3. Расчет стенки резервуара на прочность

При проектировании и расчете различных элементов резервуара будем пользоваться расчетной схемой приведенной на рисунке 3.1. На данной схеме приведены основные воздействия и нагрузки на элементы конструкций резервуара. Нагрузка на стенки резервуара преимущественно определяется двумя величинами – избыточным давлением и гидростатическим давлением от веса нефтепродукта.

Гидростатическое давление оказывает влияние на элементы резервуара на высоте от днища Н = 0 м до максимального уровня налива жидкости Н_мах = 8,69 м. Гидростатическое давление максимально у днища резервуара и равно нулю у верхнего максимального уровня налива жидкости. Избыточное давление, вызвано наличием давления паров наиболее легких углеводородов. Избыточное давление распределено равномерно и оказывает влияние на весь объем резервуара (крышу, стенку, днище).

Все металлические резервуары по форме представляют тела вращения (тонкостенные оболочки) и для них справедливо уравнение Лапласа:

Где:

- меридианальное напряжение, Па

- кольцевые напряжения, Па

- радиус меридианальный, м

- радиус кольцевой, м

Применительно к вертикальным стальным резервуарам уравнение Лапласа упростится. Для первого уравнения с учетом того, что , выражение примет вид:

или ,

где

- радиус резервуара

- суммарная нагрузка определяемая влиянием гидростатического давления и избыточного давления,

Рисунок 12 – Быстрозатухающие изгибающие моменты

Уравнение Лапласа описывает состояние не всех элементов конструкции резервуара. Теория Лапласа применима только для тех участков, где не наблюдается изменения толщины стенки или отклонение геометрии оболочки от плавной и обтекаемой формы. Для участков тавровых стыков, изменения толщины стенок от одного пояса к другому теория Лапласа не применима. На рисунке 3.2 приведен тот пример, когда теория Лапласа не применима – возникновение быстрозатухающих изгибающих моментов в месте соединения окраек днища и стенки резервуара.

Пользуясь описанной выше теорией проведем расчет стенки резервуара на прочность.

Согласно РД 16.01-60.30-КТН-026-1-04, п. 6.4. «Пожаротушение резервуаров» для защиты вертикальных стальных резервуаров со стационарной крышей применяются автоматические системы подслойного пожаротушения (АСПТ), обеспечивающие подачу низкократной пленкообразующей пены в нижнюю часть резервуара, т.е. непосредственно в нефть (подслойный способ).

Согласно РД 153-39.4-113-01 п.8.3 настройка уровня налива производится ниже уровня, допускаемого несущей способностью резервуара: для резервуаров со стационарной крышей при подслойном пожаротушении - отметкой верха стенки резервуара минус 0,3 м.

1. Расчет высоты налива жидкости в резервуаре:

Z_i – расстояние от днища резервуара до нижней кромки i – го пояса, за исключением нижнего пояса, где Z₁ = 0,3 м

Z_i – расстояние от днища резервуара до нижней кромки i – го пояса, за исключением нижнего пояса, где Z₁ = 0,3 м:

Z_i = (i – 1)· 1,49 .

Номер пояса	Zi, м
1	0,3
2	1,49
3	2,98
4	4,47
5	5,96
6	6,34
7	7,55
8	8,69

2. Объем жидкости в резервуаре:

,

при i = 1:100 (уклон днища), V_н = 2000м³,

;

Высота конуса днища резервуара:

,

.

3. Расчет давления насыщенных паров газового пространства резервуара:

;

;

;

V_г.п. = (V_стр – V_ж) + V_сегм;

V_г.п. = 2044,579– 1959,73+25,999 = 110,85 м³.

