1.6. Основні поняття про металеві листові конструкції

Листовими називаються конструкції, основними несучими елементами яких є плоскі або гнуті ме­талеві листи типу пластин і оболонок. Листові конструкції застосовують для зберігання, пере­вантаження, транспортування, технологічної пе­реробки рідини, газів і сипких матеріалів.

До листових конструкцій належать резервуари для зберігання води, нафтопродуктів й інших рі­дин, газгольдери для зберігання та перерозподілу газів, бункери й силоси для зберігання і пере­вантаження сипких матеріалів, трубопроводи ве­ликих діаметрів для транспортування рідин, газів і подрібнених або зріджених твердих порід, спе­ціальні конструкції металургійних, хімічних та інших галузей промисловості (кожухи доменних печей, повітронагрівачі, електрофільтри, місткості хімічної та нафтової апаратури, димові та вен­тиляційні труби, градирні, захисні споруди-обо­лонки атомних електростанцій).

Умови експлуатації листових конструкцій ду­же різняться між собою, наприклад, вони можуть бути надземними, наземними, підземними, підвод­ними, можуть сприймати статичне й динамічне навантаження, працювати під низьким, середнім чи високим тиском, у вакуумі, під дією низьких, середніх і високих температур, у нейтральному і агресивному середовищі тощо.

Конструктивною особливістю листових кон­струкцій є виконання їх із товстолистової і деколи з тонколистової сталі з незначним застосуванням фасонної профільної сталі. Листові конструкції мають велику довжину зварних з’єднань, яка перевищує в два-три рази довжину зварних швів звичайних металевих конструкцій (на одиницю маси). До зварних швів металевих конструкцій ви­сувають підвищені вимоги: вони повинні бути не тільки міцними, але й щільними, герметичними. Зварні з’єднання виконують встик і внакладку. Найбільш доцільним є з’єднання встик, що за­безпечує найбільшу надійність і найменші вит­рати металу.

Для листових конструкцій використовують листи товщиною до 4 мм із рулонної холоднока­таної сталі, а при товщині від 4 до 10 мм – із рулонної гарячекатаної сталі.

Для більшості листових конструкцій застосо­вують марки сталей згідно з табл. 50 СНиП II-23.81.

1.7. Металеві резервуари для води

Резервуари для води складаються з циліндричної частини, днища та покрівлі. Їх встановлюють на водонапірних баштах. Днища резервуара бувають різної форми (рис. 1.6). Плоскі днища найбільш прості для виготовлення, пра­цюють на згин при опиранні на балки і тому мають товщину листів більшу, ніж днища іншої форми.

Рис. 1.6. Схеми резервуарів водонапірних башт: а, б – з плоскими днищами; в – з конічним днищем; г, д, е – зі сферичними днищами; є, ж – днища з циліндричних пелюстків або підків; з, и – днища системи Інтце

Конічні днища (1.6, в) простіші для виготов­лення, ніж сферичні, їх зручно очищати від оса­дів. За витратою металу конічні днища менш еко­номічні порівняно зі сферичними.

Сферичні днища застосовують двох видів (1.6, г, д): у вигляді сферичного сегмента висотою 1/6 діаметра резервуара; у вигляді напівсфери.

Загальний недолік сферичного днища – складність згину листа по поверхні сфери, чого неможливо виконати на звичайних вальцях. Дни­ща із циліндричних пелюстків або підків (1.6, є, ж) не мають цього недоліку, але потребують підвищеної точності при виготовленні пелюстків.

При значних діаметрах резервуара застосову­ють днища системи Інтце, які виконують з ко­нічної та сферичної частин (1.6, з, и). Кути нахилу конічної частини та дотичної до сферичної час­тини мають бути однаковими, близько 45°. Днище при цьому працює на напруження стиску і не створює розпору, тобто на опорне кільце пере­дається тільки вертикальний тиск, якщо

, (1.20)

де – діаметр опорного кільця; – діаметр циліндричної частини резервуара. Це співвідно­шення одержимо тоді, коли об'єми води і будуть рівнозначними. Недоліком днища є робота на стиск. Для забезпечення стійкості стисненої оболонки днища треба його підкріпляти ребрами або збільшувати товщину, порівняно з днищами, які працюють на розтяг.

Магістральні трубопроводи, резервуари спеці­ального призначення, кожухи доменних печей, по­вітронагрівачі виготовляють зі спеціальних сталей.

