Меркулова Д.А. Евдокимов А.А. Ситникова А.О.
Вертикальные резервуары - это сосуды предназначенные для хранения жидкостей бытового и промышленного назначения.
Типы вертикальных цилиндрических резервуаров: РВС – резервуар вертикальный стальной со стационарной крышей без понтона. Используются для хранения продуктов с относительно низкой летучестью (с давлением насыщенных паров не более 26,6 кПа) и температурой воспламенения более 61 0 С. Наиболее часто в таких цилиндрических резервуарах складируют мазут, дизельное топливо, бытовой керосин, битум, гудрон, масла (в том числе пищевые) и воду.
РВСП – резервуар вертикальный стальной со стационарной крышей и понтоном. Наиболее часто в них складируются нефти, бензины, керосины, реактивное топливо. Понтон представляет собой жесткое газонепроницаемое плавающее покрытие в форме диска, помещаемое на зеркало продукта внутри цилиндрического резервуара так, чтобы было закрыто не менее 90% его площади. Кольцевой зазор между понтоном и стенкой резервуара герметизируется специальным уплотняющим затвором.
РВСПк – резервуар вертикальный стальной с плавающей крышей. Данная конструкция резервуара предполагает использование кровли, располагаемой на поверхности хранимого продукта с полным контактом. Недостаток плавающей крыши – возможность загрязнения хранимого продукта вследствие осадков. Также бывают случаи примерзание уплотняющего затвора крыши к стенке. Преимущества такой конструкции кровли в снижении потерь продукта от испарения.
Резервуары с защитной стенкой («стакан в стакане ») Данная конструкция резервуара вертикального используется на производственных площадках, где нет возможности устройства обваловки резервуарного парка. Также цилиндрические резервуары с защитной стенкой строятся вблизи водоемов и жилых поселений для обеспечения безопасности окружающей среды и населения. Защитная стенка монтируется с целью исключить разлив продукта при разгерметизации рабочего резервуара.
В качестве фундамента резервуара может быть использована грунтовая подушка (с железобетонным кольцом под стенкой и без него) либо железобетонная плита. Конструкции основания и фундамента под резервуары
Этапы разработки проектно-конструкторской документации на стальной вертикальный цилиндрический резервуар: определение и назначение материалов, используемых для элементов стенки, днища и крыши резервуара; определение и назначение сварочных материалов, используемых для изготовления и монтажа строительных конструкций резервуара; определение геометрических размеров резервуара или их назначение из типового ряда; расчет и конструирование днища резервуара; расчет и конструирование стенки резервуара; расчет и конструирование крыши резервуара; разработка конструктивных решений люков-лазов и патрубков на стенке и крыше; разработка технологического оборудования на резервуар; разработка конструктивных решений лестниц, ограждений и переходных площадок; разработка конструктивных решений элементов.
К постоянным нагрузкам относятся нагрузки от собственного веса элементов конструкций резервуаров. К временным длительным нагрузкам относятся: - нагрузка от веса стационарного оборудования; - гидростатическое давление хранимого продукта; - избыточное внутреннее давление или относительное разряжение в газовом пространстве; - снеговые нагрузки с пониженным нормативным значением; - нагрузка от веса теплоизоляции; - температурные воздействия; - воздействия от деформаций основания, не сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта. Сбор нагрузок
К временным кратковременным нагрузкам относятся: - ветровые нагрузки; - снеговые нагрузки с полным нормативным значением; - нагрузки от веса людей, инструментов, ремонтных материалов; - нагрузки, возникающие при изготовлении, хранении, транспортировке и монтаже конструкций резервуара. К особым нагрузкам относятся: - сейсмические воздействия; - аварийные нагрузки, связанные с нарушением технологического процесса; - воздействия от деформаций основания, сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта; - нагрузки, возникающие в процессе стихийного бедствия.
Класс ответственности I 1,20 II 1,10 III 1,05 IV 1,00 Класс ответственности I 1,20 II 1,10 III 1,05 IV 1,00
класс I - резервуары объемом более 50 000 класс II - резервуары объемом от 20 000 до 50 000, а также резервуары объемом от 10 000 до 50 000, расположенные непосредственно по берегам рек, крупных водоемов и в черте городской застройки; класс III - резервуары объемом от 1000 до 20 000 ; класс IV - резервуары объемом менее 1000.
