ1
Комбинация 1:
Комбинация 2:

p πr 2
r
 σc   p 
 σc .
2ππrmin
2t min
σ1  pêð  Ψ(p ñí  pâàê  pâ )
r
 σc
2t min
σ1  pêð  Ψ(pñí  pâàê )
r
 σc .
2t min
В формулах для вычисления продольных напряжений  - коэффициент сочетания временных нагрузок,  = 0,9.
2.5.3. Кольцевые сжимающие напряжения
Нагрузка, создаваемая вакуумом, находится так же, как и при расчете продольных сжимающих напряжений, т.е.
pвак = f pвакn.
12
Ветровая нагрузка условно считается равномерно распределенной
по поверхности корпуса резервуара (действие условного вакуума):
pв = 0,5f w0 k,
где f – коэффициент надежности по нагрузке, f = 1,4.
Расчетные кольцевые напряжения в стенке находятся по формуле:
σ2 
N2

t min

pr
t min
.
 2  (p вак  p в ) 
r
Комбинация 1:
t min
.
Комбинация 2:
 2  p вак 
r
t min
,
где  - коэффициент сочетания временных нагрузок,  = 0,9.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4
2.5.4. Определение продольных и кольцевых критических напряжений
Значения критических напряжений cr1 и cr2 вычисляются согласно
указаниям норм проектирования стальных конструкций [9].
Продольное критическое напряжение в стенке резервуара принимается равным меньшему из двух значений ([9], п. 8,5):
ψR y

