Механический Расчет вертикального стального резервуара

К элементарному механическому расчету резервуаров относится в основном расчет стенки резервуара, зависящий от гидростатического давления хранимой жидкости. Толщина днища и кровли резервуара обычно принимается исходя из технологии строительства и конструктивных соображений. Резервуары рассчитывают по методике предельных состояний с учетом коэффициентов однородности k, перегрузки n и условий работы m. За предельное состояние принимается такое состояние конструкции, при котором она перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплутационным требованиям, то есть теряет способность сопротивляться внешним воздействиям, получает недопустимую деформацию или местное повреждение.

Основной нагрузкой при расчете стенки резервуара низкого давления на прочность является гидростатическое давление жидкости с плотностью r. От этой нагрузки в стенки возникают кольцевые напряжения.

1 Определяется полное давление на стенку резервуара (на уровне х) с учетом избыточного давления

р _i = n ₁·r· g · х _i + n ₂· р _и , Па (МПа),

где r – плотность нефти или нефтепродукта, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²; g = 9,81 м/с²;

n ₁ – коэффициент перегрузки для гидростатического давления ([5], стр. 139);

n ₂ – коэффициент перегрузки для избыточного давления и вакуума ([5], стр. 139);

х _i – расстояние от верха резервуара до низа расчетного пояса, м.

Рис. 19 Расчетная схема резервуара:

а – схема распределения гидростатического давления по высоте резервуара;

б – эпюра переменной толщины стенки

Для первого (нижнего) пояса

х _I = Н – 0,3, м,

где Н – высота корпуса резервуара, м (см. Основные данные по стальным резервуарам, Технико - экономические показатели резервуаров: [22], стр. 326-334; [6], стр.290, приложение 3; [33], стр. 328, приложение 3; [64], стр. 138-149; [5], стр. 122, табл. 6.1; [11], стр.152-153,табл.30,31,32; [10], стр.71, табл.3.1,3.2; [1],стр.53,54, табл.19,20; таблицы 27 – 43 и таблица 44 данного пособия);

0,3 м, т.к. наиболее напряженное сечение пояса наблюдается на высоте 300 мм = 0,3 м от сварного шва.

Для остальных поясов (начиная со второго)

х _i = х _{i -1} – h, м,

где h – высота пояса, м ([58], стр. 225; [59], стр. 190)

р _и– избыточное давление в газовом пространстве резервуара, Па ([58], стр. 225; [59], стр. 190; [5], стр. 120; [64], стр. 136-137).

2 Определяется кольцевое усилие в стенке резервуара, возникающее под действием полного давления

N_i = р_i · r, Па·м (МПа·м),

где r – радиус резервуара, м

r = D 2, м

3 Определяется величина напряженного состояния в сварных швах

s^св = m · R ^св , Па (МПа),

где m – коэффициент, учитывающий характер работы конструкции и понижающий значение расчетного напряжения ([5], стр. 139);

R ^св – расчетное сопротивление сварного шва, зависящее от марки стали для конструкций и электродов, применяемых при сварке, Па (МПа) ([2], стр. 65, табл. 24; [1], стр. 82, табл. 26; таблицы 48, 49 данного пособия).

Таблица 49 – Расчетные сопротивления (в Па) сварных швов в стальных

конструкциях ([2], стр. 65, табл. 24)

Примечание. Расчетное сопротивление сварного шва можно рассчитать.

R ^св = k · R ^н, Па (МПа),

где k – коэффициент однородности стали, зависящий от марки стали и характеризующий изменчивость ее свойств ([5], стр. 139);

R ^н – нормативное сопротивление стали, Па (МПа);

Для строительных сталей

R ^н = s_т , Па (МПа),

где s_т – предел текучести стали, Па ([1], стр. 82 табл. 26; [2], стр. 103 табл. 33; [59], стр. 152, табл. 12.1; [58], стр. 198, табл. 11.1 [21], стр. 80 табл. 7; стр. 87-88, табл. 11; стр. 89, табл. 12; таблицы 15,16,17,18,48 данного пособия).

Примечание. При сооружении резервуаров вертикальных цилиндрических вместимостью 10000 м³ и более нижние пояса изготовляются из стали более высокого качества, чем верхние ([21], стр. 90-94).

4 Определяется расчетная толщина стенки по поясам

d _{i расч} = p_i · r s^св,м

Рассчитанная толщина стенки d _{i расч} переводится в миллиметры (мм).

5 Выбирается толщина стенки по поясам d _i согласно типовому проекту (см. Основные данные по стальным резервуарам, Технико - экономические показатели резервуаров: [22], стр. 326-334; [6], стр.290, приложение 3; [33], стр. 328, приложение 3; [64], стр. 138-149; [5], стр. 122, табл. 6.1; [11], стр.152-153,табл.30,31,32; [10], стр.71, табл.3.1,3.2; [1],стр.53,54, табл.19,20; таблицы 27 – 43 и таблица 44 данного пособия);

6 Определяется расчетная предельная несущая способность стенки корпуса резервуара

N_{i пред} = m · R ^св ·d _i =s^св· d _i, Па·м (МПа·м).

Результаты расчета сводятся в таблицу

Таблица 50 – Расчетные данные резервуара

Номер пояса	Расстояние от верха резервуара до низа расчетного пояса х i, м	Расчетная толщина листов di расч , мм	Принятая толщина листов di , мм	Расчетное кольцевое усилие Ni , Па·м (МПа·м)	Расчетная предельная несущая способность стенки Ni пред, Па·м (МПа·м)
I
II
III

Продолжение таблицы 50 – Расчетные данные резервуара

Номер пояса	Расстояние от верха резервуара до низа расчетного пояса х i, м	Расчетная толщина листов di расч , мм	Принятая толщина листов di , мм	Расчетное кольцевое усилие Ni , Па·м (МПа·м)	Расчетная предельная несущая способность стенки Ni пред, Па·м (МПа·м)
IV
V
VI
и т.д.

На основании данных таблицы таблицы делается вывод о том, обеспечат ли принятые толщины листов достаточную прочность корпуса резервуара. Если у всех поясов расчетная толщина меньше принятой и для каждого пояса расчетное кольцевое усилие меньше расчетной предельной несущей способности стенки (т.е. N_i < N_{i пред}), то прочность корпуса обеспечивается. Минимальная толщина листов принимается из соображений технологии сварки и устойчивости.

Рис. 20. Схема стенки резервуара (а) и эпюра гидростатического давления (б)