Расчет и проектирование горизонтального газгольдера

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Новосибирский государственный технический университет Кафедра инженерных проблем экологии КУРСОВОЙ ПРОЕКТ По дисциплине «Расчёт и проектирование систем обеспечения безопасности»

Тема: Расчёт и проектирование горизонтального газгольдера Выполнил: Гусев К. П.

Группа: СЭМ — 81

Студент: Кравчук Ирина Преподаватель:

Факультет: ЛА Новосибирск — 2013

Горизонтальные цилиндрические резервуары используют для хранения нефтепродуктов и сжиженных газов при атмосферном или повышенном давлении. Диаметр оболочки обычно не превышает трех метров, что связано с ограничениями железнодорожного габарита. Объем резервуаров для нефтепродуктов — до 1000 м³.

Горизонтальный резервуар состоит из корпуса (стенки), двух днищ, опорных диафрагм, промежуточных колец жёсткости, опор (рис. 1).

Днища резервуаров выполняют плоскими, сферической, конической или эллиптической формы.

Резервуары имеют промежуточные ребра жесткости и опорные ребра жесткости с треугольной диафрагмой. При надземной установке резервуары устанавливают на две железобетонные опоры с углом охвата 90⁰.

Резервуары устанавливают в любых районах, где температура окружающего воздуха не ниже минус 65⁰ С, а сейсмичность района может быть 7, 8 и 9 баллов.

В зависимости от расчетных температур районов эксплуатации горизонтальные резервуары изготавливают:

— при расчетной температуре до минус 40⁰ С из углеродистой стали марки Вст3кп2 по ГОСТ 380–88* для толщин до 4 мм и марки Вст3пс6 по ГОСТ 380–88* для толщины 6 мм и более;

Горизонтальные цилиндрические резервуары объемами от 3 до 100 м³ рассчитаны на внутреннее избыточное давление 0,04 и 0,07 МПа и имеют габаритные размеры: диаметры — от 1,4 до 3,24 м; длины — от 2,02 до 12 м.

В технологии изготовления горизонтальных резервуаров объемами от 3 до 100 м³ приняты следующие конструктивные решения:

— днища плоские (допускаемое внутренне избыточное давление 0,04 МПа);

— днища конические (допускаемое внутренне избыточное давление 0,07 МПа);

— стенки, изготовленные полистовой сборкой.

Область применения горизонтальных резервуаров ограничена тем, что они занимают большие площади, велика в таких резервуарах площадь зеркала продукта. Такие резервуары могут быть использованы на мылах распределительных нефтебазах и автозаправочных станциях. С 1948 г. широкое распространение получил рулонный метод изготовления и монтажа вертикальных резервуаров и газгольдеров. Для изготовления резервуарных конструкций был создан целый ряд рулонирующих установок, начиная с одноярусных с применением односторонней автоматической сварки.

Когда нельзя по каким-либо причинам использовать рулонные листовые заготовки, резервуар (днище, корпус) изготовляют из отдельных листов или укрупненных блоков (полистовая сборка). Это может быть, например, при сооружении резервуаров с толщиной стенки нижних поясов большей, чем это допускают условия рулонирования. Горизонтальные резервуары в отличии от вертикальных изготавливаются на заводах и поставляются на место в готовом виде. Применяются при транспорте и хранении нефтепродуктов на распределенных нефтебазах, а на нефтеперекачивающих станциях их используют как емкости для сбора утечек.

1. Расчёт и проектирование горизонтального резервуара

Таблица 1 — Исходные данные для расчёта

Материал конструкции — сталь марки: ВСт3сп5−2, класс стали С 285, листовая ТУ 14−1-3023−80.

Толщина проката — 10 мм. Заданный объём резервуара V = 50 м³

Плотность жидкости 1 т/м³. Избыточное давление Р_изб = 5,5•10^-3 кН/см². Нормальное давление вакуума = 0,1•10^-3 кН/см²

27 кН/см² (прил. А) при толщине стенок 4 — 10 мм.

