Расчет стальных вертикальных резервуаров на прочность

 

Расчет резервуаров типа РВС ведется по теории расчета конструкций из тонких оболочек [15].

 

Рис. 2.1. Расчетная схема резервуара

 

Уравнение Лапласа для расчета прочности стенки резервуара запишется в виде:

 

где N₁, N₂ - соответственно кольцевые и меридиональные усилия;

ρ₁, ρ₂ - радиусы кривизны в кольцевом и меридиональном направлении;

Р - внешние силы, действующие на стенку РВС, определяемые по форму­ле

 

Р = ρg(H-x); (2)

 

здесь ρ - плотность нефтепродукта (обычно не менее 900 кг/м³);

g- ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²;

Н - высота резервуара, м;

х - расстояние до исследуемой точки, м.

Радиусы изгибов для РВС: ρ₁ = г, ρ₂ → ∞. Поэтому уравнение (1) запишется в виде

 

 

Согласно СНиП кольцевые напряжения в стенке РВС определяются по формуле

где t —толщина стенки резервуара, м.

Отсюда следует, подставляя формулу (2) в формулу (4), получим

 

где [σ]- допускаемое напряжение, МПа.

Поэтому толщину стенки резервуара можно определить по формуле

 

 

 

Учитывая избыточное давление газовых паров в резервуаре и введя в фор­мулу (6) соответствующие коэффициенты получим

 

где К_П1 - коэффициент перегрузки для гидростатического давления, равный 1,1;

К_п2 - коэффициент перегрузки для избыточного давления в газовом про­странстве резервуара, принимаемый по табл. 2.2 [16];

К_р - коэффициент условий работы, принимаемый по табл. 2.1 [16];

Р_изб - давление в газовом пространстве резервуара, равное 250 мм. вод. ст. или 2,5кПа;

R_y - расчетное сопротивление стали по пределу текучести, определяемое по формуле

 

 

 

где R_уп - нормативное сопротивление стали по пределу текучести, МПа;

К_м - коэффициент надежности по материалу, принимаемый по табл.12 [15].

 

Таблица 2.1

 

Элементы	Коэффициент условий работы, Кр
Стены вертикальных цилиндрических резервуаров при расчете на прочность:
- нижний пояс (с учетом врезок)	0,7
- остальные пояса	0,8
- сопряжение стенки резервуара с днищем	1,2
То же, при расчете элементов на устойчивость
Сферические и конические покрытия распорной конструкции при расчете:
- по безмоментной теории	0,9
- по моментной теории с применением ЭВМ

 

Таблица 2.2

Характеристики нагрузки	Коэффициент надежности по нагрузке, Кп2
Давление выше или ниже атмосферного	1,2
Ветровая нагрузка на вертикальные стены илиндриче- ских резервуаров при расчете на устойчивость	0,5
Снеговая нагрузка на сферические крыши резервуаров	0,7

 

Таблица 2.3.

Государственный стандарт или тех­нические условия на сталь	Коэффициент надежности по материалу, Км
ГОСТ 23570 - 79, ТУ 14-1-3023-80   ГОСТ 380 - 71*, ГОСТ 10705 - 80, ГОСТ 10706 - 76*, ГОСТ 14637 - 79, ГОСТ 19281 - 73 и ГОСТ19282 - 73 [с пределом текучести до 380 МПа (39 кгс/мм^2)], ТУ 14 - 3 - 500 - 76, ТУ 14-1-389-72, ТУ 14-1-1217-75   ГОСТ 19281 - 73 и ГОСТ 19282 - 73 [с пределом текучести свыше 380 МПа (39 кгс/мм^2)]^1, ГОСТ 8731 - 74*, ТУ 14 - 3 - 829 - 79, ТУ 14-3-567-76   ТУ 14-1-1308-75, ТУ 14-1-1772-76	1,025   1,05     1,1   1,15
Примечания: ^1 Для стали марки 14Г2АФ Км= 1,05

Пример расчета стального вертикального резервуара на прочность

Проверить на прочность резервуар РВС - 5000. Диаметр резервуара D = 22.79 м; высота Н = 11.95 м; избыточное давление Р_из6 = 2500 кПа; плотность нефтепродукта ρ= 900 кг/м³; расчетное сопротивление сварного шва R₁^св = 206 МПа (для контроля сварных швов повышенным способом); R₂ ^св= 180 МПа [19].

 

Расчетное давление в каждом поясе определяют по формуле

 

 

Перемножив расчетные сопротивления R₁^св и R₂^св на коэффициент условий работы, получим условия напряженного состояния в сварных швах:

 

 

Полученные по расчету данные сводим в табл. 2.4.

 

Таблица 2.4.

Расчетные данные

Номер пояса	Принимаемая толщина листов, мм	Расстояние от верха резервуара до низа расчетного пояса, м	Расчетные усилия,     N = Р·r, МПа	Расчетная предельная несущая способность стенки Nпред= Kм·R·t, МПа	Расчетная толщина листов, мм
с повышенным способом контроля сва- рочных швов, t1	с обычным способом контроля сварочных швов, t2
VIII		1,20	0,16	0,66	0,9	1,1
VII		2,70	0,33	0,66	2,0	2,3
VI		4,20	0,50	0,82	3,0	3,5
V		5,70	0,66	0,82	3,4	3,9
IV		7,20	0,83	0,99	4,3	5,0
III		8,70	0,99	1,15	5,2	6.0
II		10,20	1,16	1,32	6,0	7,0
		11,70	1,33	1,65	7,0	8,1

 

Из табл. 13 можно сделать вывод, что принятые толщины листов обеспечат достаточную прочность корпуса резервуара. На всех поясах расчетная толщина ниже принятой и выдерживается условие неравенства

 

N ≤ N_пред

 

ПОДБОР ДЫХАТЕЛЬНЫХ КЛАПАНОВ

ДЛЯ СТАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ

 

Дыхательные клапаны резервуаров подбирают по пропускной способности и допускаемому перепаду давления [3].

1. Максимальный расход газов, проходящих через клапан, определяется при заполнении резервуара как сумма расходов, состоящая из:

 

Q₃ = q₃ + q_t1 + q_t2 + q_r, (9)

 

где q₃— максимальный расход нефтепродуктов при заполнении резервуара;

q_t1— максимальный расход газа вследствие нагрева газового пространст­ва от внешней среды, определяемый по формуле

q _t1 = β·ΔT·V_r, (10)

здесь β- коэффициент объемного расширения газа, равный 1/273 К^-1;

ΔT - скорость нагревания газового пространства резервуара, ΔТ=0,0013 К/с);

V_r — максимальный объем газового пространства (принимается равным объему резервуара), м³.

Подставив значения ΔT и β, получим

q_tl =4,76·10^-6·V_r, (11)

q_t2 — расход газа вследствие нагрева газового пространства при закачке более нагретого нефтепродукта, определяемый по формуле

 

 

где α — коэффициент теплообмена, Вт/(м²К);

F — площадь зеркала нефтепродукта в резервуаре, м;

Т_н и Т_г— соответственно температура нефтепродукта, закачиваемого в ре­зервуар, и температура газового пространства, К;

с — теплоемкость, Дж/ (кг·к);

R — удельная газовая постоянная, Дж/ (кг·к);

p - давление в газовом пространстве резервуара, Па;

q_r— объем выделяющихся из нефти газов, определяемый по газовому фак­тору, м /с.

2. При выкачке нефтепродукта из резервуара расход поступающего через клапан атмосферного воздуха (в м³/с) будет

 

Q_B = q_B + q_t, (13)

 

где q_B - производительность выкачки нефтепродукта из резервуара, м³/с;

q_t - дополнительный расход из-за возможного охлаждения газового про­странства резервуара и частичной конденсации паров, м³/с.

Наиболее интенсивно резервуар охлаждается во время ливня, поэтому для практических расчетов скорость охлаждения следует принимать ΔТ~ 8·10^-3 К/с.

Подставив значение ΔT и β, получим

 

q_t ≈ 2,9 ·10^-5 · V_r, (14)

 

По большему значению Q₃ или Q_B подбирают по каталогу клапан необходи­мого размера. Если требуемая пропускная способность не может быть удовле­творена одним клапаном, то подбирают несколько клапанов меньшего размера.

 

Пример подбора дыхательных клапанов для стальных резервуаров

 

Подобрать дыхательные клапаны для резервуара РВС - 5000. Диаметр ре­зервуара 22,76 м; высота 11,9 м. Закачиваемый нефтепродукт - бензин; давле­ние насыщенных паров бензина Р = 37000 Па. Производительность опорожне­ния и заполнения резервуара 2000 м³/ч. Температура газового пространства Т_г = 298 К; температура бензина, закачиваемого в резервуар Т_н = 303 К. Газосодер­жание бензина Г = 0,4 м³/м³.

 

1. Максимальный расход газов, проходящих через клапан, определяется при заполнении резервуара как сумма расходов, состоящая из:

 

Q₃ = q₃ + q_t1 + q_t2 + q_r,

 

1.1 Максимальный расход нефтепродуктов при заполнении резервуара:

 

q₃ = 2000 м³/ч = 0,556 м³/с;

 

1.2. Максимальный расход газа вследствие нагрева газового пространства от внешней среды:

q_tl =4,76·10^-6·Vr=4,76·10^-6·4866 = 0,023 м³/с;

 

1.3. Расход газа вследствие нагрева газового пространства при закачке более нагретого нефтепродукта

 

 

где α — коэффициент теплообмена, равный 5,34 Вт/(м²К);

F — площадь зеркала нефтепродукта в резервуаре

 

 

с — теплоемкость бензина, равная 2072,47 Дж/(кг·K);

R — удельная газовая постоянная, равная 127,8 Дж/(кг·K);

1.4. Объем выделяющихся из нефти газов, определяемый по газовому фактору

 

 

Максимальный расход газов, проходящих через клапан

 

Q₃ = 0,556 + 0,023 + 0,0198 + 0,222 = 0,821 м³/с.

 

2. Расход поступающего через клапан атмосферного воздуха (в м³/с) будет

 

Q_в = q_в + q_t = 0,556 + 0,14 = 0,696 м³/с;

 

где q_B = 0,556 м /с;

q_t ≈ 2,9·10^-5·V_r = 2,9·10^-5·4866 = 0,14 м³/с.

 

По значению Q₃ = 0,821 м³/с выбираем по каталогу клапан НДКМ - 350 с Пропускной способностью 0,832 м³/с.