Презентация - Лекция 8 "Основные особенности листовых конструкций и их расчета. Резервуары"

ЛЕКЦИЯ 8 Основные особенности листовых конструкций и их расчета. Резервуары. Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

8.1. Общие сведения и особенности листовых конструкций Листовыми называются конструкции, состоящие в основном из металлических листов и предназначенные для хранения или транспортирования жидкостей, газов и сыпучих материалов. К листовым конструкциям относятся: резервуары для хранения нефтепродуктов, воды и других жидкостей; газгольдеры для хранения и распределения газов; бункера и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов; трубопроводы больших диаметров для транспортирования жидкостей, газов и размельченных или разжиженных твердых веществ; специальные конструкции металлургической, химической и других отраслей промышленности (кожухи доменных печей, воздухонагревателей, пылеуловителей, электрофильтров, сосуды химической и нефтегазовой аппаратуры и т. д.); дымовые и вентиляционные трубы, сплошностенчатые башни, градирни; защитные сооружения-оболочки АЭС.

Рис. 8.1. Общий вид вертикального цилиндрического резервуара

Рис. 8.2. Общий вид газгольдера

Рис. 8.3. Общий вид бункера

Рис. 8.4. Общий вид силоса

Рис. 8.5. Трубопроводы для транспортировки нефти

Рис. 8.6. Дымовые трубы производственного назначения

Рис. 8.7. Градирни

Рис. 8.8. Защитные сооружения-оболочки АЭС

Условия работы листовых конструкций: надземными; наземными; полузаглубленными; подземными; подводными; могут воспринимать статические и динамические нагрузки; работать под низким, средним и высоким давлением, под вакуумом»; под воздействием низких, средних и высоких температур, нейтральных или агрессивных сред

8.2. Основные положения расчета листовых конструкций Поверхности тонкостенных оболочек вращения имеют одну или две (для сферических оболочек) оси симметрии и два радиуса кривизны, перпендикулярные поверхности: r 1 – меридиональный радиус, образующий кривую вращения; г 2 – кольцевой радиус вращения с началом на оси симметрии. Оболочкой называется тело, ограниченное двумя поверхностями, расстояние между которыми (толщина оболочки t ) мало по сравнению с другими ее размерами. Различают оболочки: положительной гауссовой кривизны ( сферические и эллиптические ) ; нулевой гауссовой кривизны ( цилиндрические и конические ) ; смешанной кривизны ( торообразные ) .

Под действием произвольной внешней нагрузки в оболочках возникают две группы усилий: нормальные N 1 и N 2 и сдвигающие S 1 и S 2 усилия, действующие в плоскостях, касательных к срединной поверхности оболочки; изгибающие моменты М 1 и М 2 , крутящие моменты М 12 и М 21 , и поперечные силы Q 1 и Q 2 Рис. 8.9. К расчету листовых конструкций: б – элемент оболочки с усилиями в срединной поверхности; в – элемент оболочки, находящейся в моментном напряженном состоянии

Если по толщине стенки оболочки напряжения постоянны, то напряженное состояние оболочки называется безмоментным и приводится к определению усилий первой группы. Если напряжения приводятся к усилиям второй группы, то напряженное состояние оболочки называется моментным . В зависимости от вида напряженного состояния различают безмоментную и моментную теории оболочек. Уравнение равновесия Лапласа: (8.1) (8.2) (8.3) Рис. 8.10. Общий вид оболочки вращения Напряжения:

Для цилиндрической оболочки из 8.1 получим значения кольцевых напряжений: (8.4) Для сферической оболочки кольцевой и меридиональный радиусы кривизны равны r 1 r 2 r и напряженное состояние в каждой точке во всех направлениях одинаково: (8. 5 ) Для конических оболочек r 1 , тогда меридиональные и кольцевые напряжения в любом сечении i определяют по формулам: (8. 6 ) β – угол между образующей конуса и его осью