Припуск на коррозию — Д = 0,1 мм. Допуск отклонения толщины листов — у= 0,4 мм. Место строительства — местность типа А.

1.1 Определение размеров резервуара

Определение оптимального диаметра резервуара

D_опт. = 0,8•,

где — заданный объём резервуара (м³).

D_опт. = 0,8• = 3 м.

Ввиду удобства транспортирования резервуара железнодорожным транспортом, примем диаметр: D = 3 м, следовательно радиус r = 1,5 м.

При плоских днищах длина резервуара составит:

l =

где r — радиус резервуара (м).

Подбираем листы для корпуса 1400Ч4000. Края листов уменьшаем на 10 мм, следовательно лист будет иметь размер 1390Ч3990.

При ширине листа В_л = 1,39, требуется следующее количество колец:

n_общ =

n = шт, следовательно, принимаем целое число колец, равное 54 шт.

Истинная длина резервуара: l = n_общ • В_л = 5•1,39 = 6,95 м. Фактический объём резервуара составит:

V_ф = р••l;

V_ф = 3,14•6,95•= 49,1 м³.

Фактический диаметр должен быть меньше заданного диаметра на 5%.

= 1,8 5%.

Так как 1,8? 5%, то фактический диаметр выбран верно.

Определим номинальную толщину стенки резервуара:

где ;

— плотность жидкости (т/м³);

— ускорение свободного падения (м/с²);

— коэффициент ;

= 0,8 — учёт вытяжки металла при вальцовке листов;

= 0,8;

— расчётное сопротивление стыкового шва растяжению при соответствующем контроле качества швов (= = 27 кН/см²).

— нормальное избыточное давление (Па).

= 0,148 см.

Учитываем минусовой допуск отношения толщины листов (см. табл. д = 0,4) и припуск на коррозию? = 0,1 мм. Получим, что требуемая толщина стенки равна

t_тр =1,48 + 0,4 + 0,1 = 1,98 мм.

Толщину стенки принимаем равной минимум 4 мм, следовательно t_тр = 4 мм.

резервуар горизонтальный газгольдер днище

1.2 Проверка устойчивости стенки

Расчётная толщина стенки принимается:

t_pw = t_тр — с₁ — д — ?;

t_pw = 4 — 0,8 — 0,4 — 0,1 = 2,7 мм.

Вычислим значение нормальных напряжений стенки резервуара:

где — нормальное давление вакуума

= 0,033 кН/см².

Нагрузка от собственного веса резервуара:

где К =1,1 — коэффициент, учитывающий наличие рёбер жёсткости и оборудование в резервуаре;

— удельный вес стали;

— объём стенки и днищ.

=(2р•r•l + K₂•r²)•,

где К₂ = 6,28 — при плоских днищах;

=(2•3,14•150•710 + 6,28•150²)• = 218 732,4 см².

= 2,9 •10^-2 кН/см.

Момент сопротивления кольцевого сечения:

W = р•r²•(- c₁)

W = 3,14•150²•0,27 = 19 076 см³.

Напряжение изгиба от собственного веса:

73 кН/см².

= 0,3 227 кН/см²

= 0,3 373 кН/см²

Дополнительный коэффициент .

= 1,0043.

кН/см².

Кольцевое напряжение:

.

= 0,0667 кН/см².

= 0,447 кН/см²,

где = 0,5 (прил. А) — коэффициент для местности типа А.

= 0,23 • 10^-4 — ветровая нагрузка для региона

0,0667 + 0,447 = 0,0712 кН/см².

Отношение радиуса к его толщине: r/ = 150/0,27 = 556 (),

в этом случае рассчитываем критические напряжения.

где с = 0,13 (прил. А) при r/= 556.

— коэффициент, учитывающий неравномерность сжатия оболочки по сечению, вследствие её изгиба.

Е — модуль упругости материала.

.

Критическое кольцевое напряжение

0,55,

где l₀ = l•0,568 = 710•0,568 = 403,28 см; кольца жёсткости учитываются только на опорах.

