Горизонтальные цилиндрические резервуары

(цистерны)

Горизонтальные цилиндрические резервуары имеют несколько больший удельный расход металла (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.

Горизонтальные цилиндрические резервуары проектируют диаметром до 4 м и длиной – до 40 м, как правило, двухопорными.

Оптимальный диаметр резервуара зависит от давления:

при р₀ ≤ 0,07 МПа D_opt = 0,8 ³ V ;

при р₀ > 0,07 МПа D_opt = 0,6 ³ V .

Для удобства транспортирования диаметры резервуаров принимают не более 3,25 м, такие конструкции считаются самыми экономичными в связи с возможностью полной заводской готовности. Вместимость резервуаров для хранения нефтепродуктов – до 100 м³, для сжиженных газов – до 300 м³. Длина корпуса резервуаров может быть от 2 до 27 м, толщина стенки

4 … 36 мм.

Корпус горизонтального резервуара состоит из нескольких листовых обечаек, свальцованных на цилиндрических валках из одного или нескольких листов шириной 1500…2000 мм, сваренных встык. Кольцевые соединения при толщине стенки до 5 мм выполняют внахлестку, при большей толщине – встык. Монтажный стык можно сваривать как встык, так и внахлестку. Для восприятия внешнего давления, вакуума и обеспечения жесткости при транспортировке и монтаже обечайки усиливают опорными и промежуточными кольцами жесткости из уголков, приваренных пером к листу (при

r / δ < 200 промежуточные кольца жесткости можно не ставить).

Так как давление р от массы жидкости, как правило, очень мало, то определение толщины стенок на основании формулы (5.4)приводит к очень малому значению δ. Цистерны с такими стенками не обладают достаточной жесткостью, поэтому расчетные давления определяют согласно специальным ТУ.

Конструктивные формы цистерн и типы сварных соединений выбирают в зависимости от условий работы.

Расчет днищ и крышек выполняют по ГОСТ 14249-80, СТ СЭВ 1039-78, СТ СЭВ 1048-78, СТ СЭВ 1041-78.

Для эллиптических отбортованных (рис. 5.15, а) и полусферических отбортованных (см. рис.5.15, б) днищ расчет применим при условии

δ_Д – с Н_Д

0,002 ≤ ≤ 0,1; 0,2 ≤ ≤ 0,5.

D D

Толщина стенки днища, нагруженного внутренним избыточным давлением,

р_Р R

δ_ДР = ; (5.24)

2 φ¹[σ] – 0,5 p_р

δ_Д = δ_ДР + c, (5.25)

D_H D_H D_H

D h_Ц D D

h_Ц

h_Ц

R Н_Д Н_Д.Н R α₁ Н_Д

δ _Д

δ _Д

δ_Д

а) б) в)

D_H D_H

D D D

R_Б h_Ц α₁ Н_Д α₁

Н_Д.Н Н_Д δ_Д

δ _Д

δ_Д δ

d

г) д) е)

D_H

R ≤ D_H

δ ₁ D

δ _Д

Н_Д.Н δ_Д D_H

ж) з)

Рис. 5.15.К расчету днищ цистерн

где δ_ДР – расчетная толщина днища; р_Р – расчетное давление; φ¹ – коэффициент прочности сварных швов.

Радиус кривизны в вершине днища

D ²

R = ,

4 Н_Д

где R = D для эллиптических днищ с Н_Д = 0,25 D; R = 0,5 D для полусферических днищ с Н_Д = 0,5 D.

Допускаемое внутреннее избыточное давление рассчитывают по формуле

2 (δ_Д – с) φ [σ]

[p] = . (5.26)

R + 0,5 (δ_Д – с)

Если длина цилиндрической отбортованной части

h_Ц ≥ 0,8 D ( δ_Д – с ) - для эллиптического днища или h_Ц>0,3D (δ – c) – для полусферического днища, то толщина днища должна быть не менее толщины стенки сопрягаемой с ним обечайки при φ ¹ = 1.

