Стальной вертикальный цилиндрический резервуар емкостью 5000 м3

Республика Беларусь

Научно-проектное республиканское унитарное предприятие «ИнТест»

Минск 2002

Предисловие

Нормативные документы периода разработки типового проекта «Стальной вертикальный цилиндрический резервуар емкостью 5000 м3» отражали уровень научно-технических знаний того времени и, естественно, не могли учитывать достижений науки и практики последующих лет, отраженных в строительных нормах и правилах периода возведения сооружения.

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

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

Плотность жидкости ρ = 900 кг/м3. Место строительства — II район по снеговому покрову, нормативная нагрузка s0 = 0,7 кПа. Материал резервуара — сталь С245 с Ry = 240 МПа; сварка листов автоматическая проволокой Св-08Г2С. Избыточное давление паров испаряющейся жидкости Pи = 2 кПа, а вакуум — 0,25 кПа. Коэффициент надежности по назначению γn = 1.

Номинальные размеры резервуара Н = 12 м и D = 23 м; в типовом резервуаре объемом 5000 м3 конструктивные размеры по высоте Н = 11920 мм, внутренний диаметр Do = 22800 мм и наружный диаметр D = 22818 мм (укладывается по длине окружности 12 листов длиной по 6 м).

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

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

Несущие конструкции резервуара рассчитывают по предельным состояниям в соответствии со строительными нормами и правилами [1], [3], с учетом дополнительных требований [2]. В соответствии с ними конструкции резервуара емкостью менее 10 тыс. м3 относятся ко II классу ответственности.

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

Под воздействием внутреннего давления Р в тонкостенной оболочке возникают кольцевые и меридиональные напряжения Б1 и Б2.

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

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

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

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

При расчете стационарной крыши резервуара учитываются две комбинации нагрузок:

1) расчетные нагрузки, действующие на покрытие сверху вниз;

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

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

2. Определение расчетных нагрузок

Гидростатическое давление

Высота уровня залива резервуара Н0 = 11,3 м, а с учетом избыточного давления Р0 = 2 кПа условная высота Н = Н0 + Р0/ρ = 11,3 + 2/9 = 11,5 м. Расчетная схема стенки резервуара показана на рис. 2.1. По высоте резервуара стенка состоит из восьми поясов высотой по 1500 мм. Расчетное сечение каждого пояса расположено на высоте 300 мм выше его нижней кромки, т.е. в сечении, где не учитывается влияние кольцевых швов смежного пояса.

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

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

Определение давления на пояса стенки сведено в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Гидростатическое давление на стенку резервуара

№ пояса	Расстояние от верха резервуара	Значения (х1-620) до расчетного уровня жидкости, мм	Внутреннее давление на пояс , кПа	Толщина листов пояса t, мм
до низа пояса	до расчетного уровня х1
8	1490	1190	570	5,643	6
7	2980	2680	2060	20,394	6
6	4470	4170	3550	35,145	6
5	5960	5660	4740	46,926	6
4	7450	7150	6530	64,647	6
3	8940	8640	8020	79,398	7
2	10430	10130	9510	94,149	8
1	11920	11620	11000	108,900	9

Внутреннее избыточное давление паровоздушной среды

где — коэффициент надежности по нагрузке для внутреннего избыточного давления.

Снеговая нагрузка

Расчетная снеговая нагрузка на покрытие

где S0 — нормативное значение веса снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности земли (табл. 4 [2]);

γf = 1,6 т.к. отношение постоянной нагрузки к временной qn/pn < 0,8 (п. 5.7 [2]).

Вакуум

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

Расчетная нагрузка от вакуума

3. Определение усилий в элементах резервуара

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

Расчет резервуара выполнен на 5 загружений:

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

2 загружение — гидростатическое давление;

3загружение — избыточное давление паровоздушной среды;

4 загружение — снег;

5 загружение — вакуум.

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

4. Расчет элементов резервуара

4.1. Расчет стенки резервуара на прочность

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

где σx и σy — нормальные напряжения в кольцевом и меридиональном направлениях;

γс — коэффициент условий работы, равный для нижнего пояса — 0,7, для остальных поясов — 0,8;

Так как расчетное сопротивление сварного шва встык растяжению для конструкций из стали С245 при автоматической, полуавтоматической и ручной сварке с физическим контролем качества шва Rwy = Ry = 240 МПа (табл. 51* [3]) расчет производим по материалу стенки резервуара.

Расчетные напряжения принимаем из таблицы сочетаний по приложению 2.

Первый пояс (элемент 877)

Второй пояс (элемент 901)

Третий пояс (элемент 925)

Пояс 4 (элемент 949)

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

Таблица 4.1 Расчет поясов стенки резервуара

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

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

где Р — внутреннее давление в месте сопряжения корпуса с днищем

4.2. Расчет конструктивных элементов щитов покрытия

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

Нагрузки, действующие сверху вниз, кПа

постоянная
листовой настил t = 2,5 мм	78,5∙0,0025∙1,05 = 0,206
балки (осредненно)	0,15∙1,05 = 0,157
вакуум (разрежение)	0,25∙1,15 = 0,288
	Итого g = 0,65
временная снеговая	Ps = 1,12
	Всего g + Ps = 1,77

Расчет настила

Предельный относительный прогиб настила fu/l = 1/150 = 1/no [3].

Из условия заданного предельного прогиба определяем отношение наибольшего пролета настила к его толщине l/t по формуле, предложенной А.Л. Телояном (8.5 [5]).