Вертикальные цилиндрические резервуары с плоским днищем

Основными элементами резервуара являются боковая стенка, покрытие и днище (рис. 10.5).

Рис.10.5. Общий вид резервуара объемом V=5000 м³:

а – фасад; б – план крыши; в – план днища; г – схема элемента кровли

Днище этих конструкций в боль­шинстве случаев плоское, корпус цилиндрический. Такая форма рациональна с точки зрения прочности и возможности изготовле­ния ее с наименьшим расходом металла. Изготовляют резервуары главным образом из сталей марок Ст2 и Ст3, а также из низколе­гированных сталей.

Оптимальное с позиции расхода металла соотношение между высотой h резервуара и его диаметром D определяется условием, что масса металла в днище и покрытии равна массе металла в цилиндрической части. При этом для объектов объемом 100-600 м³ h/D= 1.25 - 0,85, для объектов объемом до 10000 м³ h/D = 0,7 - 0,35. Однако с учетом требований технологии типовые проекты резервуаров вместимостью от 100 до 2000 м³ предусмат­ривают изменение высоты стенки от 5920 до 11845 мм, тогда как в более крупных резервуарах (50000 м³ и выше) высота остается практически постоянной и, как правило, не превышает 18 м.

Схематическое расположение швов на цилиндрической части резервуара показано на рис. 10.5 а. Продольные стыковые швы в нижней части оболочки располагают в одну нитку или вразбежку (рис. 10.6 а).

Рис.10.6. Сварные соединения стенки резервуара:

а, б – расположение поясов при стыковых соединениях; в – ступенчатое расположение при нахлесточных соединениях поясов

На рис. 10.6 б показан продольный разрез нижней части оболочки. В верхней ча­сти оболочки соединения лис­тов толщиной до 7-8 мм нахлесточные (рис. 10.6 в). Раз­мер нахлестки а>4s, где s - толщина листа обечайки. Внешние швы нахлесточного соединения накладываются не­прерывными, внутренние - прерывистыми. Последнее де­лается для улучшения условий контроля соединений на плот­ность. В местах пересечений горизонтальных и вертикаль­ных швов производят подбивку листов, обеспечивающую плот­ность соединений. Толщину обечаек проектируют переменной и назначают соглас­но расчету на прочность. По безмоментной теории оболочка рас­сматривается как гибкая, учитываются лишь мембранные напря­жения. Основными рабочими соединениями являются продольные швы обечаек. Их прочностью определяется толщина стенок резер­вуара.

Допустим, что давление в резервуаре на глубине у (рис. 10.3 а)

Р=γ·y (10.8)

где γ - удельный вес жидкости;

y – высота столба жидкости над анализируемой точкой.

Определим напряжения в вырезанном из обечайки кольце шириной, равной единице. Рассечем кольцо плоскостью и приложим в месте разреза силы

N= σ·s·1, (10.9)

где σ – напряжение в кольце; s – толщина кольца.

Условие статического равновесия полукольца

откуда . (10.10)

Напряжение в кольце

(10.11)

Напряжения σдействуют параллельно касательной к цилин­дрической поверхности. Они возникают также и в продольном шве обечайки. Поэтому из условий прочности напряжение должно быть σ ≤ [σ′]_р

Рис.10.7. К расчету цилиндрической части резервуара: а –определение

напряжений цилиндрической части; б – отверстие в цилиндрической части;

в – цилиндрическая часть в месте отверстия усилена кольцом

Требуемую толщину s_тр листа обечайки определяют по фор­муле

s_тр = pR/[σ′]_р, (10.12)

где р - давление, определяемое по формуле (10.8); R - радиус резервуара в сечениях на расстоянии 300 мм от нижней кромки пояса рассчитываемой обечайки (рис. 10.6 а), т. е. y=h₀ . Чем меньше давление р, тем соответственно тоньше листы обечайки. По соображениям рационального конструирования наименьшую толщину обечайки в резервуарах принимают равной 4 мм. Кольце­вые швы в резервуарах напряжены значительно меньше.