Учет условий работы Элементы конструкций резервуаров Коэффициент условий работы γ с Стенка резервуаров при расчете на прочность по таблице 9.3 Сопряжение стенки с крышей 1,0 То же, при расчете на устойчивость 1,0 Стационарные и плавающие крыши 0,9 Верхние кольца жесткости крыш резервуаров при расчете на прочность и устойчивость 0,9 Врезки в стенку резервуара 1,0 Остальные элементы конструкций
№ пояса Коэффициент условий работы поясов стенки, γс в условиях эксплуатации в условиях гидравлических испытаний 1-ый 0,7 0,9 Все, кроме 1-го 0,8 0,9 Упорный узел 1,2
Для условий эксплуатации резервуаров при температуре выше плюс 100°С необходимо учитывать снижение расчетного сопротивления стали путем введения коэффициента γt, назначаемого в зависимости от максимальной расчетной температуры металла Т по формулам: =, если Т = 1, если Т , - допускаемые напряжения стали при температуре соответственно Т и 20°С, определяемые по ГОСТ Р 52857.1-2007. В случае применения сталей, не указанных в ГОСТ Р 52857.1-2007, допускаемые напряжения принимаются по согласованию с Заказчиком.
ВИД НАГРУЗКИ СОЧЕТАНИЯ НАГРУЗОК ДЛЯ РАСЧЕТА СТЕНКИ Условия эксплуатации Гидравлические испытания Устойчивость пустого резервуара Условия землетрясения Вес продукта (или воды при гидравлических испытаниях) + + - + Вес конструкций и теплоизоляции - - + + Избыточное давление + + - + Вакуум при опорожнении - - + - Ветровая нагрузка - - + - Вес снегового покрова - - + + Сейсмическая нагрузка - - - + Расчетные сочетания нагрузок
ВИД НАГРУЗКИ СОЧЕТАНИЯ НАГРУЗОК ДЛЯ РАСЧЕТА СТАЛЬНОЙ ЗАЩИТНОЙ СТЕНКИ РЕЗЕРВУАРА Сочетание 1 ( Гидроиспытания ) Сочетание 2 (Эксплуатация) Сочетание 3 (Авария) Вес конструкций и оборудования - + + Ветровая нагрузка - + - Осесимметричная гидростатическая нагрузка от веса воды + - - Неосесимметричная гидродинамическая нагрузка от разливающегося продукта (рис. 7.9) - - +
Номинальные толщины поясов стенки резервуара назначаются по итогам выполнения следующих расчетов: а) определение толщины поясов из условия прочности стенки при действии статических нагрузок в условиях эксплуатации и гидравлических испытаний; б) проверка устойчивости стенки; в) проверка прочности и устойчивости стенки при сейсмическом воздействии (в сейсмически опасных районах).
Основной нагрузкой при расчете стенки на прочность является гидростатическое давление, которое, совместно с избыточным давлением, вызывает появление в стенке кольцевых растягивающих напряжений. а) нагрузка от гидростатического давления жидкости в расчетном уровне каждого пояса Р ж (кН/м²): = – коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый для гидростатического давления равным 1; g – ускорение свободного падения в районе строительства; – плотность продукта; H – высота налива продукта z – расстояние от дна до нижней кромки расчетного пояса. Обычно высота налива продукта определяется технологическим регламентом эксплуатации резервуара и составляет 90-95% высоты стенки.
б) нагрузка от избыточного давления P и (кН/м²): = – коэффициент надежности по нагрузке для избыточного давления, принимаемый равным 1,2; – нормативное значение избыточного давления, принимаемое для резервуаров низкого давления равным 2 кН/м². При расчёте стенки резервуара с понтоном избыточное давление отсутствует. Однако при этом учитывается нагрузка от собственного веса понтона, которая может быть определена после назначения его конструкции и определения толщин элементов.
Кроме кольцевых напряжений в стенке возникают и меридиональные напряжения (осевые) от вертикальных нагрузок, к которым относят: а) собственный вес покрытия, площадок ограждения и стационарного оборудования G О (кН ): = – коэффициент надежности по нагрузке для собственного веса металлоконструкций, принимаемый равным 1,05 ; – нормативное значение распределенной нагрузки от веса покрытия, площадок ограждения и стационарного оборудования, приближенно может быть определено по обобщенным показателям в зависимости от объема резервуара – радиус срединной поверхности пояса стенки;
Вес покрытия, площадок ограждения и оборудования Нагрузка от собственного веса приведена приближенной, и зависит не только от объема резервуара, но и от типа стационарной крыши. По результатам конструктивного расчета крыши данная нагрузка может быть уточнена и принята в дальнейшем для определения более точных значений меридиональных напряжений. Объём резервуара V, м 3 1000 5000 10000 20000 Вес крыши и оборудования, G О n, кН/м 2 0,3 0,35 0,45 0,55
б) вес металлоконструкций выше расчетной точки G M (кН ): = 2 g - плотность стали ; высота стенки выше рассматриваемого уровня; - номинальная толщина i - го пояса стенки. Вес стенки определяется для каждого пояса.