Расчет на прочность листовых конструкций (оболочек вращения), находящихся в безмоментном напряженном состоянии: (8.7) где 1 , 2 – нормальные напряжения по двум взаимно перпендикулярным направлениям; τ s – касательные напряжения; R – расчетное сопротивление металла по пределу текучести Расчет на устойчивость цилиндрической оболочки вращения , подверженной одновременному действию сжимающих нагрузок, равномерно распределенных вдоль образующих, и внешнего равномерного давления Р: (8.8) Расчет на устойчивость сферической оболочки при r/t 750 и действии внешнего равномерного давления Р, нормального к ее поверхности : (8. 9 )

Расчет на устойчивость конической оболочки вращения , подверженной одновременному действию нагрузки N вдоль ее оси и внешнего равномерного давления Р, нормального к боковой поверхности : (8. 10 ) B цилиндрических оболочках изгибающий момент первой волны достигает нулевого значения на расстоянии π S м /4 от краевой линии. Характеристику S М можно определить : (8. 11 ) При сопряжении цилиндрических оболочек с плоским днищем краевой момент на 1 см длины: (8. 1 2) Дополнительные местные напряжения от изгиба в оболочке: (8. 1 3)

8.3. Классификация и назначение резервуаров Резервуарами называются сосуды, предназначенные для хранения нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов, воды, жидкого аммиака, кислот, технического спирта и других жидкостей. Рис. 8.11. Общий вид резервуара

В зависимости от положения в пространстве и геометрической формы резервуары делятся на: цилиндрические (вертикальные, горизонтальные); сферические; каплевидные; траншейные и др. По расположению относительно планировочного уровня строительной площадки резервуары различают: надземные (на опорах); наземные; полузаглубленные; подземные; подводные. Резервуары могут быть: постоянного объема; переменного объема. Рис. 8.12. Общий вид цилиндрического резервуара

8.4. Вертикальные цилиндрические резервуары низкого давления Рис. 8.13. Вертикальный цилиндрический резервуар объемом 5000 м 3 со стационарной конической крышей: 1- днище, 2 - стенка резервуара; 3 - крыша; 4 - центральная стойка, 5 - шахтная лестница Основными элементами резервуара являются стенка (корпус), днище и крыша (покрытие), выполняемые из листовой стали. Объем их колеблется в широких пределах – от 100 до 20 000 м 3 (для хранения легковоспламеняющихся жидкостей, например бензина) и до 50 000 м 3 (для хранения горючих жидкостей, например мазута).

8.4.1. Конструктивные особенности днищ Рис. 8.14. Общий вид днища резервуара

Рис. 8.15. Днище резервуара узел А Основная часть днища (полотнище) собирается из листов размером 1400х420 0 мм и толщиной 4 мм для резервуаров объемом до 1000м 3 ( D x 6000 или 2000 x8 000 мм для резервуаров большего объема, причем в этом случае толщина листов средней части принимается в зависимости от диаметра резервуара: t 5мм при D 18...25м; t 6 мм при D 25 м. Крайние листы (окрайки) принимают на 1 - 2мм толще листов средней части днища и для резервуаров объемом более 5000 м 3 выполняют в виде сегментов.

8.4.2. Конструирование стенок Рис. 8.16. Стенка резервуара Стенка резервуара состоит из ряда поясов высотой, равной ширине листа. Сопряжения листов в каждом поясе делаются встык. Пояса между собой могут соединяться встык или внахлестку в телескопическом или ступенчатом порядке. Рис. 8.17. Сопряжение листов стенки резервуара

Резервуары объемом до 30 тыс. м 3 сооружаются по типовым проектам только индустриальным методом из рулонных заготовок.