Формулы расчета сферических крышек и днищ, нагруженных внутренним избыточным давлением, применимы при условиях

δ – с

≤ 0,1; 0,95 D ≤ R ≤ D.

R

Толщину сферической крышки (рис.5.16) рассчитывают по формулам

0,58 p_P R

δ_Р = ;

φ¹ [σ ]

δ = δ_P + c.

Допускаемое внутреннее избыточное давление

1,73 ( δ – c) [σ ] φ¹

[p] = .

R

δ δ

D D

а) б)

Рис.5.16. Крышки цистерн: а – эллиптическая с плоским фланцем;

б – сферическая с угловым сварным соединением с фланцем.

Толщину сферического неотбортованного днища (рис.5.17) определяют по формулам

0,72 p_P R

δ_P = ;

φ ¹[σ ]

δ = δ_P + c.

Допускаемое внутреннее избыточное давление

1,38 (δ – c) [σ ] φ¹

[p] = .

R

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 в изготовлении, но при нагружениях возникают значительные напряжения от изгиба и возможно возникновение пластических деформаций. Для исключения пластических деформаций используют днища с отбортовкой.

В цистернах, предназначенных для транспортирования жидких продуктов, при движении возникают удары жидкости в днище, равносильные возникновению избыточного внутреннего давления. Поэтому все соединения

D

R

H_Д

≥ 2 δ

δ

Рис.5.17. К расчету толщины сферического неотбортованного днища

транспортных цистерн выполняют стыковыми, как в сосудах, работающих под внутренним давлением, в том числе и соединение кромки отбортованного днища с цилиндрической обечайкой.

Резервуары с плоскими мембранными днищами (рис.5.18, а) применяют при избыточном давлении до 0,04 МПа, с коническими (рис. 5.18, б) – до 0,07 МПа, при расчетном вакууме 0,001 МПа. При избыточном давлении более 0,25 МПа рекомендуется применять полусферические и эллипсоидальные днища (рис.5.18, в и г).

Если днище сосуда высокого давления ( р > 0,07 МПа) является составным из нескольких листов, то расстояние от оси шва до центра днища не должно превышать 0,2 диаметра днища.

В целях возможности проведения эффективного осмотра швов не разрешается располагать продольные сварные швы в горизонтальных сосудах в пределах центрального угла захвата нижней части корпуса, равного 140 ⁰ (рис.5.19). Кроме того, сварные швы располагают вне опор сосудов.

Исходными данными для расчета цистерн на прочность являются;

-внутреннее рабочее давление, зависящее от свойств транспортируемого материала или условий транспортирования его при погрузке-выгрузке;

-возможное давление при вакууме, возникающем при погрузке и выгрузке материалов;

-объем цистерны, ее геометрические размеры и принятое расположение опорных устройств;

-материал цистерны и допускаемые напряжения;

-масса технологического оборудования m_T и материала.

а) б) в) г)

Рис.5.18: Схемы днищ транспортных цистерн: а- плоское;

б- коническое; в- сферическое; г- эллипсоидальное

2

140⁰ 1

Рис.5.19: Схема расположения продольных сварных швов цистерны:

1- зона, в которой швы не располагают; 2- сварной шов

Расчет выполняют в следующей последовательности.

1.Составляют расчетную схему цистерны (рис.5.20 ) с указанием необходимых геометрических размеров.

2.Определяют внутреннее давление р _в в цистерне по данным технических характеристик или характеристик транспортируемого материала.

3.Вычисляют толщину обечайки и днищ цистерны.

Толщину обечайки δ_ОБ рассчитывают по уравнениям для определения толщины стенок тонкостенных сосудов, в основу которых положена первая или четвертая гипотезы теории прочности. Первая гипотеза основывается

на предположении, что в тонкостенных сосудах, работающих под внутренним давлением, наиболее опасными являются кольцевые напряжения.

