книги / Сварные конструкции

Опорные реакции стоек равны А =

Здесь Q — вес газгольдера, приходящийся на одну опору.

При установке опорных стоек без эксцентриситета эпюра из­ гибающих моментов в различных сечениях опорного кольца будет иметь вид, указанный на рис. 9 .9 , б.

При этом абсолютные значения максимальных и минимальных

Поэтому с целью выравнивания абсолютных значений изги­ бающих моментов, опорные стойки устанавливают с эксцентри­ ситетом, равным

Тогда абсолютные значения изгибающих моментов выравни­ ваются, как это показано на эпюре рис. 9.9, а. При этом они равны

При определении напряжений в поперечное сечение кольца включается площадь сечения пояса корпуса шириной, равной 30s.

Теоретический вес оболочки цилиндрического газгольдера с полушаровыми днищами составляет

отношения длины корпуса к диаметру (при оптимальном отноше­

нии = 6 с = 1,35 ^ .

Из формул (9.35) видно, что при всех прочих равных условиях повышение давления уменьшает расход стали.

Обычно давление газгольдеров составляет 4— 18 атм, но в от­ дельных случаях может быть принято и большим.

Диаметр шаровых газгольдеров обычно принимается равным 10—12 м. Диаметр горизонтальных газгольдеров по условиям провоза по железной дороге не превышает 3,25 м при длине около

23 м. Толщина оболочек газгольдеров обычно изменяется в пре­ делах 8—32 мм.

По нормам Госгортехнадзора пробное давление при гидравли­ ческом испытании сварных сосудов должно приниматься при ра­

принимаемый: для шарового газгольдера 0,7, для цилиндричес­ кого поперек оси 0 ,8 , а вдоль оси 0 ,9 .

§ 44. РЕЗЕРВУАРЫ

Резервуарами называются сосуды, предназначенные для хра­ нения жидких материалов. По форме резервуары бывают: цилин­ дрические (вертикальные и горизонтальные), шаровые, каплевид­ ные, многоторовые и др.

В е р т и к а л ь н ы е ц и л и н д р и ч е с к и е р е з е р ­ в у а р ы являются весьма распространенными. Они сравнительно просты в изготовлении и достаточно экономичны. Резервуары этого типа применяются для хранения нефти.

Основными конструктивными элементами цилиндрического вертикального резервуара (рис. 9.10) являются: плоское днище, цилиндрический корпус и покрытие.

Плоское днище вертикального резервуара лежит на песчаном основании и испытывает только сжатие от давления жидкости, которое является незначительным. Поэтому его толщина опреде­

двумя угловыми швами. В районе сопряжения возникают местные напряжения, поэтому толщину крайних листов днища несколько увеличивают и принимают равной s = 8 мм.

Цилиндрический корпус резервуара является его главным ра­ бочим элементом, воспринимающим давление находящейся в нем жидкости.

Покрытия типовых резервуаров имеют коническую форму с уклоном 1 : 2 0 и состоят из настила и поддерживающего его каркаса. Настил кровли соединяется с корпусом при помощи обвязочного уголка. Покрытие воспринимает нагрузку о,т веса снега, от собственного веса и'веса людей, которые могут на нем находиться. Листы покрытия работают как пластинки, опертые по контуру на элементы каркаса. Нагрузка, приходящаяся на них,

сравнительно небольшая и поэтому их толщина обычно мала. Для настила применяются листы толщиной 2,5 мм. Элементы каркаса покрытия опираются на корпус резервуара (иногда применяется для их опоры еще средняя вертикальная стойка) и, воспринимая нагрузку от листов, работают как свободно опертые - балки.

а)

Рис, 9.10. Вертикальный цилиндрический резервуар: а — общий вид; 6 — узлы покрытия;

/ — полуферма; 2 — радиальная балка; 3 — прогон

Оптимальные размеры вертикального цилиндрического резер­ вуара определяются по формулам В. Г. Шухова, который показал, что наименьший вес для резервуаров со стенкой постоянной тол­ щины достигается при условии, когда вес днища и покрытия вдвое меньше веса корпуса, а для резервуаров со стенкой перемен­ ной толщины при условии, когда вес днища и покрытия равен весу корпуса.

При этом формулы для определения оптимального значения высоты резервуара имеют вид:

Здесь V — емкость резервуара; s — толщина стенки; А — сумма толщин днища и приведенной толщины покрытия с учетом кар­ каса; [а ] — допускаемое напряжение; у— удельный вес жидкости.

Оптимальная высота больших резервуаров (до 10 000 м3) составляет около 12 м.

Полученное по формулам В. Г. Шухова оптимальное значение высоты резервуара следует округлить до ближайшего размера, кратного ширине листов.

Удельный расход стали в вертикальных резервуарах умень­ шается с увеличением объема резервуара. Поэтому вертикальные резервуары следует строить наибольшей емкости, возможной при данных условиях.

