Диссертация (Особенности прочностного расчета и конструирования сосудов и аппаратов сернокислотного производства), страница 11

Темне менее, они носят рекомендательный характер, то есть после выбора потаблице наиболее рациональных размеров и числа ребер жесткости, по [34]следует провести проверку условия прочности (3.2.1.1).Плоские гладкие и оребренные днища просты в изготовлении, ноимеютсущественныйнедостаток–большуюматериалоемкостьпосравнению с коническими и эллиптическими днищами, при выполненииусловий прочности. Например, для резервуара диаметром 600 мм при74плотности среды 1483 кг/м3 (концентрированная серная кислота) отношениемассы гладкого плоского днища (выше было показано, что устанавливатьребра жесткости в данном случае не целесообразно) к массе коническогоднища составляет 8.8.Таким образом, для снижения материалоемкости горизонтальныхрезервуаров, а значит и снижения их стоимости, целесообразно использоватьвыпуклые или конические днища. В случае если необходимо использоватьплоские днища, то приведенные в таблице результаты анализа рациональнойконструкции плоских оребренных днищ позволят значительно снизить ихматериалоемкость.3.2.2.

Анализ напряженного состояния гладких плоских круглых днищгоризонтальных резервуаровГоризонтальные резервуары, установленные на седловых опорах,нашли широкое применение во многих отраслях народного хозяйства, впервую очередь, в химической и нефтеперерабатывающей промышленности.Обычно используются резервуары объемом до 100 м3. Наибольшеераспространение получили резервуары объемом 75 и 100 м3 с внутреннимдиаметром обечайки 3200 мм.Расчет на прочность обечаек таких резервуаров регламентирует«ГОСТ Р 52857.5-2007» [37]. Как отмечалось в разделе 3.1, расчет носитповерочный характер, то есть для конкретной обечайки проверяются условияпрочности и устойчивости.

В разделе 3.1 [37] приведены результатытеоретического обоснования выбора рационального места расположенияседловых опор, минимальной исполнительной толщины стенки обечайки,конструкции днищ. Расположение седловых опор должно обеспечиватьравенство изгибающих моментов между опорами и над ними, за счет того,что расчет на прочность и устойчивость обечайки горизонтальныхрезервуаров исходит из максимального значения изгибающего момента по[37].75Если с расчетом на прочность обечаек по «ГОСТ Р 52857.5» [37], сучетом рекомендаций, приведенных в разделе 3.1 [37], не возникает никакихпроблем, то с расчетом днищ все обстоит иначе. Днища в горизонтальныхрезервуарах используют самые разнообразные: гладкие плоские, плоские срадиальными ребрами жесткости, конические, конические усеченные,эллиптические и сферические.

Расчет всех этих днищ приведен в«ГОСТ 52857-2007» [34].В разделе 3.2 [57] указывается, что ряд заводов-изготовителейвыпускают резервуары диаметром 3200 мм с плоскими гладкими днищамитолщиной от 4 до 8 мм, условия прочности которых в соответствии с«ГОСТ Р 52857.2-2007» не выполняются. Тем не менее, такие резервуарыуспешно эксплуатируются десятилетиями.Было сделано предположение, что под действием гидростатическогодавления жидкости плоское днище деформируется, переходит в областьпластических деформаций и становится выпуклым, при этом напряжения непревышают предела текучести. При повторном заполнении горизонтальногорезервуара средой днище, принявшее выпуклую форму, будет работать вобласти упругих деформаций.

Это предположение требует подтверждения,чему и посвящен данный раздел диссертации.Нами был проведен анализ напряжений и деформаций гладкихплоских днищ горизонтальных резервуаров диаметром 3200 мм приразличной плотности продукта (900 и 1840 кг/м3) с использованиемпрограммного продукта SolidWorks Simulation, предназначенного длямоделирования ряда задач, в том числе напряженно-деформированногосостояния твердых тел. Модель создана с помощью инструментов«поверхности». Для расчета использовалась модель «толстых» оболочекТимошенко-Миндлина, продемонстрировавшая лучшую стабильность вшироком классе задач по сравнению с аппроксимацией Кирхгофа-Лява [1, 9,33].

Анализ проводился для резервуаров, выполненных из стали, предел76текучести которой равен 220.6 МПа (аналог стали марки Ст.3), при ихполном заполнении. Расчетная температура принята равной 20оС.Сначала рассмотрим, какие напряжения возникают в плоских днищахпринагруженииихгидростатическимдавлениемрабочейсреды(рисунок 3.2.2.1).абРисунок 3.2.2.1 – Напряжения в днище и обечайке диаметром 3200 мм, столщиной стенки 6 мм, плотность среды 900 кг/м3 и 1840 кг/м3:а – плотность среды, равная 900 кг/м3;б – плотность среды, равная 1840 кг/м3.Из рисунка 3.2.2.1 видно, что напряжения, превышающие пределтекучести, возникают в днище в зоне сопряжения с обечайкой и достигаютмаксимальных значений 255 МПа в нижней части днища, однако при этомимеют значения меньше временного сопротивления 460 МПа для сталимарки Ст3 [33].Рассмотрим далее, какие при этом возникают перемещения в днище иобечайке (рисунок 3.2.2.2).77абРисунок 3.2.2.2 – Перемещения в днище и обечайке диаметром 3200 мм, столщиной стенки 6 мм, плотность среды 900 кг/м3 и 1840 кг/м3:а – плотность среды, равная 900 кг/м3;б – плотность среды, равная 1840 кг/м3.Как и следовало ожидать, максимальные перемещения наблюдаются вцентральной части днища при некотором смещении к низу днища вследствиероста гидростатического давления.

Причем перемещения эти довольнозначительные: при плотности среды 900 кг/м3 перемещение составляетпорядка 42.4 мм, а при плотности среды 1840 кг/м3 его величина доходит до56 мм. Таким образом, сделанное в разделе 3.3 предположение, что поддействием гидростатического давления среды тонкостенное гладкое плоскоеднище деформируется и приобретает выпуклую форму, вполне обосновано.С увеличением деформации (выпуклости) днища напряжение перестаетувеличиваться и не происходит потеря его прочности.Естественно, возникает вопрос, а как ведет себя плоское днище срасчетной по [34] толщиной стенки 27.2 мм? Проанализируем, какиенапряжения и перемещения возникают в толстостенном плоском днищегоризонтального резервуара (рисунок 3.2.2.3).78абРисунок 3.2.2.3 – Напряжения и перемещения в плоском гладком днищес толщиной стенки 27.2 мм:а – напряжения; б – перемещения.Максимальное значение напряжений в центральной зоне днищасоставляет в данном случае порядка 50 МПа, в нижней части – 65 МПа.Соответственно, перемещения в центральной зоне будут составлять 8.4 мм,что в пять раз меньше, чем у тонкостенного днища с толщиной стенки 6 мм.Реальные напряжения, возникающие в плоском гладком днище прирасчетной толщине стенки по [34] 27.2 мм, почти в 2.5 раза меньшедопускаемого значения 154 МПа для стали марки Ст3 [33].

Таким образом«ГОСТ Р 52857.2» [34] дает неоправданно завышенные расчетные значениятолщины стенки гладкого плоского днища.Поскольку тонкостенные плоские днища, как следует из рисунка3.2.2.1, частично работают в области пластических деформаций, после сливарабочей среды должны возникать остаточные деформации. Программныйпродукт SolidWorks Simulation позволяет определить эти деформации ипровести анализ напряжений и деформаций при повторном нагружениирезервуара рабочей средой с их учетом (рисунок 3.2.2.4).79абРисунок 3.2.2.4 – Напряжения и перемещения при повторномнагружении резервуара после слива рабочей среды с плотностью900 кг/м3, толщина стенки днища 6 мм:а – напряжения; б – перемещения.Представленные на рисунке 3.2.2.4 (а) данные показывают, что приповторном наливе рабочей среды в резервуар возникающие в нижней частиднища максимальные напряжения 152.8 МПа не превышают допускаемогозначения для стали марки Ст.3 – 154 МПа, и соответственно, как минимум, в1.5 раза (коэффициент запаса по пределу текучести [9]) и 2.4 раза(коэффициент запаса прочности по временному сопротивлению [33]) меньшепредела текучести и временного сопротивления (предела прочности).Максимальная деформация днища при этом составит всего 15.9 мм.

