книги / Сварные конструкции.-1

Расчет оболочек газгольдеров постоянного давления в соответ­ ствии с правилами Госгортехнадзора производится по допускае­ мым напряжениям.

Шаровые газгольдеры. Толщина оболочки шарового газголь­ дера (фиг. XI. 12) определяется по формуле

Допускаемое напряжение определяется в зависимости от пре­ дела прочности стали сг„ по формуле

[о] =

где п — коэффициент запаса.

Для сферических газгольдеров коэффициент запаса прини­ мается равным п = 3,5.

Эта формула соответствует в основном формуле для кольцевых напряжений в цилиндрической оболочке, но здесь в знаменатель введен еще коэффициент k, учитывающий двухосность напряжен­ ного состояния.

Для данных условий, когда сг2 = 2ох

V о\ —а,ст2 + А

Толщина сферического днища определяется по такой же фор­ муле, как и толщина шарового газгольдера (XI. 53), но прибавка на толщину для штампованных днищ с учетом допуска на штам­ повку назначается несколько большей и составляет е = с 0 ,2 .

Толщина эллипсоидального днища определяется по формуле

Здесь b — высота выпуклой части днища.

Для цилиндрической оболочки при определении допускаемых напряжений коэффициент запаса прочности принимается равным п —4. Для сферических и эллипсоидальных днищ коэффициент запаса прочности принимается одинаковым и равным п = 3,5.

Цилиндрические газгольдеры можно располагать горизонтально

ивертикально. Вертикальное расположение менее удобно при эксплуатации, так как создает сильные затруднения, связанные

снеобходимостью доступа для наблюдений на большой высоте. В связи с этим вертикальное расположение цилиндрических газ­ гольдеров применяется редко.

Горизонтальные цилиндрические газгольдеры устанавливают на двух опорах и изготавливают с внутренними кольцами жест­ кости, расположенными против опор.

Расчет опорных колец жесткости горизонтальных газгольдеров

ирезервуаров производится по схеме, приведенной на фиг. XI. 14. Опорное кольцо находится под действием касательных усилий

иопорных реакций.

Касательные усилия распределены по периметру кольцевого сечения по закону

Здесь Q — вес газгольдера. Опорные реакции стоек равны

При установке опорных стоек без эксцентриситета эпюра из­ гибающих моментов в различных сечениях опорного кольца будет иметь вид, указанный на фиг. XI. 14; в.

При этом абсолютные значения максимальных и минимальных моментов не будут равны между собой

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

Фиг. XI, 14. К расчету опорных колец жесткости: а — схема горизонтального резервуара; б — нагрузка на опорное кольцо; в и г — эпюры изгибающих мо­

ментов.

Теоретический вес оболочки цилиндрического газгольдера с полушаровыми днищами, отнесенный к единице объема, состав­ ляет

Здесь у — удельный вес стали; с' — коэффициент, зависящий от отношения длины корпуса

кдиаметру (при оптимальном отношении-^=6 , с=1,35).

Из формулы (XI. 60) видно, что повышение давления умень­ шает расход стали.

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

Диаметр шаровых газгольдеров обычно принимается равным 10—12 м. Диаметр горизонтальных газгольдеров по условиям перевозки по железной дороге не превышает 3,25 м при длине около 23 м. Толщина оболочек газгольдеров обычно изменяется от 8 до 32 мм.

По нормам Госгортехнадзора пробное давление при гидравли­ ческом испытании сварных сосудов должно приниматься: при ра­ бочем давлении р < 5 ати — 1,5р, но не менее 2 ати-, при рабо­

ka— аэродинамический коэффициент, принимаемый для ша­ рового газгольдера 0,7, для цилиндрического — попе­ рек оси 0 ,8 , а вдоль оси 0,9.

§ 5. Резервуары

Резервуарами называются сосуды, предназначенные для хра­ нения жидких материалов. По своей форме резервуары бывают: цилиндрические (вертикальные и горизонтальные), шаровые, каплевидные, многоторовые и др.

Цилиндрические резервуары. 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 распро­ страненными. Они сравнительно просты в изготовлении и доста­ точно экономичны. Резервуары этого типа применяются главным образом для хранения нефти.

Основными конструктивными элементами цилиндрического вертикального резервуара (фиг. XI. 15) являются: плоское днище, цилиндрический корпус и покрытие.

Плоское днище вертикального резервуара лежит на песчаном основании и испытывает только сжатие от давления жидкости, ко­ торое является незначительным. Поэтому его толщина опреде­ ляется не по условиям прочности, а назначается по конструктивно­

Сопряжение днища с корпусом осуществляется впритык двумя угловыми швами. В районе сопряжения возникают местные на­ пряжения, поэтому толщину крайних листов днища несколько увеличивают и принимают равной 6 = 8 мм.

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

Покрытие типовых резервуаров имеет коническую форму с уклоном 1 : 2 0 и состоит из настила и поддерживающего, его кар­ каса. Настил кровли соединяется с корпусом при помощи обвя­ зочного уголка. Покрытие воспринимает нагрузку от веса снега, от собственного веса и 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 при­ меняются 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.

