Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Проектирование сварного резервуара объемом 5000м3 и расчёт термических циклов при наплавке на сталь С345К

Аннотация

В данной работе представлен проект и расчетные значения сварного вертикального цилиндрического резервуара объемом 5000м³. В проекте произведен выбор вида сварки, режима сварки, сварочного оборудования и материалов.

Так же в проекте были рассчитаны и построены графики термических циклов и скорость охлаждения металла при данной температуре.

Работа содержит 38 страниц текста, 13 рисунков, 19 таблиц. Список использованной литературы содержит 23 наименования.

1 Проектно-конструкторская часть

1.1 Общая характеристика резервуаров

Резервуары служат для хранения нефти, нефтепродуктов, масел, искусственного жидкого топлива, сжиженных газов и других жидкостей. По форме резервуары могут быть: вертикальные цилиндрические, горизонтальные цилиндрические, каплевидные, шаровые и др.

Основными элементами вертикального цилиндрического (Рисунок 1) резервуара являются корпус (1), днище (2), каркас покрытия и кровля (3), центральная стойка (4). Оборудование резервуара состоит из арматуры (устройства для залива, замера и выпуска жидкости, предохранительные клапаны) и приспособлений для осмотра и очистки.

Рисунок 1 - Вертикальный цилиндрический резервуар

Расчётными элементами вертикального цилиндрического резервуара являются стенки корпуса, каркас покрытия, вертикальная стойка. Днище, покоящиеся на песчаном основании, испытывает незначительные напряжения, поэтому на прочность не рассчитывается, а толщина его диктуется удобством и надежностью сварки и сопротивлением коррозии под действием почвенной влаги и отстоя нефтепродуктов. В зависимости от объёма резервуара V, толщину днища δ_дн можно принимать: δ_дн=4мм при V<2000 м³, δ_дн=5мм при V=2000…5000 м³ и δ_дн=6мм при V>5000м³. Толщина крайних листов днища в той части, где к днищу крепится стенка корпуса, принимается равной 6…8 мм.

Проектирование сварного вертикального цилиндрического резервуара выполняется в такой последовательности:

- Выбор материала резервуара;

- Определение высоты и диаметра резервуара;

- Расчёт и конструирование стенки корпуса резервуара;

- Расчёт и конструирование каркаса покрытия резервуара;

- Расчёт и конструирование центральной стойки;

- Расчёт и конструирование сварных соединений резервуара;

- Конструирование лестницы резервуара;

- Разработка графической части проекта;

1.2 Выбор материала резервуара

Материалом для резервуаров, работающих при пониженных температурах, служат обычно низкоуглеродистые стали, обладающие большой пластичностью, ковкостью, хорошей свариваемостью, например марки Ст3сп, Ст3пс, либо низколегированные стали, обладающие большой пластичностью и высокой прочностью, например 09Г2С. Выбор материала производят согласно СНиП II-B. 3-72, резервуары относятся ко второй группе конструкций. Для удобства заказа стали, изготовления и монтажа все листы корпуса и днища приняты равными 1500х6000 мм независимо от толщины.

Выбираем материал сталь Ст3сп ГОСТ 380-2005 – конструкционная углеродистая обыкновенного качества. Рассмотрим её механические характеристики:

Таблица 1 – Механические характеристики материала Ст3сп [2]

Марка стали

Термическая обработка заготовок

Предел текучести

МПа

Предел прочности

МПа

Относительное

Удлинение

Относительное сужение

Ст3сп

Нормализация

240

380

Коэффициент запаса прочности выберем следующий: n = 1,5. Следовательно, допускаемое напряжение будет равно: .

Толщина днища резервуара зависит от объёма проектируемого резервуара. Объём резервуара согласно техническому заданию V= 5000 м³. При V=2000…5000 м³ δ_дн=5мм. Толщина крайних листов днища в той части, где к днищу крепится стенка корпуса, принимается 6…8мм.