0,55 = 0,322 .

.

= 0,8 для расчета на устойчивость меньше 0,8 следовательно, устойчивость стенки обеспечена.

Таким образом, устойчивость стенки резервуара обеспечена даже без учёта промежуточных ребер жесткости. Однако, установка промежуточных ребер обязательна, поскольку r/t_w = 150/0,27 = 555 > 200.

1.3 Расчёт плоских безрёберных днищ

Предварительно следует назначить сечение кольца жёсткости в плоскости днища из неравнополочного прокатного уголка. Принимаем уголок Так же следует задаться толщиной днища t_дн = 4…5 мм и проверить на прочность:

где — нормальное радиальное напряжение в центре днища;

= 0,8.

— давление в центре днища;

D — диаметр сечения резервуара;

— расчётная толщина днища в центре с учётом отклонений по толщине листов и припусками на коррозию = 4,5 мм.

— прогиб плоского днища в центре, определяемый по формуле [3]:

где = 0,3 — коэффициент Пуассона;

— сечение кольца жёсткости;

— момент инерции сечения кольца жёсткости относительно центра днища;

у — ордината внешней поверхности уголка кольца жёсткости относительно центра днища.

1.4 Расчёт плоско-ребристых днищ

Плоское днище опирается на n_p радиально расположенных рёбер. Для расчёта выделяется полоска единичной ширины, которая опирается на радиальные рёбра как неразрезная балка (рис. 2) работающая по схеме изгибно-жёсткой нити.

Рисунок 2 — Расчётная схема обшивки стенок и кровли покрытий

Расстояние между рёбрами по краю днища:

.

Чтобы рассчитать полоску днища по балочной схеме, необходимо отступить от края днища примерно на 0,9•. Тогда

.

Полоска днища воспринимает растягивающее усилие Н и изгибающий момент, который будет максимальным над ребром (опорой); проверяется на прочность по формуле:

; ;

; ;

— площадь сечения полоски днища;

W = - момент сопротивления сечения полоски;

J = - момент инерции сечения полоски;

г_с = 1.

В случае если прочность днища недостаточна, то надо увеличить количество радиальных рёбер. Радиальное ребро проверяют на прочность, как балку на двух опорах.

1.5 Расчёт днища на прочность

Примем кольцо жёсткости в плоскости днища из неравнополочного прокатного уголка (А_уг = 9,58 см²; J_x0 = 98,3 см⁴; у₀ = 32,3 мм; х₀ = 14,2 мм) = 5 мм. С учётом отклонений по толщине листов и припуска на коррозию = 4,5 мм. Требуется проверить на прочность безрёберное днище.

Для расчёта днища гидростатическое давление принимается равномерным и равным давлению в его центре при полном заполнении резервуара жидкостью. Суммарное давление и избыточное давление в центре днища:

= 0,0082 кН/см².

Момент инерции сечения кольца жёсткости относительно центра днища:

J_x = J_x0 +А_уг•(r — t_ст — у₀)² = 98,3 +9,58•(150 — 0,27 — 3,23)² = 205 707 см⁴.

Ордината внешней поверхности уголка относительно центра днища

y = r — t_ст = 150 — 0,4 = 149,6 см.

Прогиб центра днища от равномерного давления на него

Прочность днища обеспечена в центре. Однако по контуру днища будет существенное влияние на напряжённое состояние местный изгибающий момент от внецентренного крепления днища к кольцу жёсткости. Поэтому окончательно суждение о прочности днища будет дано ниже.

1.6 Расчёт на прочность сопряжения плоского днища со стенкой

Нормальное радиальное напряжение на контуре днища равно

где Коэффициент определён, как для мембраны с несмещающимся контуром, сравнивая значения напряжений в центре и по контуру.

.

Часть напряжений воспринимается кольцом жёсткости, а другая часть — цилиндрической оболочкой (стенкой) в зоне центра тяжести сечения кольца жёсткости:

где — коэффициент деформации днища.