При проектировании резервуаров в настоящее время применя­ют метод расчета прочности по предельному состоянию. При этом допускаемое напряжение определяется по формуле

[σ′]_р =R_р m/n. (10.13)

В резервуарах из стали Ст3, сваренных электродами Э42, при использовании физических методов контроля швов расчетное сопротивление R_р=210 МПа, а при визуальном методе контроля R_р=180 МПа. Коэффициент условий работы m=0,8; n=1,1 - коэффициент перегрузки для гидростатического давления жид­кости. Числовое значение [σ]_р=210·0,8·1,1=153 МПа.

В нахлесточных соединениях распределение напряжений нерав­номерно. В участках двойной толщины растягивающие напряже­ния, направленные по касательной к окружности, уменьшаются по сравнению с растягивающими напряжениями на участках вне нахлестки. Соответственно сокращаются значения кольцевых де­формаций. Корпус в этих зонах имеет меньший диаметр, нежели между нахлестками, поэтому элементы, направленные по образующей, испытывают изгиб.

Если в поясе предусмотрено отверстие для крепления труб (рис. 10.7 б), то обечайка в зоне отверстия ослабляется и в этом случае возможны два варианта расчета.

1. Допустим, что напряжение в сечении, ослабленном отверстием,

σ=pRh_п/ (h_п-d)s]≤ [σ]_р, (10.14)

где h_п - высота пояса; d - диаметр отверстия. В этом случае отверстие не опасно, так как запас прочности в целом сечении настолько велик, что даже в месте выреза расчетное напряжение σ оказывается меньше допускаемого.

2. Предположим, что напряжение в сечении, ослабленном отверстием, больше допускаемого [σ]_р. В этом случае обечайку в зоне выреза обычно усиливают (рис. 10.7 в), например кольцом. Условно считают, что кольцо возмещает пло­щадь металла, вырезанного из стенки.

Плоское днище резервуара (рис. 10.5 в), установленное на песчаное или бетонное основание, не несет рабочих усилий. Днище изготовляют из листов толщиной 4-8 мм в зависимости от диаметра резервуара. Нередко по пе­риферии днища под вертикальными стенками укладывают более толстые листы (окрайки). Например, если в средней части s=6 мм, то на периферии s =8 мм.

Соединение цилиндрической части с днищем является ответствен­ным элементом конструкции (рис. 10.8 а). В месте соединения возникает изгибающий момент М, зависящий от толщины верти­кальной стенки и днища, коэффициента жесткости основания и от длины участка листа днища (консоли), выступающего за стенку.

Рис.10.8. Соединение вертикальной цилиндрической стенки с днищем:

а – вид соединения; б – эпюра напряжений от изгиба

Приближенно момент, возникающий в месте соединения, на единицу длины

М₁= 0,1pRs. (10.15)

Напряжение в стенке резервуара

σ = M/W=0,1pRs/(1s²/6)=0,6pR/s. (10.16)

Для примера возмем р=0,1 МПа для воды при h=10 м;R=10 м; s=l см. При этих условиях σ=60 МПа.

Напряжение направлено параллельно образующей. Эпюра распределения напряжений от момента по высоте стенки резер­вуара показана на рис. 10.8 б. Установлено, что соединение ци­линдрической части с днищем двумя непрерывными швами обес­печивает прочность, поэтому обычно специального расчета на проч­ность для этого соединения не производят.