Расчет вертикальных цилиндрических резервуаров произво­

Недостатком вертикальных резервуаров является то, что несу­ щая способность верхних листов корпуса, расположенных в слабо

(на единицу емкости) по сравнению с вертикальными цилиндри­ ческими резервуарами, но при сравнительно небольших объемах являются экономически целесообразными. Они имеют весьма ши­ рокое применение На небольших нефтебазах отдельных пред­ приятий.

Преимуществами горизонтальных цилиндрических резервуа­ ров является простота их конструктивной формы, возможность значительного повышения внутреннего избыточного давления (с целью ликвидации потерь светлых нефтепродуктов от испаре­ ния) и их габаритность, обеспечивающая возможность серийного изготовления их на заводе.

Днища горизонтальных резервуаров бывают сферическими, цилиндрическими и плоскими. Выбор типа днища зависит от ве­

личины 'расчетного давления, диаметра резервуара и технологи­ ческих условий. При высоких давлениях (более 2 атм) применяют­ ся сферические днища. При одинаковой толщине днища и кор­ пуса радиус сферического днища по условиям равнопрочности может быть равен диаметру корпуса резервуара.

Для снижения местных напряжений в сварном шве, прикреп­ ляющем днище к корпусу, целесообразно в штампованных дни­ щах устраивать отбортованный поясок шириной не менее 60 мм, сопрягаемый со сферой по радиусу

где г — радиус сферической части днища.

В местах передачи на оболочки сосредоточенных нагрузок необходимо устраивать кольца" жесткости.

Надземные горизонтальные резервуары устанавливаются на опоры. При этом цилиндрическая оболочка резервуара под дей­

опорного горизонтального резервуара воспринимают сдвигающие усилия, передаваемые оболочкой, работающей на гидростатичес­ кое давление и реактивные давления от опор.

Расчет горизонтальных цилиндрических резервуаров (при полном заполнении жидкостью) производится по .схеме балки, свободно опертой по концам, нагруженной равномерно распреде­ ленной нагрузкой интенсивностью

q = уяг2,

где у — удельный вес жидкости.

По такой же расчетной схеме может быть учтено и действие собственного веса горизонтального резервуара.

При этом интенсивность равномерно распределенной нагрузки

в этих случаях'для снижения потерь целесообразно эти легкоиспаряющиеся продукты хранить под значительным давлением. Для этих условий шаровые резервуары оказываются рентабель­ ными при емкости 400—1000 м3.

§ 45. БУНКЕРЫ И СИЛОСЫ

Сосуды, предназначенные для хранения и перегрузки сыпучих материалов называются бункерами или силосами.

Бункер рассчитан на кратковременное хранение материалов, поэтому высота его верхней части значительно меньше, чем у си­ лоса, который рассчитан на длительное хранение материалов.

Емкость бункера и его высота являются заданными размерами. Наименьший угол наклона стенки к горизонту а не должен быть меньше угла естественного откоса сыпучего материала ср и опре­

деляется из условия

а = ср + с,

где с = 5-М0° Основной нагрузкой для бункеров и силосов является давление

сыпучего материала. Кроме того, они должны воспринимать соб­ ственный вес конструкции и атмосферное воздействие (снег, ветер).

Сыпучие материалы оказывают давление на стенки в вертикаль­ ном q и горизонтальном р направлениях.

Эти давления определяются для бункеров по следующим фор­

примыкает к балкам, через которые вся его нагрузка передается на стойки, скрепленные с фундаментом (рис. 9.11).

Нижняя часть бункера — воронка — является его наиболее нагруженной частью. Обшивка воронки воспринимает нормальное давление. Расчет обшивки производится по схеме пластинки ко­ нечной жесткости, свободно опертой на контур, образованный го­ ризонтальными ребрами жесткости и пересечениями граней.

При расчете отдельных пластинок нормальное давление, при­ ходящееся на них, считают в пределах каждой шпации постоян-

Рис. 9.11. Расчетная схема бункера с плоскими стенками

ным и определяют его по среднему значению в зависимости от угла наклона граней (рис. 9.11, а, б).

Расчет ребер жесткости производится по различным, схемам в зависимости от конструктивного оформления узла сопряжения ребер пересекающихся граней (рис. 9,11, в, г).

Для малых и средних бункеров плоскости ребер жесткости располагают нормально к плоскости обшивки (рис. 9.11, д). При этом из-за трудности подгонки в узле пересечения граней ребра не свариваются между собой (рис. 9.11, узел А), поэтому узел при расчете считается шарнирным.

В этом случае ребра рассчитываются как свободно опертые балки на двух опорах, нагруженные равномерно распределенной нагрузкой. Интенсивность распределенной нагрузки определяется по среднему значению нормального давления и среднему значению размеров примыкающих участков.