1.3 Определение высоты и диаметра резервуара

Оптимальная высота вертикального цилиндрического резервуара со стенкой переменной толщины при расчете по предельному состоянию определяется:

[4] (1)

где R’_p – расчетное сопротивление сварного шва;

m = 0,8 – коэффициент условий работы;

n_i = 1,1 – коэффициент перегрузки;

Δ – сумма толщины днища и приведённой толщины покрытия с учётом каркаса;

ρ= 0,0009 кг/см³ – плотность нефтепродуктов.

R’_p = 0,9·250 = 225 МПа

Полученные по формуле (1) значение H_опт округляют до ближайшего размера Н_д, кратное ширине листа, учитывая величину и количество нахлёсток, если предполагается соединение поясов резервуара внахлёстку. А также величину и количество отбортовок кромок, если предполагается проводить сварку с отбортовкой кромок.

Ширину листа принимаем равной 1500 мм. С учётом нахлёстки четырех верхних поясов и учитывая, что величина нахлестки а = 30мм, высоту резервуара получаем:

H_д = 13500-4·30 = 13320мм

На основе полученной величины высоты резервуара, рассчитываем диаметр резервуара по формуле:

(2)

1.4 Определение толщины поясов корпуса резервуара

Корпус резервуара с переменной по высоте толщиной стенки состоит из ряда поясов, высота h_п каждого из которых равна ширине листа. Вертикальное соединение листов пояса производится встык.

В настоящее время при изготовлении резервуара принят метод рулонирования. При этом методе в заводских условиях выполняется сварка развёрток корпуса и днища, которые сворачиваются в рулоны и доставляются к месту монтажа, где производится разворачивание рулонных заготовок, сварка монтажного шва корпуса к днищу. Поскольку при методе рулонирования наибольший объём сварочных работ выполняется механизированными способами сварки, целесообразно нижние пояса корпуса сваривать встык, а верхние 3-4 пояса внахлёстку.

При заполнении резервуара жидкостью в стенке от гидростатического давления возникают растягивающие напряжения, направленные горизонтально по касательной к окружности (рисунок 2).

Напряжения в стенке корпуса на глубине Х определяются по формуле:

σ= (3)

Рисунок 2 – Распределение сил и напряжений на стенке резервуара

Требуемая толщина каждого пояса:

[4] (4)

где, Х_i– расстояние от верхней кромки резервуара до нижней кромки i- го пояса, см;

Δ₁ =0,1 см – запас на коррозию;

Расчёт ведём с учётом запаса прочности n=1,5

Минимальная толщина листов принимается δ_min=4 мм;

Число поясов принимаем равным девяти.

Результаты расчётов представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты расчёта толщин поясов

№ пояса	Расчётная глубина (Х-30), см		Расчётная толщина пояса, см	Принятая толщина пояса, см		Расчётное напряжение в поясе, МПа
9	117		0,2	0,4		36
8	261		0,3	0,4		71
7	405		0,3	0,4		106
6	552		0,4	0,4		142
5		702	0,5		0,5	143
4		852	0,6		0,6	144
3		1002	0,7		0,7	144
2		1152	0,8		0,8	145
1		1302	1,0		1,0	130

После определения толщины i-го пояса и определения расчётного напряжения в нём, необходимо проверить напряжения в нижнем поясе в местах сварки патрубка для слива нефтепродуктов.

Условие прочности для сечения, ослабленного отверстием, определяется по формуле:

[4] (5)

где Н – высота резервуара, см;

δ₁– толщина нижнего пояса, см;

h_п – высота пояса, см;

d- диаметр выреза, см;

Принимаем диаметр патрубка 60 мм, с размерами резьбы. Соответственно диаметр выреза принимаем равным d=60 мм. Высота пояса Н_п равняется ширине листа Н_п=150 см;

Исходя из этого, ведём расчёт:

Вывод: условие прочности не выполняется, поэтому стенку корпуса в зоне выреза усиливаем кольцом, назначая F_к = δ·d = 1·75 = 75 см². По верхней кромке резервуара с наружной стороны установить обвязочный уголок.