σ cr  min  cEt .
min

 r
Поскольку первое соотношение может использоваться лишь при выполнении условия 0 < r/t  300, что для резервуаров, рассматриваемых в
настоящих методических указаниях не выполняется, критическое напряжение следует вычислять по формуле:
 cr1 
где
cEt min
,
r
с – коэффициент, определяемый по таблице 31 [9];
E – модуль упругости стали;
tmin – наименьшая толщина поясов стенки.
Кольцевое критическое напряжение в стенке определяется по формуле
13
3/2
σ cr2
где
r  t 
 0,55E   ,
Hr 
H – высота стенки резервуара; если предусматривается постановка
горизонтальных колец жесткости, то вместо H следует принимать
расстояние между указанными кольцами h;
t – средняя толщина стенки резервуара (в пределах высоты стенки
резервуара при отсутствии колец жесткости, либо в пределах высоты
участка между кольцами жесткости).
2.5.5. Проверка устойчивости стенки
После вычисления расчетных значений напряжений 1,2 и значений
критических напряжений cr1, cr2 выполняется проверка условия устойчивости согласно п. 2.5.1 методических указаний (для двух комбинаций
нагрузок).
Если условие устойчивости (п. 2.5.1) не выполняется, то необходимо
либо увеличить толщину верхних поясов стенки, либо поставить кольцевые ребра (от одного до трех), повышающие значения критических напряжений. Кольца могут быть выполнены из уголков, швеллеров, листовой
стали.
При наличии колец жесткости местная устойчивость стенки (согласно п. 2.5.1) проверяется на нескольких участках: в верхней зоне, между
смежными кольцами, между кольцом и днищем. Сечение кольца назначается из условия обеспечения его устойчивости:
3EI x
 p 2 b1 ,
r3
откуда находится требуемый момент инерции сечения кольца
p 2 b1 r 3
I 
,
3E
где p2 = (pвак+ pв) – нагрузка, вызывающая сжатие кольца;
òð
x
b1 – высота участка, с которого нагрузка p2 передаётся на рассматриваемое кольцо.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 5
2.6. Расчет сопряжения стенки резервуара с днищем
2.6.1. Конструктивные особенности, изготовление и монтаж днища
Днище резервуара имеет непрерывный контакт с основанием, поэтому напряжения от давления жидкости на днище незначительны. Исходя
14
из этого, толщину листов днища назначают по конструктивным соображениям, руководствуясь условиями надежности сварных соединений и требованиями к выполнению монтажных работ. Рекомендации по конструированию днища приведены в таблице 5 приложения.
Основная часть днища, как правило, состоит из двух или более рулонируемых полотнищ, максимальная ширина полотнища обычно не превышает 12 м.
Для днищ резервуаров объёмом до 1000 м3 (D 15 м) применяются
листы размером 1400  4200 мм, толщиной 4 мм; для днищ резервуаров
большего объёма используются листы размером 1500  6000 мм или
20008000 мм. В последнем случае толщина листов средней части днища
принимается в зависимости от диаметра резервуара:
t = 5 мм при D =18…25 м;
t = 6 мм при D>25 м.
Крайние листы, располагаемые по периферии днища, называются окрайками. Они располагаются в зоне, где развивается краевой эффект, поэтому эти листы принимаются на 2 – 3 мм и большими, чем толщина листов средней части днища.
Для резервуаров объёмом более 5000 м3 окрайки выполняются в виде
сегментов.
При t = 4 и 5 мм листы полотнищ соединяются между собой по продольным кромкам внахлестку с размером нахлестки 40…60мм; при t = 6мм
листы по продольным кромкам соединяются стыковыми сварными швами.
Сварные швы по коротким сторонам листов выполняются стыковыми.
Монтажные соединения полотнищ с окрайками выполняются внахлестку, а окрайки друг с другом соединяются встык на подкладках, что
достигается фигурной вырезкой листов в монтажных стыках полотнищ
(3, рис. 22.2). Окрайки выпускаются за корпус резервуара примерно на
50мм. Полотнища днища поставляются с завода-изготовителя на стройплощадку в виде рулонов, масса каждого рулона не более 60 т.
2.6.2. Сущность краевого эффекта
Явление краевого эффекта заключается в том, что в некоторых зонах
тонкостенных листовых конструкций может развиваться моментное напряженное состояние вследствие ограничения свободных перемещений, обусловленных действием осевых усилий (в местах закреплений и пересечений оболочек, в зонах сосредоточенных нагрузок и т. п.). Изгибающие моменты краевого эффекта быстро убывают при удалении от мест закреплений, стесняющих деформации оболочки.
В большинстве практически важных случаев напряженное состояние
тонкостенной листовой конструкции может быть представлено как сумма
15
Ï åðâ. ï ðèì åí .
Ñï ðàâ. ¹
безмоментного напряженного состояния и моментного напряженного состояния краевого эффекта (принцип наложения напряженных состояний).
В зоне сопряжения стенки вертикального цилиндрического резервуара с его днищем из-за ограничения радиальных перемещений стенки
возникают изгибающий момент и поперечная сила. Для расчета краевого эффекта из стенки и днища вырезаются полоски единичной ширины (рис. 4).
1
1
1
1
Èí â. ¹ ï î äë.
Ï î äï . è äàò à
Âçàì . èí â. ¹
Èí â. ¹ äóáë.
Ï î äï . è äàò à
0
ãðóí ò î âî å
î ñí î âàí èå
Рис.4. К выбору расчетной схемы краевого эффекта
Считается, что полоски работают как балки на упругом основании,
описываемом моделью Винклера. При этом для вертикальной полоски
роль упругого основания выполняют кольцевые полоски, непрерывно расположенные по высоте стенки резервуара. Соответствующая расчетная
схема показана на рис. 5, а.
qx
qx
Èçì . Ëèñò
Ðàçðàá.
Ï ðî â.
Ò.êî í ò ð.
¹ äî êóì .
Ï î äï . Äàòà
Ëèò .
xÌ àññà
1
q
Ì àñøò àá
q
0
xËèñò
x
2
Í .êî í ò ð.
Óò â.
Êî ï èðî âàë
а
0
Ëèñò î â
2
x
Ô î ðì àò
a
1
A4
б
Рис. 5. Схемы к определению усилий краевого эффекта: а – расчетная схема;
б – основная система метода сил (упругое основание условно не показано)
При известных решениях для изолированных (не связанных друг с
другом) балок-полосок, лежащих на упругом основании, изгибающий мо-
16
мент и поперечная сила в узле сопряжения стенки с днищем могут быть
определены методом сил. Основная система метода сил представлена на
рис. 5.
2.6.3. Определение усилий краевого эффекта
Система канонических уравнений метода сил:
δ11Õ1  δ12Õ 2  Δ1p  0;

