Раздел 2. Листовые конструкции

Листовыми называют конструкции, состоящие в основном из металлических листов и предназначенные для хранения, транспортирования жидкостей, газов и сыпучих материалов.

К этим конструкциям относятся:

Резервуары для хранения нефтепродуктов, воды и других жидкостей.

Газгольдеры для хранения и распределения газов.

Бункера и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов.

Трубопроводы больших диаметров для транспортирования жидкостей, газов и размельчённых или разжиженных твёрдых веществ.

Специальные конструкции металлургической, химической и др. отраслей промышленности:

кожухи доменных печей

воздухонагреватели

пылеуловители — скрубера, корпуса электрофильтров и рукавных фильтров

дымовые трубы

сплошностенчатые башни

градирни и т.д.

Такие листовые конструкции занимают 30% от всех металлических конструкций.

Условия работы листовых конструкций достаточно разнообразны:

они могут быть надземными, наземными, полузаглублёнными, подземными, подводными;

могут воспринимать статические и динамические нагрузки;

работать под низким, средним и высоким давлением;

под воздействием низких и высоких температур, нейтральных и агрессивных сред.

Для них характерно двухосновное напряжённое состояние, а в местах сопряжения с днищем и рёбрами жёсткости, в местах сопряжения оболочек различной кривизны (т.е. на границе изменения радиуса кривизны) возникают местные высокие напряжения, быстро затухающие по мере удаления от этих участков это — так называемое явление краевого эффекта.

Листовые конструкции всегда совмещают несущую и ограждающую функции.

Сварные соединения элементов листовых конструкций выполняют встык, внахлёстку и впритык. Соединения выполняют автоматической и полуавтоматической дуговой сваркой.

Большинство листовых конструкций являются тонкостенными оболочками вращения.

Рассчитывают оболочки методами теории упругости и теории оболочек.

Листовые конструкции рассчитывают на прочность, устойчивость и выносливость.

Резервуары

В зависимости от положения в пространстве и геометрической формы они делятся на цилиндрические (вертикальные и горизонтальные), сферические и каплевидные.

По расположению относительно планировочного уровня земли различают: надземные (на опорах), наземные, полузаглублённые, подземные и подводные.

Они могут быть постоянного и переменного объёмов.

Тип резервуара выбирают в зависимости от свойств хранимой жидкости, режима эксплуатации, климатических особенностей района строительства.

Наибольшее распространение получили вертикальные и горизонтальные цилиндрические резервуары как самые простые при изготовлении и монтаже.

Вертикальные резервуары со стационарной крышей являются сосудами низкого давления, в которых хранят нефтепродукты при малой их оборачиваемости (10 — 12 раз в год). В них образуется избыточное давление в паро-воздушной зоне до  2кПа, а при опорожнении вакуум (до 0,25кПа).

Вертикальные резервуары с плавающей крышей и понтоном применяют при хранении нефтепродуктов при большой оборачиваемости. В них практически отсутствует избыточное давление и вакуум.

Резервуары повышенного давления (до 30кПа) используют для длительного хранения нефтепродуктов при их оборачиваемости не более 10 — 12 раз в год.

Шаровидные резервуары —  для хранения больших объёмов сжиженных газов.

Каплевидные резервуары — для хранения бензина с высокой упругостью паров.

Вертикальные резервуары

Рис. 17

Основные элементы:

стенка (корпус);

днище;

крыша (покрытия).

Все элементы конструкций изготавливают из листовой стали. Они просты в изготовлении и монтаже, достаточно экономичны по расходу стали.

Установлены оптимальные размеры вертикального цилиндрического резервуара постоянного объёма, при которых расход металла будет наименьшим. Так, резервуар со стенкой постоянной толщины имеет минимальную массу, если

[(mдн + mпок) / mст] = 2,  а значение оптимальной высоты резервуара определяется по формуле

,

где V — объём резервуара,

∆= tдн.+tприв. покр. — сумма приведённой толщины днища и покрытия,

tст. — толщина стенки корпуса.