1.5 Расчёт покрытия резервуара

Покрытие вертикальных цилиндрических резервуаров имеете коническую форму с уклоном 1:20 и состоит из щитов трапециевидной формы. Щиты представляют собой каркас из профильного проката, покрытого сверху тонкими листами (δ= 2…3 мм), и при монтаже укладываются на стропильные фермы. Стропильные фермы соединяются с корпусом при помощи опорных стоек, приваренных к стенке корпуса, другим концом стропильной фермы соединяются с центральной стойкой.

Рисунок 3 – Схема стропильной фермы

В проекте расчётным элементом покрытия является стропильная ферма. Количество ферм можно принять n_ф=8.

Подбор сечений стержней фермы (верхнего и нижнего поясов, раскосов, стоек) производится в следующем порядке:

Определяется нагрузка, действующая на кровлю,

Р_кр= (Р_сн+Р_в+Р_ги+Р_лн+Р_к)·F_кр, (6)

где Р_сн=50…200 кг/м² – снеговая нагрузка;

Р_в = 25 кг/м² – вакуум;

Р_ги= 45 кг/м² – вес гидроизоляции;

Р_лн=20 кг/м² – вес листового настила;

Р_к=25 кг/м² – вес каркаса;

F_кр- площадь кровли, м²;

F_кр= p×R²=371 м².

Нагрузка на одну ферму:

(7)

Р_кр = (150+25+45+20+25)·371 = 964кН;

Р_ф = 964/8=120,5кН

Рисунок 4 – Схема узловых нагрузок

Расчёт нагрузок на отдельные узлы фермы проводим из условия, что нагрузка распределяется равномерно по всей поверхности фермы (Рисунок 4). Для определения нагрузки на каждый из вертикальных стержней, необходимо определить площади отдельных секторов по формуле:

Нагрузка на узлы фермы определяются по формуле:

P_i= P_тм · (F₁/F_c) (8)

где F_c= F_кр/n_ф = 371/8 = 46,4м².

Таблица 3 – Расчётная нагрузка на узлы фермы

№	F_i, м²	P_i, кН
7	0,32	0,8
6	2,58	6,8
5	5,16	13,7
4	7,74	20,5
3	10,33	27,4
2	12,9	34,2
1	7,43	19,7

Опорные реакции R_Aи R_B подсчитываются из условия равновесия фермы, рассматривая её как одностороннюю балку. Усилия в стержнях фермы определяют графически, методом построения диаграммы Максвелла-Кремоны.

Определение реакций

Рисунок 5 – Схема распределения нагрузок на ферме

SM_А= 0; P₂·d+P₃·2d+P₄·3d+P₅·4d+P₆·5d+P₇·6d

R_b= 40,7 кН

SM_В= 0; P₁·R+P₂·5d+P₃·4d+P₄·3d+P₅·2d+P₆·d

R_A= 82,4 кН

Проверка:

SY_p= 0

R_A+R_B-P₁-P₂-P₃-P₄-P₅ = 0

82,4+40,7-19,7-34,2-27,4-20,5-13,7-6,8-0,8 = 0

Вывод: условие статического равновесия выполняется.

В результате графических построений получим значения и сведем их в таблицу 4.

Таблица 4 – Усилия в стержнях фермы.

Направление обхода

Обозначение

Усилие, кН

Знак

2-3-а-2

19,7

1-2-а-в-1

1-в-с-1

c-b-a-3-4-d-c

101

4-5-e-d-4

101

27,4

1-c-d-e-f-1

1-f-g-1

5-6-h-g-f-e-5

6-7-i-h-6

1-g-h-i-j-1

1-j-k-1

7-8-l-k-j-i-7

8-9-l-8

0,8

Размеры поперечных сечений стержней фермы подбираются по наиболее нагруженным элементам.

Для предупреждения перерасхода материала, выбираем три уголка с тремя поперечными сечениями в зависимости от продольного усилия в стержнях.

Для растянутых стержней требуемая площадь сечения

, (9)

где N_i— наибольшее растягивающее усилие в стрежне.