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. Тогда формулы для определения оптимального зна­ чения высоты резервуара имеют вид:

при постоянной толщине

Здесь V — емкость резервуара; Ô— толщина стенки;

Д — сумма толщин днища и приведенной толщины покры­ тия (с учетом веса каркаса).

Оптимальная высота больших резервуаров (до 10 000 ж8) со­ ставляет около 1 2 ж.

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

По типовым проектам, утвержденным Госстроем СССР, номи­ нальный объем вертикальных резервуаров изменяется в пределах от 100 до 5000 ж3. В отдельных случаях объем резервуаров этого типа доходит до 20 000 ж3 и более. При этом высота корпуса типо­ вых резервуаров изменяется от 5,92 до 11,95 ж, а диаметр корпуса изменяется от 4,73 до 22,79 ж.

Удельный расход стали в вертикальных резервуарах умень­ шается с увеличением объема резервуара. Поэтому вертикальные

резервуары следует строить наибольшей емкости, возможно# при данных условиях.

Расчет вертикальных цилиндрических резервуаров произво­ дится по предельному состоянию.

Формула для определения толщины стенки цилиндрического корпуса имеет следующий вид:

где Н — высота корпуса; у — расстояние нижней кромки листа от днища;

п— коэффициент перегрузки, принимаемый для гидроста­ тического давления равным 1,1;

т— коэффициент условий работы, принимаемый для кор­ пуса резервуара равным 0,8;

Rc*— расчетное сопротивление сварного стыкового шва при

растяжении.

Корпус рассчитывается в предположении наполнения резер­ вуара доверху.

В узле сопряжения корпуса с днищем возникает изгибающий момент, который по мере удаления от днища быстро убывает.

По данным из теории упругости наибольший изгибающий мо­ мент в месте жесткой заделки равен

Учитывая упругость узла сопряжения корпуса с днищем, можно

Изгибающий момент становится равным нулю на расстоянии

Напряжение от изгибающего момента направлено вдоль обра­ зующей и в сечении корпуса у сварных швов проверяется по формуле

Недостатком вертикальных резервуаров является то, что не­ сущая способность верхних .листов корпуса, расположенных

з е р в у а р ы имеют несколько больший удельный расход ме­ талла (на единицу емкости) по сравнению с вертикальными, но при сравнительно небольших объемах являются экономически

целесообразными. Они имеют весьма широкое применение на небольших нефтебазах отдельных предприятий.

Преимуществами горизонтальных цилиндрических резервуа­ ров являются простота конструктивной формы, возможность зна­ чительного повышения внутреннего избыточного давления (с целью ликвидации потерь светлых нефтепродуктов от испарения) и малогабаритность, обеспечивающая возможность их серийного изготовления на заводе.

Наиболее распространенными являются малогабаритные го­ ризонтальные резервуары при внутреннем избыточном давлении от 0,4 до 20 ати, объемом 3—180 м3, имеющие диаметр от 1,4 до 3,25 м при длине 2—18,6 м.

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 ати) применяются сферичес­ кие днища. При одинаковой толщине днища и корпуса радиус сфе­ рического днища по условиям равнопрочности может быть равен

Цилиндрические днища оказываются целесообразными в гори­ зонтальных резервуарах при давлении 0,4—2 ати. Толщина ци­ линдрического днища равна толщине оболочки корпуса резер­ вуара. Наибольшее значение местного изгибающего момента, действующего поперек сопрягающего шва, с учетом упругости сопряжения, равно

где р — расчетное внутреннее давление;

г— радиус цилиндрического днища;

ô— толщина цилиндрического днища;

р— коэффициент Пуассона (для стали р = 0,3);

kynp— коэффициент, учитывающий упругость заделки в со­ пряжении (для данного случая kynp = 0,4).

Местное напряжение в шве с учетом развития допустимых пла­ стических деформаций равно

В местах передачи на оболочки сосредоточенных нагрузок необходимо создавать кольца жесткости.

Надземные горизонтальные резервуары устанавливаются на опоры. При этом цилиндрическая оболочка резервуара под дей­ ствием веса жидкости и собственного веса работает на изгиб как

трубчатая балка. Опорные кольца жесткости двухопорного гори­ зонтального резервуара воспринимают сдвигающие усилия, пере­ даваемые оболочкой, работающей на гидростатическое давление и реактивные давления от опор (см. фиг. XI. 14, а).

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

q —уяг2.

Изгибающий момент такой трубчатой балки в середине пролета равен

м _ 2Î-. — Уя' а/а .

момент инерции тонкостенного кольцевого сечения 3 = яôr3;

расстояние рассматриваемой точки от нейтральной оси У = г cos <р;

меридиональные напряжения в срединном сечении

давление столба жидкости на стенку цилиндрического корпуса

кольцевые напряжения

касательные напряжения в поперечном сечении балки

г = Q5'

J b •

перерезывающая сила в опорном сечении

<г = яг2^ .

Подставляя в формулу для касательных напряжений значение статического момента S' = 2ôr2 sin ф, значение момента инер­ ции J = яôr2 и значение ширины поперечного кольцевого сечения b = 2ô, получим выражение для напряжений в опорном сечении горизонтального цилиндрического резервуара