Глава XIX

ЛИСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ (РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ)

Листовые конструкции очень часто применяют в технике (резервуары, цистерны, баки, котлы, сосуды, химическая аппа­ратура, конструкции металлургического оборудования и т. п.). Они требуют прочных и плотных швов.

Листовые конструкции разделяют на две основные группы.

К первой группе относятся резервуары и другие изделия, предназначенные для хранения жидкостей и газов, не взрыво­опасных и не ядовитых при давлении р^С0,Б кГ/см² и Г< 100° С. Эти конструкции изготовляют согласно 'общим правилам проек­тирования и требованиям эксплуатации промышленных соору­жений.

Ко второй группе относят котлы и сосуды, работающие под высоким давлением. Эксплуатация их находится под особым на­блюдением инспекции Котлонадзора. Эти конструкции проекти­руют и изготовляют согласно специальным техническим условиям.

Листовые конструкции в значительном количестве изготовля­ют индустриальным методом на заводах и собирают крупными блоками при монтаже. Этот метод непрерывно развивается, охватывая все более широкие области техники и оказывая зна­чительное влияние на методы конструирования этих изделий.

§ 1. Вертикальные цилиндрические резервуары

Цилиндрические конструкции (резервуары) применяют для хранения нефти, бензина и различных масел. Емкость конструк­ций такого типа достигает в отдельных случаях десятков тысяч кубических метров. Основными элементами резервуара являют­ся: цилиндрическая часть, покрытие и днище (рис. 19-1). Днище этих конструкций в большинстве случаев плоское, корпус круг­лый, цилиндрический. Такая форма конструкций наиболее рациональна с точки зрения прочности и возможности

514

Jhuuw^

Рис. 19-1. Общий вид резервуара емкостью V=5000 м³; о) фасад; б) план крыши; в) план дннща; г) схема элемента кроили

изготовления се при наименьшем расходе металла. Наиболее рационально изготовлять резервуары из мартеновских сталей марок Ст. 2 и Ст. 3, а также из низколегированных сталей.

Цилиндрическую часть резервуара составляют по высоте из нескольких обечаек — поясов (рис. 19-2,а). Ширина обечайки зависит от ширины листов. В большинстве случаев она равна 1400-^- 1600 мм. Обечайки резервуара сваривают встык из нескольких листов. Эти стыковые соединения располагаются па­раллельно оси цилиндра и образуют продольные швы резервуа-

й) 6) В)

а ■?- 45' и не менее 25 мм

Рис. 19-2. Сварные соединения обечаек:

а, 6) расположение обечаек -При сварке в стык; в) ступенча­тое расположение обечаек; г) соединение внахлестку; /—поперечный шов; 2 — продольный шов

ра. Обечайки соединяют между собой поперечными (кольцевы­ми) швами. Верхние обечайки сваривают внахлестку.

С начала 50-х годов в СССР цилиндрические части резервуа­ра проектируют с учетом изготовления их методом рулонирова-ния. Для этого на заводе из отдельных листов сваривают карты, которые сворачивают в рулон и транспортируют на монтажную площадку, где устанавливают и разворачивают их. В СССР этот способ полностью вытеснил малопроизводительный процесс «полистовой» сборки резервуаров, который применялся ранее.

Для удобства изготовления цилиндрических частей резервуа­ра предусматривают следующее. Нижние обечайки, имеющие относительно большую толщину стенок, сваривают между собой

51С

встык, продольные соединения этих обечаек также имеют сты­ковые' швы. Верхние обечайки, имеющие меньшие толщины, сваривают внахлестку.

Б настоящее время при рулонировании допускается возник-повсние пластических деформаций, вызывающих в металле оста­точные напряжения, которые, как показали результаты исследо­ваний Института электросварки им. Е. О. Патока, не представ­ляют опасности для прочности конструкций. Использование низколегированных сталей расширяет перспективы применения методов рулонирования листов.

