Автор: Р.Х. Гафаров, Т.Р. Гафаров, Д.Н. Воронин (ООО Инженерно-Экспертный центр «Трубопроводсервис»).
Опубликовано в журнале Химическая техника №4/2014
Известно [1], что устойчивость стенки резервуара (рис. 1) обеспечивается, если выполняется соотношение
где σcr1 – первое (меридиональное) критическое напряжение; σcr2 – второе (кольцевое) критическое напряжение.
Первое критическое напряжение вычисляется по формуле
где tmin – толщина самого тонкого пояса стенки (обычно верхний пояс); С – эмпирический коэффициент, определяемый по формулам:
C = 0,04 + 40tmin/r , если 400 ≤ r/tmin < 1220;
C = 0,0085 + 105tmin/r , если 1220 ≤ r/tmin < 2500; (3)
E – модуль Юнга.
Второе критическое напряжение σcr2 = 0,55E(r/Hr)(tmin/r)1,5, (4)
где Hr – приведенная высота резервуара, рассчитываемая по формуле
где hi – высота i-го пояса; ti – толщина листа i-го пояса.
Рис. 1. Схема резервуара
Меридиональное напряжение вычисляется для нижней кромки каждого пояса по формуле
где GMi – вес металлоконструкции, который включает вес покрытия Gп и вес всех расположенных поясов, включая рассматриваемый; s0 – нормативное значение снеговой нагрузки; рвак – допустимый вакуум.
Кольцевое напряжение в резервуарах со стационарной крышей [2] где pвет – нормативная ветровая нагрузка на уровне верха резервуара Н0.
В процессе длительной эксплуатации резервуаров изза коррозии металла толщина стенки в некоторых случаях уменьшается настолько, что нарушается соотношение (1), т.е. не обеспечивается устойчивость. Поэтому для продления ресурса безопасной эксплуатации таких резервуаров необходимо усилить их с помощью ребер жесткости. Чисто теоретически возможны три варианта усиления:
- путем установки только продольных ребер жесткости [уменьшается первое слагаемое в формуле (1)];
- путем установки только кольцевых ребер жесткости [уменьшается второе слагаемое в формуле (1)];
- подкрепление продольными и кольцевыми ребрами жесткости [уменьшаются оба слагаемых в формуле (1)].
С экономической точки зрения наиболее целесообразным является первый вариант, который и рассматривается в дальнейшем.
Устойчивость стенки резервуара, подкрепленной продольными ребрами жесткости. Очевидно, что положительный эффект (повышение несущей способности стенки от установки продольных ребер жесткости) может быть достигнут только при надлежащем выборе расстояния между ними (шаг b, рис. 2, а), а также от геометрических параметров самих ребер жесткости.
Начнем с определения рационального расстояния b между ребрами. При достаточной жесткости ребер подкрепленной оболочки устойчивость может потерять круговая панель, расположенная между ребрами жесткости (рис. 2, б). Пренебрегая кривизной панели (что идет в запас устойчивости), т.е. рассматривая ее как прямоугольную пластину, запишем для нее выражение критического напряжения. Согласно справочнику [2]
где К – коэффициент, учитывающий способ закрепления краев пластинки (в нашем случае К = 7); v – коэффициент Пуассона.
Подставляя К и D в формулу (8), получим
Приравнивая выражения (10) и (2), найдем максимальный шаг bmax, при превышении которого установка продольных ребер жесткости положительного эффекта не дает.
Итак, имеем
откуда
Переходим к определению геометрических параметров ребер жесткости, чтобы при выпучивании панелей не происходило изгиба ребер. Критическое напряжение для них σ(p) кр = π2E/λ2 (здесь λ – гибкость ребер жесткости) должно быть больше, чем напряжение для панелей, т.е. должно выполняться условие
Отсюда находим максимальную гибкость ребер жесткости:
Пример расчета
Параметры резервуара:
Номинальный объем, м3 2 000
Геометрические размеры, м:
радиус r 7,59
высота пояса hi 1,47
высота резервуара H0 11,8
высота налива продукта Hн 10,6
число поясов 8
Материал конструкции Ст3
Расчетное сопротивление Ry, МПа 230
Вес покрытия Gп, кН 100
Нормативные нагрузки, Па:
вакуум pвак 200
ветровое давление pв 300
снеговая нагрузка на 1 м2
горизонтальной поверхности s0 500
Вычисляем r/tmi n =7590/4 = 1897,5 и по формуле (3) находим
Тогда максимальный шаг размещения продольных ребер жесткости
Принимая шаг b0 = 2,4 м, получаем 20 ребер жесткости. При этом σcr1 увеличивается в раза.
Переходим к определению параметров ребер жесткости. В качестве ребер жесткости принимаем стальные прокатные швеллеры длиной l = a = 3b = 7,2 м.
Номер профиля определим из условия
откуда
По ГОСТ 8240–89 принимаем швеллер №18, для которого imi = iy = 2,04 см.
Список литературы
- СТО-СА-03-002–2009. Правила проектирования, изготовления и монтажа вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов.
- Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в 3-х томах. Т. 3/Под ред. И.А. Биргера. М.: Машиностроение, 1968.