Вследствие внецентренного приложения усилия от днища в зоне сопряжения днища со стенкой возникает изгибающий момент.

где е = = 1,67 см.

= = = 2,4 кН.

Нормальные напряжения в стенке (и в днище тоже) от момента значительны. При этом не учитывается влияние момента краевого эффекта, аналогичного моменту в зоне сопряжения стенки с днищем вертикального цилиндрического резервуара, который снижает действие .

1.7 Проверка на прочность стенки и днища резервуара в узле их сопряжения

Напряжение в стенке без учёта краевого эффекта (t_cт = 4 мм)

= 32,4 ;

прочность стенки не обеспечена.

Напряжение в днище

прочность днища не обеспечена в этой зоне. Следует плоское днище укрепить рёбрами жёсткости. Вычислим в зоне сопряжения днища со стенкой изгибающий момент краевого эффекта М₀. Предварительно найдём коэффициенты и свободные члены канонического уравнения метода сил:

= 0,25 ;

P =

Подставляем полученные значения в уравнение

отсюда М₀ = 0,071 кН.

Суммарный изгибающий момент в зоне краевого эффекта

Проверим стенку резервуара на прочность в зоне краевого эффекта без учёта меридиональных напряжений, величина которых незначительна

.

Прочность стенки резервуара в зоне краевого эффекта недостаточна. Однако если принять кольцо жёсткости днища в соответствии с (рис 2), то и остаётся только М₀. При этом то есть прочность стенки обеспечена.

Рисунок 3 — Рациональные типы сечений кольца жёсткости

Проверим на прочность вариант плоско-ребристого днища толщиной t_дн = 5 мм.

Конструкцию плоско-ребристого днища примем, как показано на рис.

Ребро-пластина толщиной 10 мм и шириной .

Расстояние между рёбрами по краю днища:

== 39,25 см.

Расчётный пролёт полоски днища

.

Стрелу прогиба единичной ширины полоски днища, как изгибно-жёсткой нити, при расчётном давлении P_u = 5,5• кН/см² и расчётной толщине днища t_дн.р = 4,5 мм приближённо можно определить по формуле

.

Распор изгибно-жёсткой нити

кН/см.

Коэффициент

.

Опорный момент полоски единичной ширины (изгибно-жёсткой нити)

= - 0,309 кН.

Проверка на прочность днища по формуле

прочность плоского днища с радиальными рёбрами обеспечена.

Стоит заметить, что толщины стенки и днищ резервуара определяются зоной краевого эффекта.

Произведём расчёт кольцевых швов, соединяющих кольцо жёсткость с днищем и со стенкой (рис 3).

Рисунок 4 — К расчёту кольцевых швов

Кольцевые швы, соединяющие днище с кольцом жёсткости, воспринимают радиальные усилия по контуру днища .

Напряжение в кольцевом шве от

и от момента

взаимно перпендикулярны; 4 см — расстояние между центрами сечений сварных швов.

Примем полуавтоматическую сварку электродной проволокой маркой С_в-08А (R_wf = 18,0 кН/см²).

Расчётное сопротивление по металлу границы сплавления шва

R_wz = 0,45• R_un = 0,45•380 = 171 МПа.

Примем K_f = 4 мм. Коэффициент проплавления шва: — для электродной проволоки диаметром менее 1,4 мм.

Следовательно, расчётным сечением будет по металлу шва.

Результирующее напряжение в шве

=18

Кольцевые швы, которые соединяют стенку резервуара с кольцом жёсткости, воспринимают усилие результирующий момент М и сдвигающее усилие Т между кольцом жёсткости и стенкой от гидростатического давления жидкости Т_ж и собственного веса резервуара Т_с.в, то есть

Т = Т_ж + Т_с.в = 0,5/2

Напряжение в кольцевом шве от

от момента

от сдвигающего усилия

Результирующее напряжение в шве

Принимаем все швы кольцевыми.