Крыши резервуаров (см. рис. 10.5 б) проектируют при условии выполнения основного объема заготовительных и сварочных работ на заводе. При наличии средней стойки покрытие расчленяют на отдельные щиты. Щит состоит из двух элементов, направленных радиально, нескольких поперечин и листов покрытия, привариваемык к ним. Радиальные и поперечные элементы, образующие каркас щита, изготовляют из профильных прокатных, гнутых или штампованных заготовок. Щит с одной стороны приваривают к оболочке, а с другой - опирают на центральную стойку. Стальные листы каркаса воспринимают вертикальную нагрузку от собственного веса, веса снега, учитываемого в зависимости от района и угла на­клона кровли, а также веса людей, которые могут находиться на кровле. Листовое покрытие рассматривается при расчете прочно­сти как пластина с опорой по контуру. Приближенно пластина при расчете может приниматься прямоугольной (рис. 10.5 г). Обозначим через а меньшую сторону прямоугольника, b - боль­шую. Напряжения в пластине от нагрузок q, равномерно распре­деленных по ее плоскости,

σ =6αqa²/s² , (10.17)

где q - нагрузка от веса снега и собственного веса кровли; α=0,192 при a=b; α=0,407 при a=0,5b; s - толщина кровли.

Вес человека Р может рассматриваться в качестве эквивалент­ной распределенной нагрузки:

q₀=2P/(ab). (10.18)

Каркас расчленяют на отдельные стержни, которые рассмат­ривают при расчете на прочность как балки со свободной опорой, работающие на поперечный изгиб под действием вертикальных сил.

Если в конструкции резервуара предусмотрена средняя стой­ка, то она воспринимает около 33% всей вертикальной нагрузки на крышу. Она может быть нагружена как центрально (при ус­ловии симметричного загружения снегом всей крыши), так и эксцентрично. Стойку рассматривают как элемент, шарнирно за­крепленный по концам, и проектируют согласно принципам расче­та, изложенным в главе 8. Она может иметь решетчатую форму или форму трубы. Иногда ее используют в качестве барабана для навивки рулонированной поверхности днища.

Щитовые покрытия резервуаров могут выполняться складчато-коническими (рис. 10.9), что обеспечивает значительную жест­кость, как местную (отдельных элементов), так и общую всего покрытия.

Рис.10.9. Складчато-коническое покрытие резервуара

Непрерывно ведутся работы по увеличению объема цилиндри­ческих резервуаров. В настоящее время изготовляют резервуары вместимостью до 50000 м³. Проектируют резервуары еще боль­ших размеров с двух- или трехслойными стенками цилиндриче­ской части, составленными из рулонируемых полотнищ толщиной до 16 мм.

Цистерны

Так как давление р от веса жидкости в цистерне, как правило, очень ма­ло, то определение толщины стенок на основании формулы (10.12):

s_тр = pR /[σ′]_р

приводит к очень малому значению s. Цистерны с такими стенка­ми не обладают достаточной жесткостью, поэтому расчетные дав­ления определяют согласно специальным техническим указаниям.

Конструктивные формы цистерн и типы сварных соединений выбирают в зависимости от условий работы. Так, для хранения нелетучих жидкостей (вода, масло, мазут) используют цистерны с неотбортованными днищами; их приваривают к обечайке угло­выми швами. Сварные соединения листовых элементов обечайки нахлесточные. При этом днища делают коническими или даже плоскими. Плоские днища просты для изготовления, но при нагружениях возникают значительные напряжения от изгиба, и воз­можно возникновение пластических деформаций. Для исключения пластических деформаций используют днища с отбортовкой.

Цилиндри­ческая часть имеет продольные стыковые швы, расположенные вразбежку, и кольцевые нахлесточные соединения с угловыми швами. Толщина стенок цилиндрической части и днища s=4 мм. Днища сварены из нескольких листов стыковыми соединениями и имеют эллиптическую форму. Сопряжения цилиндра с днищем плавные.

В цистернах, предназначенных для транспортирования жидких продуктов, при движении возникают удары жидкости в днище, равносильные возникновению избыточного внутреннего давле­ния. Поэтому все соединения транспортных цистерн выполняют стыковыми, как в сосудах, работающих под внутренним давлени­ем, в том числе и соединение кромки отбортованного днища с цилиндрической обечайкой.