δ 21Õ1  δ 22Õ 2  Δ 2p  0;
где  ik (i,k =1,2) – единичные перемещения; ip (i=1,2) – грузовые перемещения, возникающие в основной системе от действующих нагрузок.
Перемещения ik, ip складываются из перемещений стенки и днища:
cm
 ik   ik
 дн
ik ;
дн
 ip  cm
ip   ip .
Принимается, что днище является абсолютно недеформируемым в
своей плоскости (от действия момента, поперечной силы и внешней нагрузки горизонтальные перемещения днища отсутствуют), откуда следует
дн
12
  дн
21  0;
 дн
22  0;
дн
2p  0
Система канонических уравнений метода сил принимает вид
cm
äí
cm
cm
äí
äí

(δ11  δ11 )Õ1  δ12 Õ 2  Δ1p  Δ1p  Δ1g  0;
 cm
cm
cm

δ21 X1  δ22 X 2  Δ2p  0.
Единичные перемещения стенки определяются по формулам:
cm
11

1
;
m cm D cm
cm
12
  cm
21 
 cm
22 
где D cm
1
2
2m cm
D cm
1
2m 3cm D cm
;
.
Et 3cm

– цилиндрическая жесткость стенки;
12(1   2 )
17
k cm
– коэффициент деформации стенки; в выражение для
4D cm
Et
mcm входит коэффициент постели стенки k cm  cm .
r2
В вышеприведенных формулах обозначено:
E – модуль упругости стали, E=2,06∙105МПа=2,06∙104кн/см2;
 – коэффициент Пуассона, =0,3;
tcm–толщина нижнего пояса стенки резервуара;
r – радиус цилиндрического резервуара.
С учетом выражений для kcm и Dcm формула для коэффициента деформации стенки может быть записана в виде:
m cm  4
m cm
3(1   2 )
4
.
2
r 2 t cm
Перемещения стенки ipcm от гидростатического давления жидкости находятся по формулам (избыточное давление в паровоздушной
смеси с целью упрощения расчета не учитывается):
cm
Δ1p

γf γ æ
;
k cm
γf γ æ h
,
k cm
где ж – удельный вес жидкого продукта (принимается согласно заданию);
f – коэффициент надежности по нагрузке, f = 1.1;
h – высота налива, которую можно считать равной высоте стенки резервуара;
Δcm
2p 
kcm – коэффициент постели стенки,
k cm
Et cm
.
r2
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 6
Перемещения днища определяются по формулам:
дн
11

дн
1p
дн
1g
1

4m дн D дн
p 0 m дн

 1  (m дн а )  (m дн а )  2(m дн а )(m дн а ) ;
2k дн
g

 2 (m дн а ).
2
2m дн D дн
В приведенных формулах принято:
18

 1   2 (m дн а )  2 2 (m дн а ) ;
D дн 
Et 3дн
12(1   2 )
 цилиндрическая жесткость днища (tдн – толщина окраек,
принимаемая по табл. 5 приложения);
m дн  4
k дн
4D дн
 коэффициент деформации днища;
g – расчетная вертикальная нагрузка, передаваемая стенкой на днище
(на 1 см длины окружности радиуса r);
kдн – коэффициент постели упругого основания, принимаемый в зависимости от степени уплотнения грунта основания равным 0,05…0,2
кН/см2 (при расчетной ширине полоски днища 1 см);
p0 =f жh – давление жидкого продукта на днище резервуара (f= 1,1;
h = H – высота налива продукта);
а – размер выступа днища; при объеме резервуара до 30 тыс. м3 рекомендуется принимать, а=50 мм (рис. 6).
1-1
1
ñ
y
tp
dàí ê
hñò
tp
a1 y
tn
1
t î êð
a
Рис. 6. Анкерное крепление резервуара
Нагрузка; передаваемая стенкой на днище, находится по формуле:


 f 1  q кр   f 2  s r
 f G cm
g

,
2r
2
где Gсm – вес стенки резервуара;
19
qкр – вес крыши с учетом расположенного на ней технологического
оборудования, принимаемый по табл. 4 приложения.
s – нормативное значение снеговой нагрузки.
Коэффициенты надежности по нагрузке принимаются равными:
 f= 1,05; f1 = 1,1; f2 = 1,4.
В формулы для вычисления перемещений днища входят функции: ,
, ,  , значения которых находятся в зависимости от аргумента mдна= по
табл.4 приложения.
Вычислив коэффициенты ik и ip, входящие в систему уравнений
метода сил, и решив указанную систему, определим усилия краевого эффекта: M =X1 – изгибающий момент; Q=X2 – поперечная сила.
2.6.4. Проверка прочности окраек и нижнего пояса стенки
Максимальный изгибающий момент в днище может быть вычислен
по формуле:
M äí 

M 
p
 1   2 (m äí à)  20 ξ 2 (m äí à).
2 
m äí

Прочность окраек днища проверяется по формуле:
 дн 
6М дн
t
2
дн
 R yc,
где tдн – толщина окраек днища;
с – коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,6.
Прочность нижнего пояса корпуса вертикального цилиндрического
резервуара проверяется по формуле:
σ cm 
g 6Ì