Такимобразом, сделанные нами предположения подтвердились, при повторномнагружении рабочей средой плоское гладкое днище резервуара будетнаходиться в области упругих деформаций. Естественно, количествоповторных нагружений ограничивается только расчетом на малоцикловуюпрочность по «ГОСТ Р 52857.6» [38].Как отмечалось ранее, горизонтальные стальные резервуары должныбыть изготовлены и приняты в эксплуатацию согласно «ПБ 03-584-03» [67] и«ГОСТ Р 52630-2012» [32]. В соответствии с этими нормативнымидокументами испытание сосудов, работающих под налив (без давления),80осуществляется путем смачивания сварных швов керосином в обоснованныхслучаях или налива воды до верхней кромки сосуда.

Однако в общем случаепробное давление Рпр при гидравлическом испытании сосудов находят,используя формулу:пр = 1.25[]20(3.2.2.1)где Р – расчетное давление, МПа (кгс/см2); []20, []t – допускаемыенапряжения для материала соответственно при 20 °С и расчетнойтемпературе t, МПа (кгс/см2).Рассмотрим случай, когда были бы проведены пневматическиеиспытания, то есть днище будет нагружено равномерно распределеннымдавлениемравнымвнашемконкретномрассматриваемслучаегидростатическому давлению, умноженному на 1.25, что соответствуеттребованиям «ГОСТ 17032» [18]. После проведения пневматическихиспытаний резервуар заполняется рабочей средой. На рисунке 3.2.2.5приведены результаты такого анализа.абРисунок 3.2.2.5 – Напряжения и перемещения после проведенияпневматических испытаний в днище и обечайке диаметром 3200 мм,с толщиной стенки 6 мм, плотностью среды – 900 кг/м3:а – напряжения; б – перемещения.81После проведения пневматических испытаний при заполнениирезервуара рабочейсредойс плотностью 900 кг/м3максимальныенапряжения в нижней части днища (рисунок 3.2.2.5 а) составляют 142.6 МПа,а максимальные перемещения – 11.2 мм (рисунок 3.2.2.5 б), то есть днищебудет работать в области упругих деформаций, более того максимальныенапряжениянепревысятдопускаемыхзначений,определяемыхпо«ГОСТ Р 52857.1» [33].Требованиякпроектированию,изготовлениюгоризонтальных стальных резервуаров дляииспытаниюхранения нефтепродуктовустанавливает «ГОСТ 17032» [18].

В соответствии с этим стандартомисполнительная толщина стенки корпуса должна быть равна более 4 ммвключительно. Неотбортованные днища должны быть выполнены по «ГОСТ12623» [16], который устанавливает размеры днищ, работающих поддавлением и под налив. Минимальная исполнительная толщина стенкиплоского неотбортованного днища по [16] составляет 4 мм.

На рисунке3.2.2.6 представлены результаты анализа напряжений и перемещений вднище резервуара для серной кислоты с толщиной стенки 4 мм.абРисунок 3.2.2.6 – Напряжения и перемещения в плоском гладком днищес толщиной стенки 4 мм, плотностью среды 1840 кг/м3:а – напряжения; б – перемещения.82В данном случае перемещения в центральной части доходятдо 66.3 мм, а максимальные напряжения в нижней части днища до 534 МПа,то есть выше расчетного значения временного сопротивления для сталимарки Ст3 – 460 МПа. Таким образом для сред с высокой плотностьюпродукта днища с такой толщиной стенки не могут применяться.Рассмотрим теперь аналогичный резервуар, но для нефтепродуктов.Согласно «ГОСТ 17032» [18] данные резервуары могут также применятьсядля хранения неагрессивных продуктов и технической воды с плотностью неболее 1300 кг/м3 [18].