1.8 Расчёт опорного кольца жёсткости резервуара

В опорных сечениях стенка резервуара укрепляется кольцом жёсткости, в плоскости которого размещена диафрагма в виде одного или двух горизонтальных стержней, квадрата или треугольника. Треугольные диафрагмы применяют для резервуаров объёмом 50 м³ и более. При меньших объёмах достаточно укреплять кольцо жёсткости одним горизонтальным стержнем, располагаемым обычно на уровне верха седловой опоры.

Седловые опоры бывают с углами охвата резервуара 60⁰, 90⁰, 120⁰. Наиболее рациональная седловая опора с углом охвата 120⁰ (рис 5).

Ширина седловой опоры при объёме 50 м³ равна 300 мм.

Рисунок 5 — Схема седловой опоры с углом охвата 120⁰ и диафрагмой в виде треугольника

Рассчитывают опорное кольцо жёсткости совместно с диафрагмой, как статически неопределённую систему. В сечениях кольца от собственного веса резервуара и гидростатического давления жидкости при полном заполнении резервуара возникают изгибающие моменты М_к. продольные N_k и поперечные силы Q_k. Изгибающий момент определяется по формуле [6]

продольное усилие по формуле

где коэффициенты и определяются по рис. 6 для диафрагмы в виде треугольника,

— плотность жидкости;

;

G — собственный вес резервуара с оборудованием.

Рисунок 6 — Эпюры коэффициентов для М и N кольца, укреплённого треугольником

Следует иметь в виду, что усилия, определяемые выше, приходятся на два кольца.

На прочность проверяется обушок уголка, так как конец пера уголка, приваренный к стенке, будет работать совместно со стенкой.

где = 1.

Усилия и должны быть со своими знаками. Сечения уголков задаются, проверяют их и в случае надобности корректируют.

Сварные швы, прикрепляющие опорное кольцо жёсткости к стенке, передают на кольцо сдвигающие усилия Т от гидростатического давления жидкости Т_ж и веса резервуара Т_с.в..

Максимальное сдвигающее усилие Т, приходящееся на два опорных кольца, находится в сечении стенки на уровне горизонтального диаметра, то ести при, и определяется по формуле

Т = Т_ж + Т_с.в..

Рассматриваемые сварные швы проверяют по металлу шва

и по металлу границы сплавления

где — катет сварного шва, принимаемый равным 4 мм;

и — коэффициенты проплавления сварного шва.

1.9 Расчёты опорного кольца жёсткости с диафрагмой в виде треугольника

Требуется проверить сечение опорного кольца жёсткости в виде неравнополочного уголка 100 (А_к = 9,58 см², W_x,max = 30,43 см³; W_x,min = 14,46 см³) для резервуара радиусом r = 150 см, длиной 710 см, t_ст = 2,7 мм, в котором хранится жидкость плотностью. Кольцо жёсткости укреплено диафрагмой в виде треугольника (стержни — из). Днища — плоские ребристые.

Опорное кольцо жёсткости резервуара воспринимает нагрузку в виде собственного веса резервуара и гидростатического давления жидкости. Определим собственный вес порожнего резервуара с оборудованием

Равномерно распределённая нагрузка от собственного веса резервуара

= 0,0285 кН/см.

Максимальный изгибающий момент в сечении кольца

на два кольца.

продольное усилие в сечении опорного кольца (рис. 7)

— на два кольца.

Нормальное напряжение в сечении кольца

Усилия и должны быть со своими знаками. Сечения уголков задаются, проверяют их и в случае надобности корректируют.

Рисунок 7 — Опорное кольцо жёсткости с треугольной диафрагмой

Проверим на прочность и устойчивость стержни диафрагмы.

Сжимающие усилия в наклонных стержнях диафрагмы

.

Растягивающее усилие в горизонтальном стержне диафрагмы

= 89,6 кН.

Проверка горизонтального стержня на прочность

Уменьшим сечение горизонтального стержня и примем (А_к = 4,8 см²):

.

Проверка наклонных стержней на устойчивость.

Длина стержня

Для уголка минимальный радиус инерции гибкость стержня

При R_y = 227 кН/см² коэффициент продольного изгиба

устойчивость наклонных стержней диафрагмы обеспечена.