 R y γc ,
t 1 b  t 12
где t1 – толщина нижнего пояса стенки резервуара: b=1 см.
Коэффициент условий работы рекомендуется в данном случае принимать равным 1,2 [3].
В пределах зоны краевого эффекта кольцевые напряжения вследствие стесненности кольцевых деформаций меньше, чем на соседних
участках, поэтому вычисление указанных напряжений и соответствующую
проверку прочности можно не выполнять [1].
Нижний пояс стенки резервуара приваривается к окрайкам днища
наружным и внутренним угловыми швами. Эти швы рассчитываются на
совместное действие усилий N=g; M= X1 b; Q = X2.
20
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 7
2.7. Расчет анкерных креплений резервуара
2.7.1. Конструирование анкерных креплений
Анкерные крепления препятствуют отрыву днища опорожненного
резервуара при действии избыточного внутреннего давления. Кроме того,
анкерные крепления оказывают сопротивление опрокидывающему моменту, развивающемуся при действии ветровой нагрузки.
Анкеры располагаются с наружной стороны стенки резервуара с шагом ℓa =2…2,5 м.
Конструктивное решение анкерного крепления приведено на рис. 6.
При расчете анкерных креплений учитывается удерживающая сила,
включающая вес крыши, стенки и примыкающего к стенке кольца днищ,
включающего окрайки.
2.7.2. Расчет анкерного крепления
Рассматривается расчет анкерных креплений при действии избыточного давления [3].
Отрывающая (подъемная) сила, создаваемая избыточным давлением,
Fотр   f p изб r 2 ,
где f – коэффициент надежности по нагрузке для избыточного давления,
f = 1,15.
Удерживающая сила находится по формуле:
Fуд   f (G кр  G cm  G окр ),
f – коэффициент надежности по нагрузке для собственного веса конструкций резервуара;
Gкр – вес крыши; Gcm – вес стенки резервуара;
Gокр – вес примыкающего кольца с окрайками.
Площадь примыкающего кольца принимается равной 20% от площади
днища, следовательно,
где
Aîòð  γ cmf 0,2π, 2 t îêð ,
где cm – удельный вес стали;
tокр – толщина окраек.
Если Fуд< Fотр, то необходима постановка анкерных креплений.
Количество анкерных креплений находится по формуле:
21
na 
Усилие в одном анкере
Na 
2r
.
la
Fотр  Fуд
,
na
требуемая площадь сечения нетто одного анкерного болта:
Na
A bn 
,
R bt  c
где Rbt – расчетное сопротивление растяжению фундаментных болтов (см.
табл. 60* [9]);
с – коэффициент условий работы, рекомендуется принимать с=0,65.
При опирании резервуара на песчаную подушку в состав анкерного
устройства должна входить железобетонная плита, служащая для закрепления нижнего конца анкерного болта. Плита имеет, как правило, квадратное очертание в плане с размером стороны квадрата 1,0…1,2 м; толщина
плиты принимается равной 0,2…0,3 м.
Глубина заложения анкерной плиты назначается согласно требованиям проектирования анкерных фундаментов. Армирование анкерной плиты выполняется в соответствии с нормами проектирования железобетонных конструкций. Если предусматривается устройство кольцевого фундамента резервуара, то закрепление анкерных болтов следует осуществлять в
железобетонном кольце фундамента.
В уровне опорных столиков анкерных креплений следует предусматривать постановку кольца жесткости, которое выполняется из прокатного уголка и располагается с внутренней стороны стенки резервуара (см.
рис. 23.5 [3]). Сечение кольца назначается по расчету на прочность.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 8
2.8. Крыши вертикальных цилиндрических резервуаров
Тип покрытия (крыши) вертикального цилиндрического резервуара
назначается исходя из ряда условий:
- объема резервуара;
- вида хранимого нефтепродукта и условий его хранения;
- климатических особенностей района строительства и др.
В настоящих методических указаниях приводятся основные сведения
о крышах вертикальных цилиндрических резервуаров. При разработке эскизного проекта ВЦР необходимо выбрать конструкцию покрытия резервуара с учетом исходных данных, содержащихся в задании на проектирование. Затем, используя материалы, содержащиеся в учебной и специальной литературе [1-5], следует выполнить конструктивную схему покрытия
22
и привести краткое описание конструктивного решения покрытия и его
элементов.
В приложении приведено конструктивное решение вертикального
цилиндрического резервуара с коническим покрытием.