4. Давление насыщенных паров по Рейду:

;

;

;

;

Условие по ГОСТ Р 51858 – 2002 не выполняется, следовательно примем

;

Условие по ГОСТ Р 51858 – 2002 не выполняется, следовательно примем

5. Расчет толщины стенки для условий эксплуатации:

где n_г - коэффициент надежности по нагрузке гидростатического давления, n_г = 1,1;

n_и - коэффициент надежности по нагрузке избыточного давления и вакуума, n_и = 1,2;

Z_i - расстояние от днища до расчетного уровня, м;

γ_c - коэффициент условий работы, γ_c = 0,7 для нижнего пояса, γ_c = 0,8 для остальных поясов.

Диаметр	Толщина стенки t , мм
резервуара D, м	Рулонное исполнение		Полистовое исполнение
	Стационарная крыша	Плавающая крыша
D < 16	4	4	5
16 D < 25	6	5	7
25 D < 35	8	6	9
D 35	10	8	10

;

;

;

;

;

6. Расчет толщины стенки с припуском на коррозию

t_э + с, мм:

с – припуск на коррозию, мм (с = 0,59 мм);

Номер пояса	tэ + с, мм
1	5,78
2	4,80
3	4,37
4	3,94
5	3,52
6		2,87
7		2,34
8		1,67

7. Расчет толщины стенки по условиям гидроиспытаний резервуара:

,

где H_g – уровень залива воды при гидроиспытаниях, H_g = H_н = 7,05 м;

ρ_в – плотность воды равная 1000кг/м³. Согласно п. 2.12.12 РД - 16.01 - 60.30.00 – КТН – 026 – 1 – 04 резервуар объемом менее 20000м³ выдерживают 24 часа, залитый до верхней проектной отметки;

γ_с = 0,9 - коэффициент условий работы при гидроиспытаниях для всех поясов одинаков. Сталь С275:

;

;

;

;

Так как толщина 5-4-го поясов резервуара для стали С275 получилась равной 3,5-3,9 мм, а минимально конструктивно необходимая толщина стенки по условиям устойчивости резервуара равна 4 мм (таблица 3.3 ПБ 03-605-03), то проверяем возможность сооружения 5-4 поясов из менее прочной стали С255.

Расчет толщины стенки для условий эксплуатации:

;

Расчет толщины стенки с припуском на коррозию:

t_э + с, мм:

с – припуск на коррозию, мм (с = 0,59 мм);

Номер пояса	tэ + с, мм
8	3,87
7	4,35

Расчет толщины стенки по условиям гидроиспытаний резервуара:

;

Делаем вывод о применяемой марке стали (рисунок 3.3):

с 1 по 3 пояс - сталь С275, а 4-8 пояс – сталь С255.

8. Проверочный расчет на прочность резервуара:

;

где σ_кц.i – кольцевые напряжения каждого пояса резервуара, МПа:

,

где P_гi – гидростатическое давление,

,

где ,

где ξ_t – температурная поправка на плотность нефти, равная 0,000831 1/°С;

σ_м – меридиональное кольцевое напряжение;

γ_n – коэффициент надежности по назначению резервуара. Для резервуаров объемом 2000 м , расположенные по берегам рек, крупных водоемов и в черте городской застройки - класс III, принимаем γ_n = 1,0 (примем, наиболее опасный вариант строительства);

;

;

;

;

;

;

;

;

;

Расчет поясов:

1 пояс: ; ;

2 пояс: ; ;

3 пояс: ; ;

4 пояс: ; ;

5 пояс: ; ;

6 пояс: ; ;

7 пояс: ; ;

8 пояс: ; ;

Кольцевое, меридиональное, расчетное и допустимое напряжения

Номер пояса	σкцi, МПа		σмi, МПа		Σσ, МПа
1	138,066857		69,03343		119,5694
2	152,114113		76,05706		131,7347
3	135,872238		67,93612		117,6688
4	148,737508		74,36875		128,8105
5	128,543839		64,27192		111,3222
6		118,342398	54,17875	109,5267
7		109,567235	46,87454	114,5876
8		103,986663	38,23456	112,5887

Исходя из полученных данных, делаем вывод о том, что условие прочности выполняется для всех поясов резервуара.