В резервуарах больших объёмов толщина стенки переменна по высоте. Масса такого резервуара получится минимальной, если суммарная масса днища  и покрытия равна массе стенки, т.е.  mдн.+mпокр.= mст.

В этом случае

 


,

где    ∆= tдн. + tприв. покр.,

n — коэффициент перегрузки,

γ ж. — удельный вес жидкости.

Днище резервуара

Так как днище резервуара опирается по всей своей площади на песчаное основание, то от давления жидкости оно испытывает незначительные напряжения. Поэтому толщину листа днища не рассчитывают, а принимают конструктивно с учётом удобств монтажа и сопротивляемости коррозии.

 

При V≤1000м и Д<15м → tдн = 4мм;

при V>1000м и Д=18—25м → tдн = 5мм;

при Д > 25м → tдн = 6мм.

Рис. 18

Листы полотнищ днища соединяют между собой по продольным кромкам внахлёстку с перекрытием 30 — 60мм при tдн. = 4 — 5мм, а при tдн.= 6мм — выполняются встык. Крайние листы — "окрайки" — принимают на 1—2мм толще листов средней части днища. Из завода-изготовителя всё поставляется в рулонах (Q ≤ 60т).

Конструирование стенок:

Рис. 19

Стенка резервуара состоит из ряда поясов высотой, равной ширине листа. Соединяют пояса между собой встык или внахлёстку в телескопическом или ступенчатом порядке. Сопряжение встык выполняют в основном на заводе изготовителе (реже на монтаже), внахлёстку — как на заводе, так и на монтаже.

Распространён метод строительства резервуаров методом рулонирования.

Расчёт на прочность — стенка корпуса является несущим элементом и рассчитывается по методу предельных состояний в соответствии с требованиями СНиП 11-23-81

Рис. 20

Нормативные нагрузки, действующие на стенку резервуара, а также коэффициент перегрузки принимают в соответствии с СНиП 2,01,07-85 "Нагрузки и воздействия".

Стенку рассчитывают на прочность по безмоментной теории оболочек как цилиндрическую оболочку, работающую на растяжения и действия гидростатического давления жидкости и избыточного давления газа.

Расчётное давление на глубине Х от днища:

Px=  γж × (h – x) × n1 + Pиз. × n2

γж— удельный вес жидкости;   n1=1,1;  n2=1,2.

В цилиндрической оболочке кольцевое напряжение в 2 раза больше меридиальных.

G2=Pr2/t;               G1=N/t=(Pr2)/(2t).

Откуда толщину стенки на расстоянии Х можно определить:

t=[n1 × γж(h–x) + n2Pиз.] × r/γ ×Rсв.

Расчёт стенки на устойчивость: Верхние пояса стенок корпуса резервуара в результате расчёта на прочность имеют сравнительно небольшую толщину, поэтому необходимо проверять их на устойчивость при определённых сочетаниях нагрузки:

вес крыши и установленного на ней оборудования (Ркр=q × n),

вес теплоизоляции крыши (Pтепл. из. кр.=qт × nт ),

вес от снежного покрова (Pснега=qо × c × nсн),

вакуум (Pвак.=qвак. × nвак.),

Pветра=qо × c2 × n2,

Pстенок= (qст × qд/тпл  ).

Продольное  напряжение в стенке от действия нагрузок:

G1= [Pкр.+Pтеп. из.+nс (Pсн+Pвакуум+Pветр)]×(r2/2t)+Pст /t.

Кольцевое сжимающее напряжение в стенке возникает от следующих нагрузок:

ветровой нагрузки, действующей равномерно по окружности резервуара, и заменяется действием условного вакуума

Pвет.=0,5×qоnвk,

Pвакуум=Pвак.×nвак.    от вакуума, тогда

G2=(P ветр.+ Pвак.)ncr2/t.