8.4.3. Расчет стенки на прочность Стенку резервуара рассчитывают на прочность по безмоментной теории как цилиндрическую оболочку, работающую на растяжение от действия гидростатического давления жидкости и избыточного давления газа. Расчетное давление на глубине х от днища резервуара: Рис. 8.18. Расчетная схема вертикального цилиндрического резервуара (8. 1 4) Толщина цилиндрической стенки корпуса резервуара на расстояниях х от днища: (8. 1 5) Прогиб стенки (радиальное перемещение) определяется по нормативному давлению: (8. 1 6) – коэффициент постели

8.4.4. Расчет стенки на устойчивость Проверка устойчивости стенки при сочетаниях нагрузок: вес покрытия и стенки с установленным технологическим оборудованием и теплоизоляцией; снеговая и ветровая нагрузки; избыточное давление и вакуум. Суммарные продольные напряжения в стенке от действующих нагрузок: (8. 1 7) Суммарные кольцевые напряжения в стенке от действующих нагрузок: (8. 1 8)

Критическая сила в кольце должна быть больше действующего в нем усилия от нагрузки, определяемой по формуле 8.18: (8.20) Если в результате расчета по условию 8.8 требуется значительно увеличить толщину стенки t , то оказывается целесообразным установить промежуточные кольца жесткости (от одного до трех), повышающие критические напряжения кр2 . Тогда напряжения: (8. 1 9) Рис. 8.19. Схема усиления стенки резервуара кольцами жесткости

8.4.5. Расчет сопряжения стенки с днищем В зоне сопряжения стенки резервуара с днищем за счет стесненности радиальных деформаций стенки днищем возникают изгибающий момент и поперечная. Предполагается, что полоски единичной ширины, вырезанные из стенки и днища, работают как балки на упругом основании (по гипотезе Винклера). Основную систему получили путем отрыва стенки от днища. Рис. 8.20. Равновесное состояние элемента оболочки (к выводу уравнения равновесия Лапласа)

Рис. 8.21. Узел сопряжения стенки резервуара с днищем: а - расчетная схема; б - основная система Максимальный изгибающий момент в днище: (8.21) Наибольшее напряжение в окрайках днища от изгибающего момента: (8.22)

8.4.6. Конструирование и основные положения расчета крыши Для резервуаров объемом до 5 тыс. м 3 применяется коническая щитовая кровля. Щиты состоят из каркасов, выполненных из прокатных или гнутых профилей, и обшивки из стальных листов толщиной 2,5-3 мм. Опираются щиты на стенку резервуара и центральную стойку, которая помещается внутри резервуара. Рис. 8.22. Коническая щитовая кровля

Рис. 8.23. Общий вид типового резервуара, изготовляемого методом рулонирования, со щитовой кровлей и схема его монтажа: 1 - стойка (труба d 630...7020 мм): 2 - центральный щит; 3 - «ловитель»; 4 - кровля; 5 - корпус

Рис. 8.24. Стальной вертикальный цилиндрический резервуар объемом 5000 м 3 с висячей кровлей: а - общий вид; б - план кровли; в - кольцо жесткости; г - схема кровли; д – зонт стойки кровли

Рис. 8.25. Схема сферического покрытия резервуара, собираемого из секторных щитов: 1 - центральное кольцо; 2 - щит; 3 - обвязочное кольцо Рис. 8.26. Схема сферического покрытия резервуара

Рис. 8.27. Схемы унифицированных щитов сферических покрытий для резервуаров объемом от 1 до 50 тыс. м 3

Рис. 8.28. Резервуар с понтоном 8.4.7. Конструкция резервуаров с понтоном Одной из разновидностей вертикальных цилиндрических резервуаров со стационарной крышей является резервуар с понтоном, который применяют для сокращения потерь на испарение нефти и нефтепродуктов. Понтон состоит из понтонного кольца, обеспечивающего плавучесть всего понтона, и центральной части из плоских стальных листов толщиной 4 мм, изготовляемых методом рулонирования. Понтонное кольцо выполняется из замкнутых коробов или из открытых отсеков, разделенных радиальными стенками.