N_i = P_f1 = P_g1 = 91кН

F_тр 91·10³/160·10⁶ = 0,8·10^-3м² = 8см²

Исходя из условия (9), выбираем по сортаменту для прокатной угловой равнобокой стали уголок с параметрами:

F_тр = 8,78см²

b = 70мм – ширина полки;

d = 8мм – толщина проката.

Для сжатых стержней:

_{,


(10)}

где N_i — наибольшее сжимающее усилие в стрежне;

j — коэффициент продольного изгиба; j=0,6.

N_i = P_4d = P_5e = 101кН

F_тр = 101·10³/0,6·160·10⁶ = 1,35·10^-3м² = 13,5см²

По сортаменту выбираем уголок с параметрами:

F_тр = 15,6см²;

r_x = 2,75см – минимальный радиус инерции;

b = 90мм – ширина полки;

d = 9мм – толщина проката.

Для подобранных сечений уголков определяем действительную гибкость стержня:

_{,


(11)}

где l₀ — расчетная длина стержня; l₀=198см (стержень 4d и 5e – наиболее сжаты)

m=1,0 — коэффициент, зависящий от характера закрепления концов стержня;

r_х — радиус инерции сечения.

, (12)

Расчётные напряжения не должны отличаться от допускаемых более чем на ±5%. В противном случае следует изменить сечение и повторить расчёт.

l_д=1,0×198/2,75=72

В зависимости от l_д по таблице определяется действительное значение коэффициента продольного изгиба j _д и подсчитывается напряжение в подобранном сечении j _д=0,8.

s =130×10³/ 0,8×15,6×10^-4=104МПа<160МПа

Вывод: напряжения в стержнях не превышают допустимые.

1.6 Расчёт центральной стойки

Центральная стойки служит для крепления и поддержания каркаса покрытия и воспринимает часть вертикальной нагрузки. При расчете принимаю, что концы стойки закреплены шарнирно, нагрузка приложена центрально и составляет около 33% нагрузки, приходящейся на кровлю, т. е. N_ст=0,33P_кр

Но более точно нагрузка на стойку

N_ст=n_ф×R_В ,

где n_ф — число стропильных ферм;

R_В — опорная реакция фермы

N_ст=8× 40,7 = 325,6кН

Сечение центральной стойки берется в виде трубы (кольца) (Рисунок 6) и подбирается аналогично подбору сечений сжатых стержней фермы, изложенному в п.4. При этом предварительно задается значение j=0,6 ,что соответствует гибкости l=100. Требуемые площадь и радиус инерции.

Рисунок 6 – Сечение центральной стойки.

_[4] (13)

(14)

где l₀ —расчетная длина стойки (расстояние от днища до нижнего пояса стропильной фермы).

F_тр= 325,6·10³/0,6·160·10⁶ = 3391мм²

r_x= 11820/100 = 118,20мм

Средний диаметр трубы

D_ср = r_x/0,35 = 118,20/0,35 = 337,7мм

Примем D_ср= 340 мм

Расчёт толщины стенки трубы:

δ = F_тр/π·D_ср= 3391/3,14·340 = 3,01мм (15)

Принимаем толщину стенки трубы δ=4 мм.

Площадь полученного сечения:

F = p×D_cp×d = 3,14×340×4 = 4270мм²

Проверим напряжения в подобранном сечении :

₍₁₆₎

_{Если расчётные
напряжения отличаются
от допускаемых более
чем на ±5%, следует
изменить размеры
сечения и повторить
расчёт.}

j _д – коэффициент продольного изгиба центральной стойки. Определяется в зависимости от l_д по таблице.

r_x = 0,35×340 = 119мм

l=l₀/ r_x=11820/119=99,34

Исходя из этого, выбираем коэффициент продольного изгиба j _д=0,606

s =325,6·10³ / 0,606× 42,7·10^-4 = 127,1МПа<[s]_р = 160МПа

Вывод: напряжения меньше допустимых более, чем на 5%, поэтому изменяем размеры сечения.

Принимаем j = 0,52, тогда l = 110; r_x= 109мм; D_ср = 310мм; δ = 4мм

F = p×D_cp×d = 3,14·4·310 = 161МПа, что менее, чем на 5% больше допустимого значения [s]_р= 160МПа, значит условие выполняется.

Опорная часть стойки выполняется в виде плоской плиты квадратной формы. Стойка приваривается к плите с помощью косынок (Рисунок 7).

Рисунок 7 – Опорная схема стойки

Размеры плиты в плане определяются из условия прочности фундамента при сжатии

, (17)

где [s]_ф — допускаемое напряжение при сжатии материала фундамента

[s]_ф = 4Па – бетонное основание

F_пл = 325,6·10³/4·10⁶ = 0,0814м²

= 0,29м

Принимаем ширину плиты В = 0,3м.

Толщина плиты определяется из условия работы её на изгиб. Расчетный изгибающий момент в средней части плиты :

М = N_ст·B/8 = 325,6·10³·0,3/8 = 12,2кНм

Момент сопротивления

₍₁₈₎

Требуемая толщина плиты

Примем d_п = 40мм

1.7 Расчёт сварных соединений

В сварном цилиндрическом резервуаре имеются следующие сварные соединения: кольцевые и вертикальные швы корпуса резервуара, швы сопряжения корпуса с днищем, приварки обвязочного уголка к корпусу, сварные соединения стойки, стропильной фермы, щитов покрытия, лестницы, швы, присоединяющие патрубки, люки, лазы к корпусу резервуара, кровле и фланцам.

Сварные швы корпуса резервуара на прочность не рассчитываются, поскольку их прочность обеспечена при определении толщины поясов.

Швы, соединяющие корпус с днищем, воспринимают местный изгибающий момент, возникающий в нижнем поясе от краевого эффекта.

Рисунок 8 – Расположение швов соединяющих корпус с днищем и эпюра изгибающего момента в нижнем поясе

Приближенно на единицу периметра корпуса

M_{1 max}= 0,1×r×H×R×d_I×1 (19)

Напряжения в шве сопряжения

(20)

[t¢] = 0,8[s] = 0,8× 160 = 128МПа

Рисунок 9 – Патрубок люка, приваренный к корпусу

Требуемый катет швов, приваривающих патрубки люков (лазов) к корпусу резервуара (Рисунок 9) определяется из условия

(21)

Данное соединение выполняется полуавтоматической сваркой, поэтому

[t¢] = 0,6[s] = 0,6× 160 = 96МПа

b=0,9

Принимаем k = 3мм

Требуемый катет шва, приваривающего фланец к патрубку люка, определяется из условия

(22)

Принимаем k = 3мм

Рисунок 10 – Схема приварки обвязочного уголка к корпусу резервуара

Требуемый катет швов, приваривающих обвязочный уголок к корпусу резервуара (Рисунок 10), определяется из условия

(23)

[t¢] = 0,8[s] = 0,8× 160 = 128МПа – для полуавтоматической сварки

b=0,9

Принимаем k = 3мм

Требуемая длина швов, приваривающих раскосы и стойки к накладке (прокладке) и накладку (прокладку) к поясу в узлах стропильной фермы (Рисунок 11), определяется таким образом: усилие, воспринимаемое фланговыми швами 1 и 2 Р_фл= N₃– P_л распределяется обратно пропорционально их расстоянию до нейтральной оси. Для равнобоких уголков Р_фл1= 0,7Р_фл и Р_фл12= 0,3Р_фл. Тогда требуемая длина фланговых швов:

(24)

b = 0,9- для полуавтоматической сварки

[t¢] = 96МПа

P_л = β·k·[τ’]

Результаты расчетов l₁и l₂ сведем в таблицу 5, с учетом того, что минимальная длина рабочего шва должна быть больше либо равна 30 мм, а максимальная – меньше 50k , где k – катет флангового шва.

Проектирование сварного резервуара объемом 5000м3 и расчёт термических циклов при наплавке на сталь С345К 📙 Дипломная → 🆔 15043