1.2. Горизонтальні циліндричні резервуари

Крім вертикальних резервуарів часто у хімічній технології використовують горизонтальні циліндричні резервуари. Їх виготовляють об’ємом до 150-200 м³ і довжиною до 20 м. Найбільш раціонально конструювати горизонтальні резервуари з відношенням довжини до діаметру .

Горизонтальні циліндричні резервуари конструюють з плоскими, тарілчастими, напівсферичними, еліптичними і конічними кришками. Тарілчасті і плоскі кришки використовують при надлишковому тискові не більше 0,04 Па і діаметрі резервуару не більше 2,8 м. Якщо тиск більший, то використовують конічні, напівсферичні й еліптичні кришки.

Як сказано вище у стінках горизонтального резервуару крім меридіональних і кільцевих напружень від тиску середовища діють згинальні напруження посередині резервуару і в місці встановлення опор. Внаслідок сумарної дії цих напружень (особливо коли у резервуарі створюється розрідження) переріз резервуару може втратити круглу форму і деформуватися.

Величина згинальних напружень залежить від жорсткості резервуару, кількості опор, відстані між опорами, конструкції опори і кута обхвату та способу його закріплення на опорі. Тому при необхідності у середині великих горизонтальних резервуарів над опорами встановлюють кільця жорсткості, які (якщо це можливо) встановлюють всередині або ззовні апарату. При внутрішньому розташуванні кілець жорсткості їх виготовляють з кутників і приварюють суцільним двостороннім швом до корпусу резервуару. У випадку великого навантаження кільця жорсткості додатково зміцнюють одним розташованим вздовж діаметру або трьома розпірними кутниками (рис. 7).

Внаслідок дії зовнішнього середовища (нагрівання променями сонця або морозу) резервуар розширяється або навпаки зменшується, це викликає горизонтальне напруження вздовж твірної циліндричного резервуару.

Величину цього зусилля визначають за формулою:

, (20)

де – коефіцієнт тертя ковзання або кочення металу по металу або металу по бетону (коефіцієнт тертя ковзання металу по металу приймають в межах , а кочення – );

– реакція опори.

Необхідно пам’ятати, що це зусилля передається також і на фундамент.

Рис. 7. Схема зміцнення горизонтального резервуару над опорами.

1 – зміцнюючий лист, 2 – косинка, 3 – розпірний швелер, 4 – розпірний кутник, 5 – упорний кутник, 6 – обичайка.

Якщо необхідно зменшити горизонтальне зусилля вздовж твірної резервуару, то одну опору закріплюють жорстко, решту встановлюють на ролики.

Кількість опор вибирають залежно від довжини і конструктивного матеріалу, з якого виготовлений резервуар, а також умов його експлуатації. Для розповсюджених довжин резервуарів, які виготовляють серійно є розроблений стандарт, який визначає кількість опор і відстань між ними. Наприклад, для сталевого резервуару довжиною 13,64 м (довжина циліндричної частини 12 м) кількість опор – 3, відстань між опорами 4,5 м, для такого ж резервуару виготовленого з алюмінію кількість опор – 10, відстань між опорами 1.0 м.

При встановлені фундаментів під резервуари, які мають три і більше опор, приймають спеціальні заходи, які забезпечують рівномірне навантаження на всі опори. Наприклад, при встановленні резервуару на три і більше опор, під кожну опору подають рідкий бетон під тиском, контролюючи при цьому його горизонтальність.

Стінки горизонтальних циліндричних резервуарів навантажені розтягувальними зусиллями від дії внутрішнього тиску і згинальними від дії ваги апарату і ваги його вмісту. Тому корпус горизонтального резервуару необхідно також перевіряти на стійкість при згині і на місцеву стійкість у місцях встановлення опор.

Товщину стінки горизонтальних резервуарів, які працюють при атмосферному або надлишковому тискові, розраховують за формулою (1), враховуючи сумарний тиск у резервуарі (надлишковий плюс гідростатичний тиск стовпа рідини).

Розрахункова схема горизонтального резервуару зображена на рис. 8.

При розрахунку горизонтальних резервуарів на згин його розглядають як балку кільцевого перерізу, яка шарнірно закріплена на опорах і навантажена рівномірно розподіленим навантаженням :

, (21)

де – вага апарату разом з середовищем, що зберігається у ньому;

– приведена довжина апарату.

