§ 5. Шаровые резервуары

Для хранения нефтепродуктов с высоким давлением насыщенных паров и сжиженных газов получили широкое распространение шаровые резервуары, работающие под избыточным давлением. В соответствии с ГОСТ 9463—60 в шаровых резервуарах установлены следующие давления: 0,25; 0,6; 1,0 и 1,8 МПа. При давлении меньше 0,2 МПа неэкономично применять шаровые резервуары, так как их вес при этом получается такой же, как каплевидных, а стоимость на 40— 50% выше из-за необходимости штамповки листов, усложнения обработки кромок и сборки. Материалом для шаровых резервуаров служит низколегированная сталь 09Г2С (ГОСТ 5058—65). Для индустриальных методов изготовления лепестков оболочки на заводах принят постоянный ряд диаметров шаровых резервуаров 9, 10,5,12,16 и 20 м, соответствующих номинальным объемам 300, 600, 900, 2000 и 4000 м³. Согласно правилам Госгортехнадзора шаровые резервуары отнесены к сосудам первого класса, для которых запас к пределу прочности должен быть не менее трех, а коэффициент прочности стыковых швов к = 0,85 Ч- 0,95.

Оболочка сферического резервуара опирается на несколько колонн, привариваемых непосредственно к корпусу, которые передают давление на бетонный фундамент. Для большей жесткости колонны часто соединяют между собой системой растяжек (рис. 3.22).

Рис 3.22. Шаровой резервуар.

1 — узел дыхатель­ной арматуры; 2 — поплавковый указатель уровня; 3 — совмещенный узел (шлюзовая камера) для замера уровня, температуры нефтепродукта и отбора пробы; 4 — запорная арматура; 5 — приемный и раздаточный патрубки;. 6 — дренажный кран.

Согласно основному уравнению (3.1) для шаровой оболочки (без учета явлений местного изгиба и концентраций напряжений у опор)

(3.72)

где R — радиус шаровой оболочки.

Если в резервуаре действует только избыточное давление, то усилия в оболочке во всех точках будут одинаковыми

(3.73)

Усилия от гидростатического давления будут зависеть от положения рассматриваемой на оболочке точки. Для расчета усилий, возникающих в оболочке от гидростатического давления, разделим резервуар по линии сечения аа' (рис. 3.23) на две части и рассмотрим раздельно условия равновесия верхней и нижней частей.

Рис. 3.23. Расчетная схема шарового резервуара.

Расчет верхней части оболочки φ <φ₀

По расчетной схеме на рис. 3.23, а условие равновесия верхней части запишется так:

(3.74)

где А_в — сила реакции верхней части оболочки, равная весу нефтепродукта в объеме оболочки над выделенным элементарным кольцом; Т— проекция меридиональных усилий на вертикальный диаметр оболочки.

Выделим на поверхности шара элементарное кольцо ds и примем его за цилиндрическое с площадью поверхности df = 2πxds. При этом ds = R tg dφ; так как тангенсы малых углов равны значению угла, то ds ≈ Rdφ, a х =Rsinφ. Тогда dF = 2πR² sin φ dφ. Полная сила реакции А_в =, где р_у — проекция переменного гидростатического давления на вертикальный диаметр

Тогда

и

После интегрирования

(3.75)

Проекция внутренних сил в верхней части оболочки на вертикальный диаметр

Подставляя найденные значения А_в и Тв уравнение равновесия, получаем

(3.76)

а на основании основного уравнения (3.72)

(3.77)

Толщину листов верхней части оболочки вычисляют по полному значению усилии

Расчет нижней части оболочки φ>φ_о

Согласно расчетной схеме; Представленной на рис. 3.23, б, условие равновесия для нижней части оболочки запишется

(3.78)

где А₀ — реакция на опорном кольце, равная весу нефтепродукта в объеме шара

Т— проекция внутренних сил в нижней части оболочки на вертикальный диаметр

Подставляя в (3.78) найденные значения А_о, ТиА_в, получаем

откуда

(3.79)

Значение Тнайдем из основного уравнения (3.72), в котором

Тогда

(3.80)

Толщину стенки нижней части оболочки определяют по полному значению усилий

Незаполненный шаровой резервуар должен иметь достаточный коэффициент запаса на опрокидывание под действием ветровой нагрузки, Опрокидывающий момент от давления ветра

где М — опрокидывающий момент от давления ветра в Н-м; Р_в — сила ветра в Н; R — радиус шара в м; b — расстояние от нижнего полюса резервуара до земли в м.

Тогда

где k — коэффициент сопротивления шаровой поверхности потоку воздуха, или аэродинамический коэффициент (k≈0,15); р_в — давление ветра в Па

ρ — плотность воздуха в кг/м³; w — скорость ветра в м/с.

Расчет колонн следует вести на продольный изгиб по формуле Эйлера

(3.81)

где Р_кр — сила, при которой возможна потеря прямолинейности оси колонны в Н; Е — модуль упругости материала колонн в Па; I_min — наименьший момент инерции в м⁴; L — длина колонны в м; а — коэффициент, зависящий от вида заделки.

Если один конец колонны заделан, а другой свободен, то а = π/4, а если оба конца колонн заделаны, то а — 4π².

Допускаемая нагрузка на колонну

где с — запас устойчивости (для стали с ≈ 4 ÷ 5).

Нагрузка Р, действующая на все колонны, складывается из веса нефтепродукта Р_н и веса оболочки Р_о. Тогда число колонн

Опорные плиты изготовляются из бетона М-110. Необходимую площадь опорной плиты находят из условия работы бетона при осевом сжатии

Толщина стальной плиты определяется из условия работы на изгиб по пятой схеме защемления ¹