Цифра 2 в знаменателе означает, что полученные усилия в сечении стержня приходятся на два опорных кольца.

1.10 Выбор люка-лаза

Для данного резервуара необходимо установить люк-лаз. Остановим свой выбор на люке ЛЛ-600.

Рисунок 8 — люк-лаз ЛЛ-600

Люки-лазы ЛЛ-600 (табл. 2), предназначены для внутреннего осмотра, ремонта и очистки резервуаров для хранения и раздачи нефти и нефтепродуктов (ТУ 3689−019−3 467 856−2001. Сертификат соответствия РОСС RU. H004.H00325 с 01.08.2006 по 01.08.2009. Разрешение Ростехнадзора на применение № РРС 00−21 931 с 04.08.2006 по 04.08.2009).

Корпус люка состоит из обечайки с приваренным к ней фланцем. К фланцу корпуса болтами и гайками через прокладку, обеспечивающую герметичность соединения, крепится крышка. На крышке имеются ручки для транспортировки люка в собранном состоянии или для её открывания.

По устойчивости к воздействию климатических факторов соответствует исполнению УХЛ категории размещения 1 по ГОСТ Р 15 150−69. Для удобства открывания и закрывания люки оборудованы поворотным устройством.

Средний ресурс — 5000 циклов. Под циклом понимается одно открытие и закрытие люка. Срок службы люка — 15 лет.

Таблица 2 — Технические характеристики люка-лаза ЛЛ-600

Заключение

В заключение следует сделать выводы по конструктивным решениям рассчитанного в данной работе резервуара.

Газгольдер — листовая конструкция объёмом 50 м³, состоящая из металлических листов размером 1400Ч4000 мм, предназначенная для хранения нефти различных сортов. Диаметр рассчитанного резервуара равен 3000 мм, длина — 6950 мм, фактический объём составил 49,1 м³. Толщина стенок резервуара составила 2,7 мм, толщина днища — 4,5 мм. Днище — плоское ребристое с количеством рёбер жёсткости — 24 шт. Конструктивные особенности резервуара включают 5 колец жёсткости с треугольной диафрагмой. Днище и стенки резервуара соединены при помощи неравнополочных уголков размером .

Для удобства эксплуатации резервуара применён люк-лаз ЛЛ-600 с внутренним диаметром, равным 600 мм и максимальным диаметром крышки, равным 755 мм.

Для данной листовой конструкции применены однопроходные кольцевые сварные швы.

Приложение

Таблица 1 — Сопротивления сталей по текучести

Таблица 2 — Предельные отклонения по толщине листов

Таблица 3 — Значения коэффициента с

Таблица 4 — Значения коэффициента k₀, z-габаритный размер резервуара (высота)

Список использованных источников

1. Нехаев Г. А. Проектирование и расчёт стальных цилиндрических резервуаров и газгольдеров низкого давления/ Г. А. Нехаев. — М.: ABC, 2005. — 216 с.

2. Металлические конструкции: общий курс: Учеб. для вузов. — 7-е изд./ Под ред. Г. С. Веденникова. — М.: Стройиздат, 1998. — 760 с.

3. Металлические конструкции. В 3-ч т. Т.2. Стальные конструкции зданий и сооружений. (Справочник проектировщика) / Под общ. ред. В. В. Кузнецова (ЦНИИПСК им. Н. П. Мельникова). — М.: Изд-во АВС, 1998. — 512 с.

4. Прочность. Устойчивость. Колебания. Т.1. Справочник в трёх томах / Под ред. И. А. Биргера и Я. Г. Пановко. = М.: «Машиностроение», 1968. — 831 с.

5. Сопротивление материалов / Под общ. ред. А. Ф. Смирнова, — 2-е изд., переработанное. — М.: «Высшая школа», 1969. — 600 с.

6. Лессиг Е. Н. Листовые металлические конструкции. — М.: Изд. литературы по строительству, 1970ю — 488 с.