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

Введение

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 [1] (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 - Δ = 0,1 мм. Допуск отклонения толщины листов - σ= 0,4 мм. Место строительства - местность типа А.

1.1    Определение размеров резервуара

Определение оптимального диаметра резервуара

D_опт. = 0,8∙,

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 1400×4000. Края листов уменьшаем на 10 мм, следовательно лист будет иметь размер 1390×3990.

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 = π∙∙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. δ = 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 - δ - ∆;

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.

 =(2π∙r∙l + K₂∙r²)∙,

где К₂ = 6,28 - при плоских днищах;

 =(2∙3,14∙150∙710 + 6,28∙150²)∙ = 218732,4 см².

 = 2,9 ∙10^-2 кН/см.

Момент сопротивления кольцевого сечения:

W = π∙r²∙( - c₁)

W = 3,14∙150²∙0,27 = 19076 см³.

Напряжение изгиба от собственного веса:

,00073 кН/см².

 = 0,03227 кН/см²

 = 0,03373 кН/см²

Дополнительный коэффициент [2] .

 = 1,0043.

 кН/см².

Кольцевое напряжение:

.

 = 0,0667 кН/см².

 = 0,00447 кН/см²,

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

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

0,0667 + 0,00447 = 0,0712 кН/см².

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

в этом случае рассчитываем критические напряжения.

 - 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.

.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.

.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;

γ_с = 1.

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

.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 = 205707 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.

.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:

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.

.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.

.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.

.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 3689-019-03467856-2001. Сертификат соответствия РОСС RU.H004.H00325 с 01.08.2006 по 01.08.2009. Разрешение Ростехнадзора на применение № РРС 00-21931 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 15150-69. 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 1400×4000 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.

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

.        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.

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

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

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