Якщо довжина апарату значно більша від його діаметра, то при проектних розрахунках як приведену можна приймати загальну довжину апарату . При уточнених розрахунках використовують приведену довжину апарату, яку розраховують за формулою:

, (22)

де – висота опуклого днища, м;

– довжина циліндричної частини резервуару, м.

Приведену довжину резервуару також розраховують за формулою:

, (23)

де – довжина випуклого днища, приведена до циліндричної форми, яку розраховують за формулою:

, (24)

де – вага днища, кг;

– вага рідини в об’ємі днища, кг;

– діаметр резервуару, м;

– питома густина рідини, кг/м³;

– питома густина конструкційного матеріалу, з якого виготовлений резервуар, кг/м³;

– товщина стінки резервуару, м.

Знаменник формули (24) є вагою одного погонного метра резервуару.

Згинальний момент посередині резервуару розраховують за формулою:

(25)

де – приведена довжина кінців апарату, які консольно виступають за опору.

Згинальний момент над опорою розраховують за формулою:

(26)

Товщина стінки резервуару буде найменшою, коли . Прирівнявши згинальні моменти і підставивши , можна розрахувати оптимальну відстань між опорами:

(27)

При цій умові значення згинального моменту буде найменшим, і його можна розрахувати за формулою:

(28)

Рис. 8. Розрахункова схема горизонтального резервуару.

При проектних розрахунках достатньо визначити згинальні напруження, які виникають у стінках резервуару, за формулою:

(29)

де – момент опору резервуару круглого перерізу, м³;

Для кільцевого перерізу момент опору розраховують за формулою:

(30)

Якщо згинальні напруження не перевищують половини допустимого напруження на згин для матеріалу резервуару, то вважають, що в першому наближені жорсткість оболонки достатня.

Для визначення запасу стійкості кільцевого перерізу резервуару в місці встановлення опор необхідно розрахувати згинальний момент від дії зосередженої сили, що дорівнює реакції опори. При проектних розрахунках цей момент розраховують за формулою:

(31)

де – реакція опори;

– радіус резервуару;

– коефіцієнт, який залежить від кута обхвату резервуару опорою.

Значення коефіцієнту наступні:

1. = 0,75; якщо резервуар лежить на площині (контакт з площиною вздовж твірної циліндра);

2. = 0,41; якщо резервуар опирається на циліндричну поверхню з центральним кутом 60^О (наприклад, резервуар частково закопаний у землю);

3. = 0,172; якщо резервуар опирається на дві опори з кутом обхвату 60^О;

4. = 0,067; якщо резервуар опирається на дві опори з кутом обхвату 90 ^О;

5. = 0,04; якщо резервуар опирається на дві опори з кутом обхвату 120 ^О.

Тоді напруження від згину кільцевого перерізу розраховують за формулою [8]:

. (32)

Момент опору кільцевого перерізу шириною В і товщиною, яка дорівнює товщині стінки , без додатку на корозію визначають за формулою:

. (33)

Ширину В розраховують за формулою:

(34)

де – ширина опори;

– додаток до ширини опори (з двох боків).

Залежно від необхідного запасу стійкості розрахункову ширину кільцевого перерізу приймають трошки більшою ніж ширина опори (в межах – на один бік).

Сумарне напруження, яке виникає у стінках резервуару, розраховують за формулою:

. (35)

Знак плюс приймають, якщо резервуар працює під вакуумом, а мінус – під надлишковим тиском. Якщо умова не виконується, то необхідно встановлювати підкладний лист або кільця жорсткості.

Підчас уточнених розрахунків перевіряють міцність стінки при сумісній дії згину і розтягувального напруження над опорами і посередині резервуару. При цьому розраховують меридіональні і кільцеві напруження.

Меридіональні напруження від дії сумарного тиску і згинальних моментів по середині резервуару і над опорами визначають за формулами:

, (36)

. (37)

Якщо складові напружень від тиску і ваги мають різні знаки, то додатково повинні виконуватися наступні умови:

, (38)

, (39)

де – модуль повздовжньої пружності конструкційного матеріалу, Н/м²;

– коефіцієнт, який враховує ефективну площу обичайки у перерізі над опорою. = 1, якщо у місці над опорою встановлені кільця жорсткості. Якщо зміцнюючі кільця відсутні, визначають за графіком, який зображений на рис. 9 залежно і від кута обхвату  опорою резервуару.