У резервуарах для кислот й інших агресивних рідин доцільно застосовувати алюмінієві сплави або біметали – сталеві листи, плаковані з боку агресивного середовища нержавіючою сталлю. і Для захисту від корозії зовнішню поверхню ре­зервуарів або газгольдерів покривають лакофарбовою плівкою.

З точки зору розрахунку листові конструк­ції – це тонкостінні оболонки, які здебільшого розраховують за безмоментною теорією. З цього випливає, що напруження розтягу й стиску по товщині оболонки розподіляється рівномірно, а згинальний момент досягає значної величини і тільки в місцях зміни контуру, наприклад, у місці з’єднання оболонки з плоским днищем.

Основи розрахунку. Для оболонки подвійної кривизни залежність між нормальними напру­женнями і , які діють на поверхні оболонки перпендикулярно одне одному, описується фор­мулою

, (1.21)

де і – радіуси кривизни оболонки; – інтенсивність тиску; – товщина оболонки. Для циліндричної частини резервуара (рис. 1.6, б) один із радіусів дорівнює нескінченності, і тоді залежність (1.21) має вигляд

, (1.22)

звідки товщина стінки

. (1.23)

Товщину стінки за існуючим методом граничних умов визначаємо за формулою

, (1.24)

де – гідростатичний тиск; – об'ємна маса рідини; – висота рівня резервуара, на якому визначається товщина стінки; – коефіцієнт надійності щодо навантаження; – коефіцієнт міцності в стиках листів.

У резервуарах зі стінками змінної товщини товщина листів кожного яруса визначається за величиною тиску в нижньому його краї. Наймен­шу товщину стінки приймають рівною 4 мм.

Рис. 1.7. Розрахункова схема резервуара

У сферичному днищі (рис. 1.7) виникають як меридіальні напруження , так і напруження , напрямлені вздовж дотичної до горизонтальної сфери днища. Для визначення і запишемо два рівняння. Вирізавши частину днища і про­ектуючи всі діючі зусилля на вісь , одержимо

, (1.25)

де – маса води, що знаходиться над виріза­ною частиною днища. Звідси меридіальне напру­ження

. (1.26)

Для визначення кільцевого напруження вико­ристовуємо рівняння оболонки, яке виражає за­лежність між і :

. (1.27)

Легко пересвідчитися, що , крім централь­ної точки днища, для якої . Для централь­ної точки днища з основного рівняння

, (1.28)

тобто напруження вдвічі менше, ніж для цилінд­ра того ж радіуса.

Товщину сферичного днища постійної товщи­ни визначають за формулою

. (1.29)

У резервуарах великого діаметра для економії металу застосовують для днища листи різної тов­щини. Позначивши місця стиків листів, визнача­ють товщину листів за формулою

. (1.30)

Розрахунок опорних кілець. Зусилля в кільці на одиницю довжини визначають за формулою

. (1.31)

Опорне кільце навантажене рівномірно розподі­леними радіальними силами, які діють на ділянці з’єднання днища зі стінкою у вигляді горизон­тальної складової від напружень (рис. 1.8). Склавши рівняння проекції на вісь для половини кільця, одержимо внутрішнє стискальне зусилля в кільці:

. (1.32)

Відповідно для цього зусилля вибирають переріз кільця як центрово-стисненого елемента.

Рис. 1.8. Розрахункова схема кільця резервуара

Додат­ково стиснене кільце перевіряють на стійкість за формулою

, (1.33)

де – радіус кільця; – момент інерції кільця відносно його вертикальної центральної осі.

Надійність стійкості кільця визначають за фор­мулою

. (1.34)

Крім горизонтальної складової напружень на опорне кільце діють вертикальні зусилля

. (1.35)

Якщо кільце опирається по всій довжині на цегляні або залізобетонні стіни башт, то воно не працює на згин, а в ньому виникають невеликі напруження стиску.

Якщо опорне кільце опирається на окремі сто­яки (колони) башт, то воно працює на згин та стиск і розраховується за формулою

, (1.36)

де – згинальний момент, що визначається як для нерозрізної балки, опорами якої служать стояки башти.

Опорне кільце резервуара виконують з кут­ників, листів, швелерів (рис. 1.9). У розрахунковий переріз кільця входить горизонтальний лист, зов­нішній пояс і частина циліндричної стінки резервуара по з кожного боку горизонтального листа.

Рис. 1.9. Конструкції опорних кілець із кутиків (а); з листів (б); з швелерів (в); з кутиків і листів (г)