Если по результатам расчёта требуется значительно повысить толщину стенки резервуара, то целесообразно поставить кольцевые рёбра жёсткости (от одного до трёх).

Максимальное значение меридиальных напряжений   G1 в нижней части стенки с учётом напряжений от краевого эффекта равно:

G1=q/tст.+6M/t2ст  < γсR

Длина полуволны затухания краевого эффекта:


В пределах этого расстояния кольцевые напряжения G2, за счёт стеснённости кольцевых деформаций, меньше чем на соседних участках стенки, поэтому их ( G2) можно не вычислять.

Конструирование и основные положения расчёта крыши резервуаров низкого давления:

Крыши могут иметь различную конструктивную форму. В основном применяется коническая щитовая форма. Щиты конструируются из каркасов, изготовленных из прокатных или чугунных профилей, и обшивка из стальных листов ( t=2,5—3мм).

При  V>10—20тысм — в виде ребристо-кольцевых куполов без центральной стойки, крыши собирают из щитов заводского изготовления, укрупнённых в монтажные блоки — опирающихся на опорное кольцо.

Конструкция резервуара с понтоном

Рис. 21

Разновидностью резервуара со стационарной крышей является резервуар с понтоном, который применяют для сокращения потерь на испарение нефти и нефтепродуктов.

Понтон состоит из понтонного кольца (из замкнутых коробов), обеспечивающего плавучесть всего понтона, и центральной части (из плоских стальных листов    t=4мм).

Между стенкой резервуара и наружной стенкой понтона имеется зазор в 200—275мм. Для герметизации этого пространства устанавливают уплотняющие  затворы жёсткого или мягкого типа. Понтонное кольцо в нижнем положении опирается на стойки.

Конструкция резервуара с плавающей крышей

 

Основан на принципе резервуара

с понтоном, но при определённой

его модернизации:

верхнее кольцо жёсткости стенки;

понтон с двухпоясной; центральной частью

для сбора и отвода атмосферных осадков с помощью насоса.

Рис. 22

 

Горизонтальные цилиндрические резервуары

Предназначены для хранения нефтепродуктов при избыточном давлении до 0,2 и сжиженных газов до 1,8МПа.

Для нефтепродуктов  V<100м,  для сжиженных газов  V<300м,  диаметр 1,4—4м,   tст.=3—36мм,  длина  L=2—30м.

Достоинства: простота конструктивной формы, поточное изготовление на заводах и перевозка в готовом виде. Удобства надземной и подземной установки.

Недостатки: необходимость установки специальных опор и сравнительная сложность замера продукта.

Рис. 23  -  1— центр для загрузки; 2 — лаз для осмотра; 3 — кольца жесткости; 4 — штуцер для вентиляции; 5 — опора диафрагмы; 6 — заземление; 7—лестница; 8 — штуцер для забора; 9 — щель в уголке; 10 — стойка.

Корпус таких резервуаров состоит из нескольких листовых обечаек  L=1,5—2,0м.  Соединены они встык, при  r2/t>200 в каждой обечайке ставят рёбра жёсткости из уголков, а при  r2/t>200  ребра жёсткости можно не ставить.

Днища могут быть (в зависимости от давления):

— плоскими (а);                               — сферическими (г);

— коническими (б);                         — элипсовидными (д).

— цилиндрическими (в);

Рис. 24

Расчёт стенки корпуса на прочность — расчётной схемой является двухконсольная балка кольцевого сечения, если  tl/r2>10,  и как цилиндрическую оболочку, если  tl/r2<10.

Кольцевые напряжения  G2  имеют максимальное значение в нижней части корпуса, где давление на цилиндрическую оболочку складывается из гидравлического давления жидкости и избыточного давления в газовом пространстве.

G2=  Pr2/t=(n2P4+n1γж2r2)×r2/t  <  R,

где   n2=1,2;    n1=1,1;      γж=0,8.