В большинстве случаев вертикальные цилиндрические резервуары
проектируются со стационарной крышей; максимальная вместимость резервуаров со стационарной крышей не должна превышать:
- при хранении легковоспламеняющихся жидкостей (в частности
бензина) 20000 м3;
- при хранении горючих жидкостей 50000 м3.
Резервуары большей вместимости могут быть:
- с плавающей крышей;
- с понтоном и стационарным покрытием.
При эскизном проектировании ВЦР рекомендуется выбрать стационарное покрытие.
Вертикальные цилиндрические резервуары низкого давления емкостью до 5000 м3 могут иметь следующие типы стационарных крыш:
- коническая щитовая крыша с центральной стойкой в качестве дополнительной опоры (безраспорная конструкция);
- коническая щитовая крыша без центральной стойки (распорная
конструкция);
- висячая крыша (безмоментное покрытие), требующая использования центральной стойки.
Последний тип покрытия применяется редко – в климатических районах с небольшой снеговой нагрузкой.
В резервуарах вместимостью более 5000 м3 экономически целесообразно применение сферических (купольных) покрытий.
Стальные купола покрытий резервуаров могут выполняться:
- ребристыми;
- ребристо-кольцевыми;
- сетчатыми.
Все купольные покрытия являются распорными конструкциями. Для
восприятия распорных усилий устраивается опорное кольцо, располагаемое по верху стенки резервуара.
Для хранения легкоиспаряющихся нефтепродуктов (бензина и др.)
применяют резервуары повышенного давления. В таких резервуарах в паровоздушной среде создается избыточное давление (10…70 кПа), что существенно сокращает потери хранимого продукта. Крыши резервуаров повышенного давления выполняют торосферическими (соответствующая поверхность имеет двоякую кривизну) или сфероцилиндрическими (кривизна лишь в меридиональном направлении).
Наиболее часто применяются сфероцилиндрические крыши, собираемые из лепестков, вальцовка которых производится лишь в радиальном
23
направлении. Между сферической частью крыши и стенкой резервуара
предусматривается торовая вставка, состоящая из листов, вальцуемых в
радиальном направлении. Сопряжение нижней, многоугольной в плане,
части крыши со стенкой осуществляется через верхнее кольцо жесткости.
Резервуары повышенного давления находят также применение для
хранения сниженных газов при отрицательной постоянной температуре.
Такие резервуары называются изотермическими, они выполняются с
двойной крышей и стенкой, то есть изотермический резервуар, фактически имеет двойной корпус. Полость между внешним и внутренними корпусами заполняется теплоизоляцией. Крыша внутреннего корпуса резервуара выполняется торосферической, а наружного – сферической.
Расчет изотермических резервуаров не отличается от расчета обычных резервуаров, однако дополнительно требуется выполнить расчет конструкций резервуара на температурные воздействия.
ЛИТЕРАТУРА
1. Москалев Н.С., Пронозин Я.А. Металлические конструкции: учебник. – М.: Изд-во АСВ, 2008.
2. Митюгов Е.А. Курс металлических конструкций: учебник. – М.:
Изд-во АСВ, 2008.
3. Металлические конструкции. Общий курс: учебник для вузов / под
ред. Ю.И. Кудишина. – М.: Академия, 2008.
4. Нехаев Г.А. Проектирование стального каркаса одноэтажного производственного здания: учебное пособие – М.: Изд-во АСВ, 2009.
5. Металлические конструкции: в 3т.: учебник для строит. вузов / под
ред. В.В. Горева. – М.: Высш. шк., 2001. – Т. 1: Элементы конструкций.
6. Металлические конструкции: в 3т.: учебник для строит. вузов /под
ред. В.В. Горева. – М.: Высш. шк., 2002. – Т. 2. Конструкции зданий.
7. Лессиг Е.Н., Лилеев А.Ф., Соколов А.Г. Листовые металлические
конструкции. – М.: Стройиздат, 1970.
8. Металлические конструкции: в 3 т.: учебник для строит. вузов /под
ред. В.В. Горева. – М.: Высш. шк., 2002. – Т.3. Специальные конструкции и
сооружения.
9. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции. – М.: ФГУП ЦПП, 2006.
10. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. – ФГУП ЦПП, 2007.
11. Металлические конструкции. Общий курс: учебник для вузов / под
ред. Е.И. Беленя. – М.: Стройиздат, 1985.
12. Металлические конструкции. Общий курс: учебник для вузов / под
ред. Г.С. Веденикова. - М.: Стройиздат, 1988.