В тяжелых бункерах с целью получения экономии металла узел соединения ребер выполняется жестким (рис. 9.11, узел Б). При этом для упрощения конструкции узла плоскости ребер жесткости располагаются горизонтально под некоторым углом к обшивке бункера (рис. 9 . 11, а).

В этом случае расчетная схема для ребер жесткости может быть принята в виде прямоугольной рамки с жесткими узлами.

При определении напряжений в ребрах жесткости в расчет­ ные характеристики их поперечных сечений включается прилегаю­ щий к ним поясок шириной 30s.

Прямоугольные бункеры удобны для объединения их в много­ ячейковых конструкциях, однако наличие в них большого числа элементов, работающих на изгиб, приводит к недостаточно рацио­ нальному использованию в них материала, что в наибольшей сте­ пени сказывается в случаях применения бункеров большого объема, которые поэтому более целесообразно изготовлять из оболочек.

Круглые бункеры и силосы состоят из цилиндрической верх­ ней части и конической воронки. Оболочка круглых бункеров и силосов работает почти исключительно на растяжение, и поэтому они являются более экономичными по весу, чем прямоугольные.

§ 46. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА

Пример 1. Определить напряжения в сварном стыковом про­ дольном шве цилиндрической части сосуда диаметром D = 2 м и толщиной стенки s = 4 мм, находящегося под внутренним дав­ лением р = 6 кгс/см2 = 0,6 МПа.

Пример 2. Определить значения допускаемых напряжений сварного стыкового шва для различных возможных условий вы­ полнения сварки сосуда из стали марки Ст. 3.

Всоответствии с формулой (9.24) имеем

[а]= ф [а] *.

Номинальное допускаемое напряжение выбираем исходя из гарантированных знаний предела прочности и предела текучести по следующим условиям, установленным Госгортехнадзором:

[а]* = - |^ = = 1460 кгс/см2 = 146 МПа;

В соответствии с этим принимаем [а]* = 1460 кгс/см2 = 146 МПа.

Принимая коэффициент прочности шва в соответствии с дан­ ными табл. 9.3Гдля двустороннего шва будем иметь:

при автоматической сварке

[al = <р [а]* = 1460 кгс/см2 = 146 МПа;

при ручной сварке [о] * 0,95-1460 = 1390 кгс/см2 = 139 МПа.

Пример 3. Определить толщину стенки цилиндрической части сварного газгольдера из стали марки Ст. 3, имеющего внутренний диаметр D = 3 м и находящегося под давлением р = 16 кгс/см2 =

=1,6 МПа.

Всоответствии с формулой (9.29) толщина стенки цилиндри­ ческой части равна

Коэффициент прочности сварного стыкового шва для условий выполнения его автоматической сваркой с обеспечением форми­ рования с обратной стороны, в соответствии с данными табл. 9.3, принимаем <р = 1. При этом допускаемое напряжение [а] = = 1460 кгс/см2 = 146 МПа. Прибавку к расчетной толщине листа принимаем равной с = 1 мм. Подставляя эти данные в формулу, получим

_ 16.300 + 1 = 17,4 мм.

2-1460

Округляя, принимаем s = 18 мм.

Пример 4. Определить толщину сферического днища сварного газгольдера применительно к данным примера 3.

В соответствии с формулой (9.28) толщина стенки сферичес­ кого днища ^при b =

pD ,

4 [a] <p

Принимаем прибавку к толщине для штампованного днища е = 3 мм.

При условии выполнения сварного кольцевого шва автомати­

D = 3 м и общей длиной (включая два сферических днища)

L = 20 м.

Произвести также расчет расхода металла, необходимого для двух указанных вариантов.

Находим объем цилиндрического газгольдера

Уц = nR* (L - 2R) + -у- лЯ3 =

= 3,14- 1,5г(20 — 2*1,5) + - |- . 3,14-1,53 = 120+ 14,2= 134,2 м8.

Находим радиус равновеликого шарового газгольдера из условия

Уш = 134,2;

Толщина стенки шарового газгольдера в соответствии с формулой (9.28) равна

Объем расхода металла для шарового газгольдера составляет

Умш= jtZ?Lsm= 3,14 • 6,36г • 0,02 = 2,71 м3.

При принятых условиях объем расходуемого металла на ша­ ровой газгольдер оказался несколько меньшим, чем на цилиндри­ ческий.

Пример 6. Наметить расчетное сечение опорного кольца жест­ кости горизонтального резервуара, имеющего размеры в соответ­ ствии с данными, принятыми в примерах 3, 4 и 5.

Принимаем поперечное сечение кольца жесткости в виде тавра, у которого в качестве горизонтальной полки принят поясок, пред­ ставляющий собой участок цилиндрической оболочки, а в каче­