Максимальные кольцевые напряжения в нижней части корпуса

(р_и + γ_ж 2 r₂ )r ₂

σ₂ = ≤ [ σ ], (5.27)

δ

где р _и – величина избыточного давления паровоздушной смеси; γ _ж - удельный вес жидкости; r ₂ – кольцевой радиус оболочки; δ – толщина оболочки.

Меридиональные напряжения

σ ₁ = σ ₁¹ + σ ₁¹¹ ≤ [ σ ],

где σ ₁¹ – напряжение от избыточного и гидростатического давления на днище:

( р_и + γ _ж r₂ )r₂

σ₁¹ ≈ ; (5.28)

2 δ

σ ₂¹¹ – напряжение от изгиба резервуара как обычной балки под действием поперечных нагрузок:

G ℓ₀²

+ γ _ж π r ₂² - с ²

M ℓ _р 8

σ ₁¹¹ = = , (5.29)

W π r ₂² δ

где W = π r² δ – момент сопротивления кольцевого сечения корпуса;

ℓ _р = V / ( π r₂ ² ) – расчетная длина ( габаритный размер ) резервуара (см.рис.5.20 ); ℓ ₀ = 0,586 ℓ _р – расстояние между осями опор; с- вылет консоли ( см. рис. 5.20 ); G – масса корпуса и жидкости.

Знак приближенного равенства ( 5.28) вызван тем, что равнодействующая гидростатического давления приложена со смещением относительно продольной оси резервуара.

δ ℓ _р²

При величине критерия ≥ 10 резервуары на изгиб рассчитывают как

r₂²

δ ℓ _р²

балку кольцевого сечения , а при < 10 - как цилиндрическую

r₂²

оболочку.

При r₂ / δ > 200 стенку оболочки усиливают кольцами жесткости. Их наличие приближает работу стенки резервуара к работе балки кольцевого сечения.

При этом

р_В D_ОБ.ВН р_В D_ОБ.Н

δ_ОБ = + с или δ_ОБ = + с,

2 [σ ] φ - р_В 2 [σ ] φ + р_В

где D _{об. вн} и D _{об. н} – соответственно внутренний и наружный диаметр обечайки; [σ ] – допускаемое напряжение для материала стенки цистерны; φ – коэффициент, учитывающий влияние сварки ( табл.5.2 ); с – поправка, учитывающая коррозию и неточность изготовления проката ( для углеродистой стали с = 0,3 мм на каждый год в течение 5 лет эксплуатации).

ℓ _р

H ℓ_K

A δ _ОБ

δ _ДН

D_ОБ.Н D_ОБ.ВН

R_A R_B

с=h/3 D A B с = h/3 A-A

y

ℓ ₀ a

q b х

M_A M_B у δ_ОБ

M_max

Рис.5.20. Расчетная схема цистерны

Расчет по приведенным формулам дает несколько завышенную толщину обечайки, поэтому для тонкостенных сосудов, работающих при температурах не выше 250⁰ С, по рекомендации Госгортехнадзора толщину обечайки можно определить по четвертой гипотезе теории прочности, согласно которой опасное состояние характеризуется предельным значением удельной потенциальной энергии, накопленной в стенках сосуда. При этом

р_В D_ОБ.ВН р_В D_ОБ.Н

δ_ОБ = + с или δ_ОБ = + с,

2,3 [σ ] φ - р_В 2,3 [σ ] φ + р_В

Таблица 5.2

Коэффициент φ, учитывающий ослабление сварного соединения по сравнению с основным материалом , при растяжении

Для вычисления толщины эллиптических днищ цистерны можно использовать формулу ЦКТИ им. Ползунова для паровых котлов:

р_В D_ОБ.ВН D_ОБ.ВН

Δ _ДН.ЭЛ = + c ,

4 [σ] φ - р_В 2 h

где h – высота выпуклой части днища цистерны; “c” принимают в зависимости от толщины днища.