Для резервуаров весьма больших размеров рулоннрование толстых листов может оказаться затруднительным вследствие раскрытия вертикальных стыков и образования трещин. В этом случае могут быть применены двойные оболочки, каждая из ко­торых рулонируется независимо от другой. Оболочки могут иметь одинаковые или разные толщины листов.

Схематическое расположение швов на цилиндрической части резервуара показано на рис. 19-2, а. Продольные стыковые швы в нижней части оболочки располагают или в одну нитку или вразбежку (рис. 19-1,а сверху). На рис. 19-2,6 показан поперечный разрез нижней части оболочки. В верхней части листы соединяют внахлестку, как показано на рис. 19-2, в, г. Внешние швы внахлестку накладываются непрерывными, внут­ренние— прерывистыми. Последнее делается для улучшения условий контроля соединений на плотность. В местах пере­сечении горизонтальных и вертикальных швов производят подбивку листов, обеспечивающую плотность соединений. Вес соединения цилиндрической части оболочек сваривают на заво­дах автоматами под слоем флюса. Последний замыкающий шов па монтаже выполняют вручную на вертикальной плоскости.

Толщину обечаек проектируют переменной и назначают со­гласно расчету на прочность. Основными рабочими соединения­ми являются продольные швы обечаек. Их прочностью опреде­ляется толщина стенок резервуара.

Допустим, что давление в резервуаре на глубине у (рпе. 19-3, а)

Р = 1У. (19.1)

где у— вес единицы объема жидкости;

у — глубина рассматриваемого слоя относительно свободной

поверхности. Определим напряжения в кольце, вырезанном из обечайки, шириной, равной единице.

Рассечем кольцо плоскостью и приложим в месте разреза силы

N'^os- 1, (19.2)

517

где а— напряжение в кольце; 5 —толщина кольца. Условие статического равновесия элемента ds равно

2ЛЧ 2 J>#rf« cos a = О,

откуда

■к {2

f

О

я/2

N~pR § cosadti'-= pR\$\na \ = pR.

(19.3)

Напряжения в кольце равны

S

(19.4)

Рис, 19-3, К расчету цилиндрическое части ре­зервуара:

Напряжения а дей­ствуют параллельно касательной к цилинд­рической поверхности. Они возникают также и в продольном щве обечайки. Поэтому из условий прочности на­пряжение должно быть

° < Ир,

о) определение напряжений цилиндрической части;

б) цилиндрическая часть ослаблена отверстиями;

в) цилиндрическая часть в месте отверстия усиле-

на кольцом

где [о']_р — допускаемое напряжение при растяжении в

сварном шве. Требуемую толщину s_rp листа обечайки определяют по фор­муле

*т_Р = -1§т-' (19.о)

где R — радиус цилиндра;

р — давление, которое определяется по формуле (19.1), со­гласно техническим условиям в сечениях на расстоянии 300 лш от нижней кромки пояса рассчитываемой обе­чайки (см. рис, 19-2, а). Чем меньше давление р, тем соответственно тоньше листы обечайки. По соображениям рационального конструировання наименьшую толщину обечайки в резервуарах принимают рав-

518

_ной 4 мм. Поперечные швы в резервуарах напряжены значи­тельно меньше.

При проектировании резервуаров в настоящее время приме­няют метод расчета прочности по предельному состоянию. При этом допускаемое напряжение определяется по формуле

М_р = Яр

m п

(19.6)

где #,

расчетное сопротивление. В резервуарах из стали ма­рок Ст. 3, сваренных электродами Э42 при использо­вании физических методов контроля швов, расчетное сопротивление равно R_p~2\ кГ/мм², а при визуальном методе контроля и применении тех же электродов R_p = 18 кГ/мм²; т — коэффициент условий работы, равный обычно 0,8; п — коэффициент перегрузки, равный: 1,1—для гидроста­тического давления жидкости; 1,2 — для избыточного давления газов и вакуума; 1,4 — для снеговой на­грузки. Числовое значение [а]_р

21 • 0,8 1,1

15,3 к Г/мм².

Результаты определения толщины поясов резервуара емко­стью V=5000 m^z приведены в табл. 19.1.

Т аблнца 19.1

	Определение	толщины s поясов резервуара
Л? пояса	А, см	AD, СМ	PR		S, ММ
VIII VII	274,0 420,5	244,0 390,5	1,6 2,6		4 4
VI I	1148,5 1292,0	1118,5 1262,0	7.5 8.5		8 0

Примечание А —расстояние о-г расчетного уровня за.шил жидкости до нижней кромки пояса; Л_а - то же, для расчетного уровня пояса принимаемого на горизонте Л

кэ 3(Ю мм ыыше нижней его пороки (см. рис. 1У-2,я); R ~ радиус цилиндра, равный 1144 см; р -давление, равное 0,001 Л, кГ'СМ*-

Б соединениях внахлестку распределение напряжений нерав­номерно. В горизонтальных швах внахлестку на участках двой-

519

ной толщины растягивающие напряжения, направленные по ка­сательной к окружности, уменьшаются, по сравнению с растя­гивающими напряжениями на участках вне нахлестки. Соответ­ственно сокращаются величины кольцевых деформаций. Корпус в этих зонах имеет меньший диаметр, нежели между нахлестка­ми, поэтому элементы, направленные по образующей, испытыва­ют изгиб.

Если в поясе предусмотрено отверстие для крепления труб, то обечайка в зоне отверстия ослабляется и в этом случае воз­можны два варианта расчета.

1. Допустим, что напряжение в сечении, ослабленном отвер­стием (рис. 19-3, о"), равно

-ffe)<W, (19.7)

где Я„ — высота пояса;

d — диаметр отверстия. В этом случае отверстие не является опасным, так как запас прочности в целом сечении настолько велик, что даже в месте выреза расчетное напряжение о оказывается меньше допускае­мого.

2. Предположим, что напряжение в сечении; ослабленном от­верстием, больше допускаемого [а}₉. В этом случае обечайку в зоне выреза обычно усиливают (рис. 19-3, в), например коль­цом. Условно считают, что кольцо возмещает площадь металла, вырезанного из стенки,

Плоское днище резервуара, установленное на песчаное или бетонное основание, не несет рабочих усилий. Днище изготовля­ют из листов толщиной 4-^8 мм в зависимости от диаметра резервуара. Нередко по периферии днища под вертикальными стенками укладывают более толстые листы, нежели в средней части. Например, если в средней части s —6 мм, то па перифе­рии 5 — 8 мм; если в средней части s = 4 мм, то на периферии s=Q мм.

Проектирование днищ производят с учетом их изготовления на заводе, рулонировапия и транспортировки на место установ­ки. Если резервуар имеет значительные размеры, то рулонируют днище частями и на месте установки их сваривают монтажным швом; при малых диаметрах рулонируют все днище. На заводе днище сваривают из листов внахлестку, как показано на рис. 19-1,о; в местах пересечений швов производят подбивку. Днища сваривают на автоматах: один из швов нахлестки дела­ют непрерывным, другой — прерывистым для облегчения опера­ции контроля герметичности соединений. Прежде в СССР и за рубежом в конструкциях применялись сегментные кольца, куда вваривались средние части днищ. В настоящее время от этих конструкций отказались.

520

Соединение цилиндрической части с днищем является ответ­ственным элементом конструкции (рис. 19-4, а). В месте соеди­нения возникает изгибающий момент М. Величина-момента зависит от толщины вертикальной стенки и днища, коэффициен­та жесткости основания и от длины участка листа днища (кон­соли), выступающего за стенку.

Напряжение направлено параллельно образующей. Эпюра распределения напряжений от момента по высоте стенки резер­вуара показана на рис. 19-4,6. Установлено, что соединение ци­линдрической части с днищем двумя непрерывными ■ швами обеспечивает прочность, поэтому обычно специального расчета на прочность для этого соединения не производят.