Якщо або у випадку, якщо резервуар під час випорожнення може знаходитися під вакуумом, обичайку необхідно перевіряти на місцеву стійкість.

Рис. 9. Графік для визначення коефіцієнту залежно від кута обхвату опори.

Епюра кільцевих напружень зображена на рис. 10. Кільцеві напруження, які виникають у корпусі горизонтального резервуару розраховують за формулами:

Для точки А

, (40)

для точки Б,

якщо , (41)

якщо , (42)

де – ефективна ширина обичайки під опорою, м,

яку розраховують за формулою:

(43)

Рис. 10. Епюра кільцевих напружень.

Коефіцієнти і визначають з графіків рис. 11 і рис. 12.

Якщо між опорою і резервуаром є підкладний лист, то у формули (38), (39), (40), (41), (42) підставляють сумарну товщину (товщина обичайки плюс товщина підкладного листа), але не більше ніж . Наприкінці розрахунків перевіряють умови міцності обичайки:

; ; ; (44)

Рис. 11. Графік для визначення коефіцієнту .

Рис. 12. Графік для визначення коефіцієнту .

Конструюючи циліндричні обичайки з листового матеріалу зварюванням або паянням стику з подальшим вальцюванням, необхідно дотримуватися наступних вимог:

• загальна довжина зварювальних швів повинна бути якомога меншою, тому листи необхідно вибирати великих розмірів, виходячи з раціонального розкроювання матеріалу;

• обичайки вальцюють вздовж довгої або короткої сторони. Тому залежно від напрямку вальцювання розкроювання листів повинно забезпечувати мінімально можливу кількість поздовжніх швів;

• зварювання поздовжніх і поперечних швів сталевих, мідних і латунних обичайок повинне бути стикове;

• поздовжні шви в окремих суміжних обичайках резервуару повинні бути зміщені один відносно одного на величину не менше, ніж триразова товщина стінки і не менше, ніж 100 мм між осями швів (див. рис.13);

• всі шви повинні мати доступ для огляду і у випадку необхідності – для підварювання кореня шва;

• розташування поздовжніх швів у горизонтальних апаратах повинно бути за межею 140⁰ нижньої частини корпусу, якщо нижня частина апарату важко доступна для огляду;

• отвори для труб, лазів патрубків тощо виконувати на шві (особливо повздовжніх) не рекомендується;

• допускається свердління на поздовжніх швах отворів для приварних штуцерів діаметром до 150 мм, якщо відстань між ними не менше двох діаметрів отворів, а також встановлення люків на кільцевих швах за умови їх зміцнення.

Рис. 13. Розташування поздовжніх швів у суміжних обичайках.

Визначимо в першому наближені затрати конструкційного матеріалу на виготовлення горизонтального циліндричного резервуару. Для спрощення розрахунків враховувати наявність та вагу зміцнюючих елементів не будемо.

Приклад. Розрахувати питомі витрати металу на виготовлення горизонтального резервуару діаметром , довжиною , конічними кришками висотою і товщиною металу .

Розрахуємо об’єм резервуару:

,

де – об’єм циліндричної частини резервуару, м³;

– об’єм двох конічних кришок;

тоді:

.

Розрахуємо витрати металу на виготовлення цього резервуару точно так само, як і для вертикального резервуару:

,

де – вага бічної поверхні резервуару у кг;

– вага однієї конічної кришки у кг.

Вагу бічної поверхні резервуару розрахуємо за формулою:

.

Вагу кришки розрахуємо так само, як і для вертикального резервуару (дивись рисунок 3.)

Довжину твірної конуса розрахуємо за формулою:

.

Бічну поверхню однієї конічної кришки розрахуємо за формулою:

.

Вага конічної кришки

.

Тоді вага горизонтального резервуару

.

Питомі витрати металу на виготовлення горизонтального циліндричного резервуару становлять:

Питомі затрати металу на виготовлення горизонтальних циліндричних резервуарів, в основному, складають 90 – 150 кг/м³ в залежності від об’єму і конструкції резервуару.