Толщину плоского днища рассчитывают так же, как металлические мембраны. В большинстве случаев толщину таких днищ, усиленных косынками и кольцами жесткости, принимают на 10…12 % больше толщины обечайки.

При расчете цистерны эллиптической формы вместо D_ОБ.ВН в формулы расчета толщин стенок подставляют значение большей оси эллипса “a”.

4.Проверяют устойчивость формы цистерны от воздействия внешнего давления и давления при вакууме по критическому давлению р_КР, которое зависит от геометрической формы, размеров цистерны и механических свойств материала:

2 Е (δ_ОБ – с) 1

р_КР = х

D_ОБ.ВН π D_ОБ.ВН ²

n² + 0,5

2ℓ

2

1 4 (δ_ОБ – с) ² π D_ОБ.ВН

х + n² + ,

2 ℓ 2 11 (D_ОБ.ВН) ² 2 ℓ

n ² + 1

π D_ОБ.ВН

где Е – модуль упругости материала; ℓ - расстояние между уголками колец жесткости; n – число волн, образующихся в результате смятия цистерны (n = = 6…8).

Для обеспечения устойчивости цистерны должно выполняться условие

р_КР

= 5…6.

р_ВК

5.Проверяют прочность цистерны на восприятие изгибающего момента, рассматривая цистерну как балку, лежащую на двух опорах и нагруженную распределенной нагрузкой от сил тяжести цистерны G_Ц, технологического оборудования G_Т и материала G_M:

G_Ц + G_Т + G_М

q = .

L_P

Условие прочности цистерны имеет вид

M_max

σ_И = ≤ [σ ],

W

где σ_И – напряжение при изгибе; M_max – максимальный изгибающий момент; W – момент сопротивления цистерны; для цистерны цилиндрической формы

π 2

W = D_ОБ.ВН + D_ОБ.Н ( δ_ОБ – с );

для цистерны эллиптической формы

π π

W _yy = ( a₁³ b₁ – a ³ b) и W_xx = ( a₁b₁³ – ab ³ ) ;

32 a₁ 32 b₁

здесь а₁ = а + (δ_ОБ – с); b₁ = b + (δ_ОБ – с) ; при этом в расчете принимают наименьшее значение W.

Если цистерна установлена на трех опорах, то M_max определяют по уравнению трех моментов.

6.Проверяют устойчивость цистерны цилиндрической формы при восприятии изгибающего момента по критическому напряжению σ_КР в крайнем волокне изгибаемой цистерны. Ориентировочно

2 δ_ОБ ²

σ_КР = 1,37 Е ,

D_ОБ.Н

где Е – модуль упругости материала цистерны.

Коэффициент запаса устойчивости цистерны цилиндрической формы от действия изгибающих нагрузок должен быть i = σ_КР / σ ≥ 2. При i < 2 в цистерне следует устанавливать кольца жесткости.

7.Проверяют возможность вмятия цистерны под опорой по критической нагрузке:

k E J

р_КР = 8 ,

D_ОБ.Н ³

где k – коэффициент ( k = 3 при отсутствии распорных стержней и k = 8 при наличии распорной рамы); Е – модуль упругости материала; J – момент инерции сечения стенки вместе с подкладным листом на длине ℓ =

= ( 20…30) δ_ОБ.

Фактическая удельная нагрузка, приходящаяся на подкладной лист,

R _A

р_УД = ,

α

D_ОБ.Н sin

где R_A – реакция опоры; α – угол захвата опорной стенки ( обычно 120⁰…140⁰).

Условие устойчивости стенки цистерны

р_КР

≥ 5.

р_УД

8.Днища и обечайки, ослабленные отверстиями, укрепляют с помощью привариваемых воротников, штуцеров и фланцев. Укрепление является обязательным при диаметре присоединенного к отверстию патрубка более 50 мм или при диаметре отверстия для цилиндрической обечайки:

Поиск по сайту: