14.2. Резервуари

14.2.1. Загальні поняття

Резервуари – це посудини, призначені для зберігання нафти, нафтопродуктів, зріджених газів, води, рідкого аміаку, кислот, технічного спирту та інших рідин.

Залежно від геометрії форми резервуари бувають циліндричними (вертикальними, горизонтальними), сферичними, краплеподібними, тощо.

За розміщенням відносно планувального рівня будівельного майданчика резервуари можуть бути надземними (на опорах), наземними, напівзаглибленими, підземними, підводними.

Резервуари можуть бути постійного або змінного об’єму.

Тип резервуара вибирають залежно від властивостей зберігаємої рідини, режиму експлуатації, кліматичних особливостей району будівництва.

14.2.2. Резервуари для води

Ці резервуари встановлюються на водонапірних баштах і складаються з циліндричної частини (оболонки), днища та покрівлі.

Днища можуть мати різну форму:

1) плоскі днища (рис.14.12). Вони найбільш прості для виготовлення (перевага), але мають більшу товщину листів порівняно з днищами іншої форми (це недолік), оскільки опираються на балочну клітку і працюють на згин;

2) сферичні днища у вигляді сферичного сегмента або на півсфери (рис.14.13). Перевага – найменші витрати сталі на днище. Недолік – найбільша складність виготовлення (окремі гнуті пелюстки, підвищенна точність при виготовленні пелюстків);

3) конічні днища (рис.14.13). Порівняно зі сферичними вони простіші у виготовленні, але мають більші витрати сталі (тобто займають проміжне положення між плоскими і сферичними).

Рис. 14.12. Резервуари з плоским днищем

Рис. 14.13. Резервуари зі сферичним та конічним днищами

Сферичні та конічні днища резервуарів опираються по контуру на опорне кільце, яке в свою чергу опирається на колони башт, або цегляні чи залізобетонні стіни башт (водонапірних башт).

Опірні кільця можуть мати різну конструктивну форму, наприклад, у вигляді швелерів (рис.14.14), кутиків, складеного перерізу з листів, тощо.

Рис.14.14. Опорне кільце резервуара у вигляді швелера

Оскільки розрахунок циліндричної частини резервуарів для води принципово не відрізняється від розрахунку резервуарів для інших рідин, то розглянемо його на прикладі резервуару для нафтопродуктів.

14.2.3. Резервуари для нафтопродуктів

А. Типи резервуарів.

За конструктивною формою розрізняють резервуари (рис.14.15):

1) вертикальні циліндричні з плоским днищем;

2) вертикальні циліндричні зі сферичним днищем;

3) краплеподібні з плоским днищем;

4) краплеподібні з просторовим днищем (багатоторові);

5) кульові (сферичні);

6) горизонтальні циліндричні.

Всі ці резервуари постійного об’єму.

За величиною внутрішнього тиску розрізняють резервуари:

1) низького тиску – для нафтопродуктів з низькою пружністю парів (в’язких). В цих резервуарах при наповненні рідиною утворюється надлишковий тиск в пароповітряній зоні до 2 кН/м², а при спорожненні – вакуум до 0,25 кН/м². Це вертикальні циліндричні резервуари з плоским днищем;

2) підвищеного тиску – для світлих нафтопродуктів та інших рідин з високою пружністю парів. В цих резервуарах внутрішній тиск становить 70…200 кН/м² – для легких рідин, 60…1800 кН/м² для зріджених газів. Цей високий надлишковий тиск в пароповітряній зоні створюється штучно для ефективної боротьби з втратами рідини, яка легко випаровується (наприклад, бензин). Такі резервуари мають криволінійний обрис елементів з плавним з’єднанням між собою (всі інші форми резервуарів).

З інших типів резервуарів існують спеціальні конструкції з понтоном і з плаваючою покрівлею. Це резервуари змінного об’єму.

Розглянемо більш детально конструкцію та розрахунок вертикального циліндричного резервуару низького тиску.

Б. Вертикальні циліндричні резервуари низького тиску.

Б1. Загальні відомості та конструкція.

Ці резервуари прості у виготовлення та монтажі і достатньо економічні за витратами сталі. Їх об’єм становить 100…20000 м³ для рідин, що легко випаровуються (наприклад, бензин), та до 50000 м³ для зберігання горючих рідин (наприклад, мазуту). Об’єм обмежується, виходячи в основному з протипожежних міркувань.

Ці резервуари виконуються наземними. Вони встановлюються на піщану подушку висотою 200…350 мм над поверхнею землі, яка покрита гідрофобним шаром для гідроізоляції (для уникнення корозії днища).

Рис.14.15. Конструктивні форми резервуарів: 1- вертикальні циліндричні з плоским днищем; 2- вертикальні циліндричні зі сферичним днищем; 3- краплеподібні з плоским днищем; 4- краплеподібні з просторовим днищем (багатоторові); 5- кульові (сферичні); 6- горизонтальні циліндричні

Основні елементи резервуара – це циліндричний корпус, днище і покриття, які виконуються з листової сталі (рис.14.16).

Рис. 14.16. Конструктивна форма вертикального циліндричного резервуара

Покриття опирається на корпус та центральний стояк. Для деяких видів покриття центральний стояк може бути відсутнім. Резервуар оснащений експлуатаційним обладнанням та пристосуваннями для очищення і ремонту.

Резервуари будують в основному методом рулонування. На заводі виготовляють листові рулони полотнищ днища і корпусу, а при монтажі їх розгортають, рихтують і з’єднують.

Б.2. Оптимальні розміри резервуарів.

Це габаритні розміри резервуара L i D, при яких витрати металу на резервуар будуть найменшими. Великий внесок в дослідження цього питання вніс основоположник резервуаробудування В.Г.Шухов.

Резервуар зі стінкою постійної товщини має найменшу масу, якщо сумарна маса днища і покриття вдвічі більша маси стінки, а значення оптимальної висоти резервуара визначається за формулою:

де V – об’єм резервуара;

Δ – сума товщини днища та приведеної товщини покриття;

t_w – товщина стінки корпусу резервуара;

В резервуарах великої місткості товщина стінки змінна по висоті (рис.14.17).

Рис.14.17. Фрагмент стінки резервуара зі змінною товщиною

Маса такого резервуара виявляється мінімальною, якщо сумарна маса днища і покриття рівна масі стінки. В цьому випадку:

де γ_с – коефіцієнт умов роботи; R_wy – розрахунковий опір зварного стикового шва розтягу; Δ – сума товщини днища та приведеної товщини покриття; γ_f – коефіцієнт надійності за навантаженням для гідростатичного тиску рідини; ρ – питома вага рідини.

Для резервуарів об’ємом до 1000 м³ оптимальне співвідношення h/D =1/4…1, для резервуарів об’ємом до 10000 м³ h/D = 1/5…1/2.

Стальні листи для резервуарів мають єдиний розмір 1500×6000 мм, а тому при обчисленні висоти h беруть до уваги кратність ширини листа.

Б.3. Конструктивні особливості днищ.

Метал днища, опертого на піщану подушку, зазнає невеликих стискаючих напружень від тиску рідини. А тому днище не розраховується, а його товщина приймається конструктивно:

t = 4 мм при D < 18 м;

t = 5 мм при D = 18…25 м;

t = 6 мм при D > 25 м.

Днище виготовляється на заводі у вигляді зварних полотнищ (рис.14.18).

Рис. 14.18. Зварне полотнище днища резервуара

Полотнища доставляються на будівельну площадку рулонами. Маса рулону – не більше 60 т. Після розгортки рулонів на підготовленій основі окремі полотнища зварюються внапустку з перекриттям 30…60 мм, оскільки підварювання стикового шва зі зворотної сторони днища вже неможливе. Фрагмент днища наведений на рис.14.19.

В місці з’єднання корпуса з днищем виникає крайовий ефект – згин (рис.14.20). При цьому М_к=γ_f∙ρ∙h∙r∙t_w, кНсм/см (розподілений момент на 1см довжини).

Виступ днища приймається 50 мм.

Шви з’єднання стінки з днищем перевіряються на міцність:

де W_wf – момент опору 1 см довжини двох кутових швів.

Якщо міцність з’єднання забезпечена, то перевіряти міцність корпуса на згин не потрібно.

Рис. 14.19. Фрагмент днища резервуара

Рис. 14.20. Крайовий ефект в місці з’єднання корпуса з днищем

Б 4. Конструювання стінки корпуса

Стінка корпусу складається з ряду окремих поясів висотою, рівною ширині листа 1500 мм (рис.14.21).

Рис. 14.21. Фрагмент окремого поясу стінки

Використовується метод рулонування.

Пояси можуть з’єднуватись між собою при монтажі або встик (рис.14.22,1) при товщині t ≥ 6 мм, або внапустку при товщині t < 6 мм в телескопічному (рис.14.22,2) чи ступінчатому (рис.14.22,3) порядку.

Зовнішній кільцевий шов виконується суцільним, а внутрішній – уривчастим (100 мм з просвітом 300 мм). При сильно агресивних рідинах (сірчана нафта) обидва шва виконуються суцільними.

Товщина стінки визначається розрахунком і призначається не меншою 4 мм з умови зварювання.

Рис. 14.22. З’єднання окремих поясів між собою

Б 5. Розрахунок стінки на міцність.

Стінка резервуара розраховується на міцність за безмоментною теорією як тонкостінна циліндрична оболонка, яка працює на розтяг від дії внутрішнього гідростатичного тиску рідини та надлишкового тиску в пароповітряній суміші.

Розрахунковий тиск на глибині х від поверхні рідини (рис.14.23):

Рис. 14.23. До визначення розрахункового тиску в резервуарі

де γ_f1 = 1,1 – коефіцієнт надійності за навантаженням для гідростатичного тиску рідини; ρ – питома вага рідини; р_о – надлишковий тиск в пароповітряній суміші (приблизно 2 кН/м²); γ_f2 = 1,2 – коефіцієнт надійності за навантаженням для надлишкового тиску.

Стінка вертикального циліндричного резервуара знаходиться під дією меридіальних σ₁=р∙r/2t та кільцевих σ₂=р∙r/t розтягуючих напружень. Кільцеві напруження в два рази більші меридіальних, а тому умова міцності стінки на глибині х записується у вигляді:

де r – радіус резервуара; t – товщина стінки; γ_c = 0,8 – коефіцієнт умов роботи стінки резервуара; R_wy – розрахунковий опір стикових зварних швів (кільцевих швів, які з’єднують окремі пояси стінки).

Якщо умова виконується, то забезпечується одночасно і міцність основного металу стінки, і міцність швів, оскільки R_wy або рівне, або менше R_y основного металу стінки (див. розрахунок стикових з’єднань).

З умови міцності визначається необхідна товщина листів кожного пояса за умови повного заповнення резервуара рідиною:

При цьому відстань х приймається від верху корпуса до нижнього краю пояса.

Б6. Розрахунок стінки на стійкість.

Верхні пояси стінки резервуара за результатами розрахунку на міцність мають порівняно невелику товщину, а тому їх потрібно перевіряти на стійкість.

Стійкість стінки незаповненого резервуара перевіряється на сумісну дію рівномірного стиску вздовж твірних і поперечного стиску зовнішнім рівномірним тиском за формулою (див. п.14.1.4)

Стійкість перевіряється при певних сполученнях наступних навантажень: вага покриття з встановленим на ньому технологічним обладнанням і теплоізоляцією; вага стінки; снігове та вітрове навантаження; вакуум.

Якщо в результаті розрахунку необхідно значно збільшити товщину стінки t, то раціональніше влаштувати проміжні кільця жорсткості, які підвищують критичні напруження σ_cr.

Б7. Конструктивні форми покриття. Навантаження на покриття.

Покриття вертикальних циліндричних резервуарів низького тиску можуть мати різні конструктивні форми (конічні, висячі, сферичні та інші).

Для резервуарів об’ємом до 5000 м³ використовується конічне щитове покриття. Щити складаються з каркасів, виконаних з прокатних чи гнутих профілів, і настилу зі стальних листів товщиною 2,5…3 мм. Щити опираються на стінку корпуса і центральний стояк в середині резервуара, або лише на стінку при відсутності стояка.

В резервуарах об’ємом до 5000 м³, але при малому сніговому навантаженні (не більше 1,5 кН/м²), ефективнішим на 10-15 % за витратами сталі є висяче покриття, яке також опирається на центральний стояк.

Для резервуарів об’ємом більше 5000 м³ щитове конічне і висяче покриття з центральним стояком виявляються економічно невиправданими. В резервуарах об’ємом 10000…20000 м³ більш доцільно використовувати покриття у вигляді куполів без центрального стояка (сферичні).

При розрахунку покриття резервуарів низького тиску необхідно враховувати дві комбінації навантажень:

1) навантаження, які діють на покриття зверху донизу: вага конструкцій покриття і теплоізоляції, сніг, вакуум

, кН/м².

2) навантаження, які діють на покриття знизу до верху: внутрішній надлишковий тиск в пароповітряній суміші та вітровий відсос, рівний 0,8 швидкісного напору вітру.

При перевірці за другою комбінацією вага теплоізоляції та снігове навантаження не враховуються, а вага самого покриття віднімається від розрахункового навантаження, оскільки постійне навантаження діє завжди, причому зверху до низу.

, кН/м².

Б 8. Конструкція елементів щитового конічного покриття з центральним стояком.

Покажемо схематично конструкцію щитів та типи щитів в плані (рис.14.24).

Рис. 14.24. Типи щитів покриття

Залежно від об’єму резервуара використовуються наступні типи щитів покриття:

а) при V ≤ 3000 м³ – трапецеподібні щити (тип 1 на рис.14.24, рис.14.25);

Рис. 14.25. Конструкція трапецеподібного щита покриття

б) при V > 3000 м³ одночасно використовуються два типи – прямокутні зі скошеними кутами на опорі з боку стояка (тип 2 на рис.14.24, рис.14.26) і трикутні (тип 3 на рис.14.24, рис.14.26).

Всі щити складаються з трьох основних елементів: настилу (4); поперечних ребер (5); поздовжніх (радіальних) балок (6).

Вони розраховуються за аналогією з балковою кліткою нормального типу, різниця лише в тому, що інша форма в плані, а отже інша схема зовнішнього навантаження балок.

Рис. 14.26. Конструкція прямокутного щита зі скошеним кутом

та трикутного щита

Б 9. Розрахунок настилу щитів.

Виходячи з граничного відносного прогину настилу f_u/l = 1/150, визначається відношення найбільшого прольоту настилу (відстані між поперечними ребрами) до його товщини:

де n₀ – величина обернена f_u/l, n₀ = l/f_u = 150; р_n – характеристичне навантаження (без коефіцієнтів γ_f); Е₁ = Е/(1 - υ²); υ = 0,3 – коефіцієнт Пуассона.

Приймаючи товщину настилу t = 2,5…3 мм, визначають крок поперечних ребер l, який остаточно призначають в межах 0,6…1,6 м.

Б 10. Розрахунок поперечних ребер щитів.

Розрахунок поперечних ребер щитів виконується як балок на двох опорах (однопролітних). Опорами є радіальні балки, а отже проліт ребер l₁ рівний відстані між радіальними балками.

Розрахункова схема ребра наведена на рис. 14.27.

Рис. 14.27. Розрахункова схема ребра

Навантаження на одне ребро збирається з відповідної вантажної площі (в.п.1 на рис.14.25, рис.14.26).

Розрахункове погонне навантаження на ребро: q = p ∙ l, кН/м, де р – навантаження або р↓, або р↑, кН/м²; l = ширина вантажної площі (крок ребер).

Ребро працює на поперечний згин.

Максимальний згинаючий момент

Необхідний момент опору перерізу

За сортаментом підбирається швелер, у якого W_х≥W, і виконуються необхідні перевірки за І та ІІ групами граничних станів.

Б 11. Розрахунок радіальних (поздовжніх) балок.

Розрахунок радіальних (поздовжніх) балок щитів виконується за розрахунковою схемою однопролітної балки (балки на двох опорах). Проліт балки при вільному опиранні на стінку резервуара та оголовок центрального стояка рівний

де d₀ = 2,6…3 м – діаметр оголовка стояка.

Балки сприймають навантаження з вантажної площі у вигляді трапеції, прямокутника чи трикутника ( відповідно для щитів типу 1, 2 і 3) з криволінійною основою по зовнішньому контуру покриття. Наприклад, для трапецеподібних щитів (тип 1) вантажна площа однієї балки наведена на рис.14.28.

Рис.14.28. Вантажна площа радіальної балки трапецеподібного щита

Ширина вантажної площі змінна, розділ проходить посередині відстані між балками. Погонне навантаження на балку відповідно у вигляді трапеції, прямокутника чи трикутника. Наприклад, для балки щита типу 1 (рис.14.29):

q₁ = p ∙ b₁, кН/м; q₂ = p ∙ b₂, кН/м,

де b₁ – ширина вантажної площі по зовнішньому контуру покриття; b₂ – те ж, по внутрішньому контуру.

Рис. 14.29. Схема навантаження на радіальну балку трапецеподібного щита

Для відповідної схеми погонного навантаження визначаються максимальні розрахункові граничний М та експлуатаційний М_е згинаючі моменти. Далі з умови забезпечення міцності

визначається необхідний момент опору перерізу балки

а з умови забезпечення жорсткості

визначається необхідний момент інерції перерізу

За сортаментом приймається номер прокатного двотавра, у якого

W_x ≥ W i I_x ≥ I.

Б 12. Розрахунок центрального стояка.

Розрахунок центрального стояка (рис.14.30) виконується як центрально стиснутого елемента на дію осьової сили N, яка збирається з вантажної площі покриття А_с.

Тоді N = A_c∙p + G,

де G – власна вага стояка (з досвіду проектування маса 1 м довжини стояка приймається 120…150 кг залежно від об’єму резервуара).

Задаються коефіцієнтом поздовжнього згину φ = 0,8 і визначають необхідну площу перерізу стояка

За конструктивними міркуваннями з врахуванням умов опирання щитів покриття і використання стояка для рулонування елементів резервуара переріз стояка приймається з труби діаметром 630…1020 мм зі стінкою товщиною не менше 6 мм. Після остаточного призначення перерізу виконується перевірка стояка.

Оголовок та база стояка проектуються однакового діаметру 2,6…3 м з розрахунком можливості їх використання для рулонування стінки та відправної частини днища на заводі-виробнику.

При внутрішньому надлишковому тиску в резервуарі більше 2 кН/м² необхідно прикріплювати нижній пояс стінки до заглиблених в грунт залізобетонних плит або блоків анкерними болтами (рис.14.31). Кількість болтів визначається розрахунком на розтяг за зусиллям відриву стінки від днища. Як правило, це 4…6 болтів, рівномірно розміщених по контуру нижнього поясу стінки резервуара.

Рис. 14.30. Конструкція центрального стояка резервуара

Рис. 14.31. Схема закріплення резервуара анкерними болтами: 1 – анкерний болт; 2 – залізобетонний блок; 3- нижній пояс стінки; 4 – кільце жорсткості

Б 13. Особливості розрахунку щитового конічного покриття

без центрального стояка.

Для резервуарів без центрального стояка щитове покриття являє собою розпірну конструкцію (розпір Н) і розрахунок зводиться до рішення один раз статично невизначеної системи. Радіальні балки двох діаметрально протилежних щитів приймаються за одну ламану балку, яка опирається на стінку резервуара. Розрахункова схема та схема навантаження радіальної балки наведені на рис.14.32.

Рис. 14.32. Розрахункова схема та схема навантаження радіальної балки

Настил на поперечні ребра розраховується аналогічно покриттю з центральним стояком.

Б 14. Висяче покриття.

Висяче покриття складається з окремих тонких листів трапецеподібної форми в плані з криволінійним зовнішнім контуром. Листки з’єднуються між собою внапустку і вільно звисають, опираючись на центральний стояк та зовнішнє кільце жорсткості по верхньому контуру корпуса (рис.14.33).

У висячому покритті відсутні згинаючі моменти (крім зон крайового ефекту в місцях опирання), а тому воно розраховується як безмоментна оболонка від’ємної гауссової кривизни. Меридіальні N₁ та кільцеві N₂ зусилля визначаються за формулами, наведеними в літературі.

Рис. 14.33. Схема висячого покриття резервуара: 1 - висячі листи;

2 - зовнішнє кільце жорсткості; 3 - центральний стояк

Б 15. Сферичне покриття.

Сферичне покриття складається зі сферичних щитів, які в плані мають трапецеподібну форму. Щити мають радіальні на кільцеві ребра жорсткості, на які опирається листова обшивка товщиною 3…4 мм. Центральний стояк відсутній. Щити опираються одним кінцем на центральне кільце, яке в період монтажу підтримується тимчасовим стояком, а другим кінцем – на опорне кільце (кільце жорсткості), яке розміщене по периметру верхнього контуру корпуса (рис.14.34).

Рис. 14.34. Схема сферичного покриття резервуара: 1 - сферичні щити;

2 - центральне кільце; 3 - опорне кільце (кільце жорсткості); 4- радіальні ребра; 5 - кільцеві ребра.

При розрахунку таке покриття розчленовують на окремі плоскі арки, які складаються з двох діаметрально розміщених криволінійних щитів. Кожну таку арку розраховують як плоску двошарнірну арку з умовною затяжкою (рис.14.35).

Рис..14.35. Розрахункова схема арки з умовною затяжкою

Площа перерізу умовної затяжки визначається з умови рівності її деформацій деформаціям опорного кільця в радіальному напрямку. Задача один раз статично невизначена, де невідомим є розпір Н (рис.14.36).

Рис.14.36. До визначення розпору Н

В арці виникають згинаючі моменти та поперечні сили як в балочній системі та від розпору Н.

Б 16. Особливості конструкції резервуарів з понтоном.

Резервуари з понтоном (рис.14.37) - це різновидність вертикальних циліндричних резервуарів зі стаціонарним покриттям. Понтон призначений для зменшення втрат на випаровування нафти та нафтопродуктів. При наповненні резервуара понтон піднімається (плаває на поверхні рідини). Між понтоном та покриттям відсутня пароповітряна суміш (продукти випаровування). Понтон складається з понтонного кільця (у вигляді замкнутих коробів для плавучості) та центральної частини з плоских листів товщиною 4 мм. Зазор між понтоном та стінкою корпуса приблизно 250 мм герметизується ущільнюючими затворами. Понтон в нижньому положенні опирається на опорні стояки висотою 1,5…2 м для можливості огляду та ремонту днища. Оскільки центральний стояк при такому рішенні неможливий, то покриття виконується сферичним.

Рис.14.37. Конструкція резервуару з понтоном

Б 17. Конструктивні особливості резервуарів з плаваючим покриттям.

При високому обороті нафтопродуктів раціонально використовувати плаваюче покриття (рис.14.38), особливо в південних широтах. При тих же перевагах (відсутність випаровування) резервуар відрізняється тим, що понтон одночасно виконує функції покриття.

Рис. 14.38. Конструкція резервуару з плаваючим покриттям:1-плаваюче покриття (кільцевий понтон у вигляді пустотілого двостінчатого диску); 2-ущільнювальні затвори; 3-опорні стояки; 4внутрішня катуча драбина; 5-кільце жорсткості (для надання жорсткості відкритій зверху стінці)

В. Вертикальні циліндричні резервуари підвищеного тиску.

Г. Горизонтальні циліндричні резервуари.

Самостійне опрацювання ([3], стор.480…486).

Д. Сферичні резервуари.

Сферичні резервуари призначені для зберігання зріджених газів під високим надлишковим внутрішнім тиском (до 250 кН/м²). Їх об’єм коливається від 600 до 4000 м³. Вони більш складні у виготовленні, ніж циліндричні. Резервуари опираються на кільцеву опору або на систему стояків з труб чи двотаврів. Опирання на стояки більш раціональне (див. рис. 14.15). Стінка резервуара розраховується на міцність та стійкість, як сферична оболонка. Розраховуються також опорні стояки та діагональні в’язі.