Меридиальные напряжения:

G1=G1'+G1",

где   G1' — напряжение от изгиба, как в простой балке;

G1'=M/W;   Mконсоли= –qc2 /2;   Mприл=q(l2о/8 – c2 /2).

Из условия равенства Mкон=Mпр  находим оптимальное значение пролёта              lо=0,586l,   где  l=V/(Пr2 );

Погонная нагрузка:

q=n(G/l + γжПr2 ),  откуда  G1'=M/W=[n1(G/l+ γжПr22)×(l2/8 – c2/2)] /Пr22t;

G1"— напряжение от избыточного гидростатического давления на днище,

G1"=[Пr22(n2Pиз+n1γжr2)]/(2Пr2t) = (n2Pиз+n1γжr2)*(r2/2t)


Расчёт корпуса и днища на устойчивость — только при пустом баке или пониженной температуре.

Где  γ = 0,8; η =0,9 (коэффициент увеличения надёжности взрывоопасных элементов);  φшв =1,0.

Сферические и каплевидные резервуары

Рис. 25

Предназначены для хранения сжиженных газов под высоким избыточным давлением до 250кПа и объёмом 600—4000м.

Они более сложные и трудоёмкие в изготовлении. При толщине оболочки до t = 36мм, их вальцуют в холодном состоянии на шаровидных вальцах, при большей толщине — штампуют в горячем состоянии на прессах, затем сваривают автоматами с помощью специальных вращателей. Все швы проверяют повышенными методами контроля качества. Опираются на кольцевую опору или систему стоек.

Газгольдеры

Газгольдерами называют сосуды, предназначенные для хранения, смешивания и распределения газов. Их включают в газовую систему между источниками получения газа и его потребностями в качестве своеобразных аккумуляторов (рессиверов), регулирующих потребление газа.

Их применяют в промышленности металлургических, коксохимических и газовых заводов, в химической и нефтеобрабатывающей промышленности, в городском хозяйстве для хранения газа.

По характеру эксплуатации и конструкции газгольдеры делятся на две группы:

газгольдеры переменного объёма (мокрые и сухие)

Ри < 4—5кПа     (0,4—0,5атм);

газгольдеры постоянного объёма

Ри=250—2000кПа   (2,5—20атм)

и являются сосудами высокого давления.

 

Мокрые газдольеры

 

1 — резервуар;

2 — колокол;

3 — направляющая штанга;

4 — верхние направляющие

ролики;

5 — нижние направляющие

ролики;

6 — звенья телескопа.

 

Рис.26

Сухие газгольдеры применяют в случае, когда хранимые газы имеют высокую концентрацию (до 99,9%) и не допускают увлажнения.

Рис.27 - а — порожний газгольдер;  б — частично заполненный;  в — полный; 1— корпус;  2 — кровля;  3 — днище;  4 — кольцевой фартук из прорезиненной ткани;  5 — бетонные грузы;  6 — каркас шайбы;  7 — днище шайбы;  8 — стенки шайбы;  9 — тяжи шайбы;  10 — стояк газосброса;  11 — газоход.

Конструкция состоит из цилиндрической оболочки с плоским днищем, покоящимся на песчаной подушке, и сферической кровли из листов    t=3мм.

Внутри специальная конструкция в виде шайбы, перемещающейся под давлением газа подобно поршню. Шайба имеет несущий каркас и наружную обшивку, из листовой стали.

Газгольдеры постоянного объёма  Ри=70—2000кПа, что даёт возможность, при значительно меньшем объёме, хранить в них во много раз большее количество газа.

Сферические не габаритные — они более экономичны чем цилиндрические, но сложнее в изготовлении и монтаже.

Их конструктивное оформление и методика расчёта такие же, как и у сферических резервуаров для сжиженных газов, т.е. все газгольдеры — это резервуары для хранения и распределения газов.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я