Рис. 8.29. Вертикальный цилиндрическим резервуар объемом 50 тыс. м 3 с понтоном: 1 - сферическая крыша; 2 - шахтная лестница; 3 -направляющая труба понтона; 4 - понтон, 5 - закрытые отсеки понтона; 6 – стойки понтона; 7 - днище

Рис. 8.29. Вертикальный цилиндрический резервуар с плавающей крышей 8.4.7. Конструкция резервуаров с плавающей крышей При кратковременном хранении больших объемов нефтепродуктов (от 10 до 100 тыс. м 3 ) значительное сокращение потерь от испарения достигается в резервуарах с плавающей крышей.

Рис. 8.29. Вертикальный цилиндрический резервуар объемом 50 тыс. м 3 с плавающей крышей: 1 - кольцо , жесткости; 2 - рельсовый путь; 3 - катучая лестница; 4 - шахтная лестница; 5 - зазор между стенкой резервуара и понтоном; 6 - закрытые отсеки понтона, 7 - плавающая крыша

Рис. 8.30. Вертикальные цилиндрические резервуары повышенного давления 8.5. Вертикальные цилиндрические резервуары повышенного давления Резервуары повышенного давления применяются для хранения легкоиспаряющихся нефтепродуктов, например бензина. Для эффективной борьбы с потерями бензина в паровоздушной среде создается избыточное повышенное давление 10-70 к Па.

Рис. 8.31. Вертикальный цилиндрический резервуар повышенного давления со сфероцилиндрической крышей Крыша состоит из цилиндрических лепестков, образующих поверхность, близкую к поверхности вращения. Лепестки вальцуются только в меридиональном направлении. Между сфероцилиндрической поверхностью и стенкой имеется торовая вставка, также имеющая кривизну только в меридиональном направлении.

Рис. 8.32. Изотермический резервуар объемом 20 тыс. м 3 с двойной стенкой К резервуарам повышенного давления относятся также изотермические резервуары для хранения при постоянной отрицательной температуре сжиженных газов, например жидкого аммиака. Стенки и крыша двойные. Крыша внутреннего резервуара торосферическая, а наружного - сферическая. В промежутке между корпусами резервуара находится теплоизоляция: плиты из стекловаты между днищами и крышами, изоляционные плиты на стенках, а остальное пространство между вертикальными стенками заполняется перлитом плотностью около 200 кг/м 3 .

Рис. 8.33. Горизонтальные цилиндрические резервуары 8.6. Горизонтальные цилиндрические резервуары

Рис. 8.34. Горизонтальный цилиндрический резервуар Горизонтальные цилиндрические резервуары предназначены для хранения нефтепродуктов под избыточным давлением (до 0,2 МПа) и сжиженных газов (под давлением до 1,8 МПа и более). В таких резервуарах при понижении температуры возможен вакуум (до 0,1 МПа). Объем габаритных резервуаров для нефтепродуктов - до 100 м 3 , для сжиженных газов - до 300 м 3 , толщина стенки 3 - 36 мм, диаметр 1,4-4м, длина 2-30 м.

Рис. 8.35. Типы днищ горизонтальных цилиндрических резервуаров: а - плоские; б - конические; в - цилиндрическое; г - сферическое; д - эллипсовидное Плоские днища применяют для резервуаров небольших объемов (до 100 м 3 ) и избыточного давления до 40 к Па. Для резервуаров такого же объема при избыточном давлении до 50 к Па применяются конические пологие днища. В резервуарах объемом 75- 150 м 3 при избыточном давлении в пределах 70-150 к Па применяют цилиндрические днища. При давлении до 200 к Па днища делают сферического или эллипсоидального очертания.

Рис. 8.36. Сферические резервуары 8.6. Сферические резервуары Сферические резервуары предназначены для хранения сжиженных газов под высоким избыточным внутренним давлением (до 250 к Па). Объем их колеблется от 600 до 4000 м 3

Рис. 8.37. Виды раскроя оболочки сферических резервуаров Число лепестков в экваториальном сечении должно быть кратным числу опорных стоек, их ширина ( b , b 1 , b 2 ) увязывается с размерами стандартных листов, а длина ( а, а 1 , а 2 ) - с периметром оболочки ( 2 π r ) с учетом припусков на обработку.