13.Металлические конструкции: в 3 т. / под ред. В.В. Кузнецова. – М.:
Изд-во АСВ,1998. – Т.2. Стальные конструкции зданий и сооружений.
(Справочник проектировщика).
24
Приложение
Рис.1п. Вертикальный цилиндрический резервуар со щитовым покрытием
вместимостью 3000 м3: а – фасад; б – план днища; в – план покрытия;
1 – стенка; 2 – щиты покрытия; 3 – замыкающий щит; 4 – ось монтажного
стыка стенки; 5 – начальный щит; 6 – промежуточные щиты
Справочные материалы
Таблица 1
Рекомендации по назначению высоты резервуара
Избыточное давление pизб
Высота резервуара
Объем V, м3
в кгс/см2
в МПа
H, в м.
2000-10000
до 0,02
0,002
12
700-1500
до 0,02
0,002
9
2000-10000
0,03…0,3
0,003…0,03
12+(1,5…3)
700-1500
0,03…0,3
0,003…0,03
12+(1,5…3)
Таблица 2
Минимальные толщины поясов корпуса резервуара
Объем, тыс м3
1-5
6-10
20-25
30-40
50…60
75-100
Минимальная
толщина, в мм
4
6
8
8-10
10-12
12-16
Таблица 3
Нормативные значения постоянных нагрузок на
крыши ВЦР (с учетом технологического оборудования)
Тип крыши
Нагрузка на крышу qкр, кПа
Сфероцилиндрическая (торосферическая)
Висячая
0,3…0,5
Щитовая
Сферическая
0,5…0,8
Таблица 4
Значения функций θ, ξ
β
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
θ
1,0000
0,09003
0,0024
0,7077
0,6174
0,5323
0,4530
0,3798
0,3131
0,2527
0,1888
0,1510
0,1091
ξ
0
0,0903
0,1627
0,2109
0,2810
0,2908
0,3098
0,3199
0,3228
0,3185
0,3098
0,2967
0,2807
β
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
2,1
2,1
2,3
2,4
2,5
θ
0,0729
0,419
0,0168
-0,0059
-0,0236
-0,0376
-0,0484
-0,0563
-0,0618
-0,0052
-0,0668
-0,0669
-0,0658
ξ
0,2626
0,2400
0,2226
0,2018
0,1812
0,1010
0,1415
0,1230
0,1057
0,0895
0,0743
0,0613
0,0492
Примечания: 1. В таблице обозначено β = mдн а;
2. Значения функций φ,ψ находятся по формулам: φ = θ + ξ; ψ =θ – ξ.
26
Таблица 5
Рекомендации по конструированию центральной части и окраек днища
Объем резервуара,
тыс. м3
Толщина
днища,
мм
Толщина
окраек,
мм
Размер листов мм
Марка
стали
днища
Марка
стали
окраек
3
3.5 - 10
15…20
15…20
15…20
25-40
50-70
100
4
5
6
6
6
6
6
6
6
8
10
10
12
12
14
14
1500x6000
1500x6000
1500x6000
1800x7000
2000x8000
2000x8000
2000x8000
2000x8000
ВСт3сп5
ВСт3сп5
ВСт3сп5
ВСт3сп5
ВСт3сп5
ВСт3сп5
ВСт3сп5
ВСт3сп5
ВСт3сп5
ВСт3сп5
ВСт3сп5
ВСт3сп5
ВСт3сп5
ВСт3сп5
09Г2С
16Г2АФ
Уклон
днища
от центра
1:50
1:50
1:50
1:75
1:75
1:75
1:100
1:100
Примечание. Марки листов стали днища и окраек принимаются в соответствии с заданием на проектирование.
27
СОДЕРЖАНИЕ
ВЕДЕНИЕ…………………………………………...………….………
1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОРЯДКЕ ВЫПОЛНЕНИЯ ЭСКИЗНОГО
ПРОЕКТА ……………………………………………….……….……
1.1. Цель и задачи проектирования стального резервуара ……..…
1.2. Требования к эскизному проекту резервуара и оформлению
результатов проектирования …………………………….……….
1.3. Организация работы при проектирования резервуара …………
2. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СТАЛЬНОГО
РЕЗЕРВУАРА ДЛЯ ХРАНЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДА ………...…...
2.1. Назначение основных размеров резервуара …………………
2.2. Способы изготовления и монтажа стальных резервуаров ……
2.3. Компоновка полотнища стенки стального резервуара …………
2.4. Расчет стенки резервуара на прочность …………………..…...
2.5. Расчет стенки резервуара на устойчивость ……………………
2.6. Расчет сопряжения стенки резервуара с днищем ……………….
2.7. Расчет анкерных креплений резервуара …………………………
2.8. Крыши вертикальных цилиндрических резервуаров …………
ЛИТЕРАТУРА …………………………………………………………..
ПРИЛОЖЕНИЕ…………………………………………………………..
2
2
2
3
4
5
5
6
6
7
10
14
21
22
24
25
СТАЛЬНОЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ РЕЗЕРВУАР
ДЛЯ ХРАНЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДА
Методические указания к выполнению практических занятий
по курсу ”Современные методы конструирования и
расчета пространственных систем”
для студентов специальности ПГС всех форм обучения
Составили: РАЩЕПКИНА Светлана Алексеевна
ЗЕМЛЯНСКИЙ Анатолий Андреевич
Рецензент Г.М.Мордовин
Редактор
Подписано в печать
Бум. тип.
Тираж
экз.
Усл. печ. л.
Заказ
Формат 60  84 1/16
Уч.-изд.л.
Бесплатно
Саратовский государственный технический университет
410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77
Копипринтер БИТТиУ, 413840, г. Балаково, ул. Чапаева, 140