в) вес утеплителя G У (кН) складывается из веса теплоизоляции на кровле и веса утеплителя стенки выше расчетного уровня: = + – коэффициент надежности по нагрузке для собственного веса утеплителя, принимаемый равным 1,2; – нормативное значение веса утеплителя, принимаемое в зависимости от материала утеплителя и его толщины (кН/м²); – площадь поверхности круга Для сферической = Для конической – радиус сферической поверхности крыши; – высота крыши, стрела подъема.
Как правило, утеплитель на стенке закрывается от внешних атмосферных воздействий оцинкованной сталью толщиной 0,8-1 мм. В этом случае собственный вес утеплителя на резервуаре с защитным кожухом из оцинкованной стали определится следующим образом : - плотность материала защитного кожуха ; - толщина стенки защитного кожуха; - коэффициент надежности для собственного веса защитного кожуха, принимаемый равным: для оцинкованной стали – 1,05, для защиты из полимерных материалов – 1,2.
г ) вес снега S (кН/м² ): - расчетное значение веса снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли; - коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие
При расчете на устойчивость рассматривается пустой резервуар, в котором отсутствует гидростатическое давление продукта и избыточное давление, и рассматриваются следующие нагрузки: а ) нагрузка от относительного разрежения ( вакуум) P вак (кН/м²): - коэффициент надежности по нагрузке для вакуума, принимаемый равным 1,2; - нормативное значение вакуума, принимаемое для резервуаров низкого давления равным 0,25 кН/м². РАСЧЕТ НА УСТОЙЧИВОСТЬ
б) ветровая нагрузка P вет (кН/м²): - коэффициент надежности по нагрузке для ветровой нагрузки, принимаемый при расчете на устойчивость равным 0,5; нормативное значение ветрового давления; k коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте ; c аэродинамический коэффициент.
Ветровая нагрузка для сооружений с круговой цилиндрической поверхностью учитывается согласно приложению В.1.12 СП 20.13330.2016.
Предварительный выбор толщин поясов стенки Предварительный выбор номинальных толщин поясов производится с помощью расчета на эксплуатационные нагрузки, на нагрузку гидроиспытаний и по конструктивным требованиям. Минимальная расчетная толщина стенки в каждом поясе для условий эксплуатации t е рассчитывается по формуле : - коэффициент условий работы, равный 0,7 для нижнего пояса, равный 0,8 для всех остальных поясов.
Минимальная расчетная толщина стенки в каждом поясе для условий гидравлических испытаний t g рассчитывается по формуле : - плотность используемой при гидроиспытаниях воды; - высота налива воды при гидроиспытаниях ; - коэффициент условий работы при гидроиспытаниях для всех поясов одинаков.
По конструктивным требованиям толщина t k определяется по табл. Минимальная конструктивно необходимая толщина tk, мм Диаметр резервуара D, м Рулонное исполнение Полистовое исполнение Стационарная крыша Плавающая крыша D < 16 4 4 5 16 < D < 16 6 5 7 25 < D < 35 8 6 9 D > 35 10 8 10
Номинальная толщина t каждого пояса стенки выбирается из сортаментного ряда следующим образом: минусовой допуск на прокат; с – припуск на коррозию. Величина припуска на коррозию задается заказчиком и зависит от агрессивности хранимого в резервуаре продукта и нормативного срока его эксплуатации. Поверочный расчет на прочность и расчет на устойчивость проводится для расчетной толщины t p поясов, которая определяется по формуле :
Проверка прочности стенки выполняется по приведенным и по кольцевым напряжениям: - коэффициент условий работы при расчете на прочность, = 0,7– для нижнего пояса, = 0,8 – для всех остальных поясов. Проверка стенки на прочность
Кольцевые напряжения вычисляются для нижних точек поясов по формуле: Меридиональные напряжения с учетом коэффициентов надежности по нагрузке и коэффициентов для основного сочетания нагрузок вычисляются для нижних точек поясов по формуле
0,95 – коэффициент сочетания для временных длительных нагрузок в основном сочетании (вес стационарного оборудования, нагрузка от веса теплоизоляции, избыточное давление); 0,9 – коэффициент сочетания для временных кратковременных нагрузок в основном сочетании (снеговая нагрузка).
Проверка прочности узла сопряжения стенки с днищем сводится к проверке условий прочности стенки и днища в точках сопряжения от действия изгибающих моментов. Изгибные напряжения в стенке и днище определяются по формулам : Расчёт узла сопряжения стенки с днищем
Проверку прочности угловых швов, прикрепляющих стенку к днищу, можно выполнить на одновременное воздействие поперечной силы и момента. Прочность проверяют по металлу шва и по границе сплавления.
При расчёте покрытия резервуаров низкого давления учитываются 2 комбинации нагрузок: «сверху вниз» и «снизу вверх». Нагрузки, действующие на крышу «сверху вниз»: вес конструкции крыши и теплоизоляции, снег, вакуум. Нагрузки, действующие на крышу «снизу вверх»: внутреннее избыточное давление в паровоздушной среде, ветровой отсос, собственный вес крыши. Сбор нагрузок на кровлю
Нормативная нагрузка по первой комбинации определяется по формуле : Расчётная нагрузка по первой комбинации определяется по формуле:
Примечание ! Коэффициент который учитывает снос снега с покрытий зданий под действием ветра принимается для конических и сферических покрытий согласно п. 10.8 СП20.13330.2016 Коэффициент для зданий со сферическими и коническими покрытиями учитывается согласно прил. Б.14 и Б.15 соответственно.
Нормативная нагрузка по второй комбинации определяется по формуле : Горизонтальные составляющие избыточного давления и ветровой нагрузки допускается не учитывать
Поперечные рёбра щитов покрытия рассчитываются по схеме простых двухопорных балок, несущих равномерно распределённую нагрузку (комбинация нагрузок, действующих на крышу «сверху вниз»), собираемую с соответствующей грузовой площади. Расчёт поперечных рёбер
Сечение поперечных рёбер принимается, как правило, из прокатных швеллеров или уголков. Сечение продольного ребра назначается по требуемому моменту сопротивления : Принятое сечение ребра необходимо проверить по предельному прогибу
Расчет радиальных балок щитов при наличии центральной стойки выполняется по схеме просто балки на двух опорах (стенки и центральной стойки), воспринимающей нагрузки от грузовой площади в виде треугольника. Расчёт радиальных рёбер с центральной стойкой
Требуемый момент инерции сечения из условия обеспечения жесткости Радиальное ребро проверяется на прочность: Радиальное ребро проверяется на жесткость
Конструкция ребристо-кольцевого купола состоит из плоских криволинейных ребер, установленных в радиальном направлении и соединенных между собой рядом колец, образующих совместную пространственную систему. Жесткость купола на кручение обеспечивается стальным настилом и системой связей. Приближенно статический расчёт сферического ребристо-кольцевого купола можно выполнить, расчленив его на отдельные плоские арки, включающие диаметрально противоположные щиты покрытия. В местах расположения кольцевых прогонов вводят условные затяжки. Расчет элементов выполняется аналогично ребристому куполу. Сечения промежуточных колец-затяжек проверяются так же, как нижнее опорное кольцо. Расчёт стационарной сферической кровли (ребристо-кольцевой купол)
Анкерное крепление обязательно предусматривается для резервуаров повышенного давления. В резервуарах низкого давления оно устанавливается в случаях, если опрокидывающий момент резервуара от воздействия расчётной ветровой или сейсмической нагрузок превышает восстанавливающий момент. Обычно анкерное крепление стенки производится при строительстве резервуара в районе со скоростным напором ветра 0,85-1,00 кПа (VII ветровой район, например, Анадырь, Курильск, Петропавловск-Камчатский, побережья морей, океанов, острова). При резервуаре, заполненном на небольшую высоту, возможен отрыв корпуса резервуара от основания под действием внутреннего избыточного давления. Расчёт анкерного крепления корпуса резервуара к основанию
При расчёте анкерного крепления необходимо определить: количество болтов, расстояние между болтами, расстояние между стенкой резервуара и осью анкерных болтов, диаметр болтов (не менее 24 мм), размеры, армирование и глубину заложения железобетонной плиты для крепления анкера, размеры опорного столика, размеры кольца жесткости, подкрепляющего стенку.
Центральная стойка является постоянным несущим элементом при безраспорной системе крыши. Радиальные балки щита в таком случае опираются, с одной стороны, на стенку, а с другой, на оголовок центральной стойки Расчёт центральной стойки
Расчёт стойки на устойчивость, как для центрально сжатого элемента, выполняется по формуле:
Сжатая стойка проверяется по гибкости: Диаметр оголовка и базы стойки принимается с учётом условий опирания щитов покрытия и использования стойки для рулонирования элементов резервуара (стенки или днища) на заводе-изготовителе.
ТКП 45-5.04-172-2010 «Стальные вертикальные цилиндрические резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов. Правила проектирования и устройства» СТО-СА-03-002-2009 «Правила проектирования, изготовления и монтажа вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов» А. А. Лапшин, А. И. Колесов, М. А. Агеева «Конструирование и расчёт вертикальных цилиндрических резервуаров низкого давления». Учебное пособие Библиографический список
