К вопросу устройства днищ вертикальных цилиндрических резервуаров

Конструирование вертикальных резервуаров представляет собой важную область инженерной деятельности, играющую ключевую роль в различных отраслях промышленности: нефтегазовой, химической, пищевой, фармацевтической и других. Данная тема затронута в работах [1-7].

В работе [1] рассмотрены методы проведения диагностики состояния днища резервуаров вертикальных стальных, выявлены причины деформации днища. Указано, что днище и первый пояс стенки относятся к наиболее значимым элементам конструкции резервуаров, связанных с влиянием ряда неблагоприятных эксплуатационных и технологических факторов. В статье [2] представлена конструкция днища в виде многослойной конструкции, способная воспринять часть нагрузок на основание, и позволит увеличить эксплуатационные качества, повысить надежность и экологическую безопасность резервуарных конструкций. В работе [3] рассматривается деформация в днищах резервуаров виде «хлопунов», дан анализ методик их устранения, при этом выявлены достоинства и недостатки каждого метода и рекомендован оптимальный вариант. В статье [4] приведен анализ конструктивных решений устройства двойного днища внутреннего резервуара, определены функциональные назначения нижнего (защитного) и верхнего (рабочего) днищ, даны рекомендации по назначению их толщины.

Проектирование и возведение днищ резервуаров является одним из важнейших этапов при строительстве вертикального резервуара, так как именно днище воспринимает все вертикальные нагрузки и нагрузки от внутреннего давления содержимого. Принятая тема актуальна и требует дальнейшего исследования.

Цель работы – провести краткий анализ различных типов днищ и установить характер распределения стали на стенку и днище вертикальных цилиндрических резервуаров.

Типы днищ. Днища могут иметь различные конструктивные решения в зависимости от назначения резервуара, типа хранимого вещества и требований к безопасности. Основные виды днищ вертикальных цилиндрических резервуаров, следующие:

• -    плоские днища без окраек (рис. 1, а);

• -    днища с окрайками (рис. 1, б).

Плоские днища проектируются при условии, что объём резервуара будет менее 1000 м3, конические днища с окрайками применяются для резервуаров большего объёма [5]. Конические днища выполняют с величиной уклона 1:100 от центра к стенке. Не- большой наклон сможет в определенной степени компенсировать возможные неравномерные осадки фундамента, уклон позволяет упростить процесс очистки резервуара. Иногда допускается выполнять уклон днища к центру днища при условии специальной проработки в разрабатываемом проекте вопросов осадок фундаментов и несущей способности стального днища [6].

Для резервуаров объёмом менее 1000 м3, можно использовать листы одинаковой тол- щины и применять для днищ без окраек (рис. 1, а). В таком варианте проектирования листы днища выступают за внешнюю часть стенки на 25^50 мм. Если резервуар более 1000 м3, то должны предусматриваться сегментные окрайки, расположенные по периметру днища (рис. 1, б). При наличии окраек, их выступ должен варьироваться 50^100 мм. Днище резервуара рекомендуется выполнять из листов одинаковой толщины.

б

а

Рис. 1. Типы днищ [5]: а - днище без окраек; б - днище с сегментными окрайками

Согласно рекомендациям ГОСТ 313852023 листы центральной части для днища с окрайками и без них рекомендуется принимать:

• -    для емкостей объёмом до 2000 м³ не менее 4 мм;

• -    для емкостей объёмом более 2000 м³ не менее 6 мм.

Эти допуски учитывают припуск на корродирование днища [7]. Минимальная толщина окраек днища принимается не менее 6 мм. Исходя из прочности сопряжения стенки и днища цилиндрического резервуара, толщина окраек может быть назначена 8^12 мм и более. Днище может быть смонтировано двумя способами [6]: рулонным и полистовым.

Результаты исследований. Рассмотрены характерные показатели вертикальных ци- линдрических резервуаров разного объема с днищами без окраек (небольшого объема, табл. 1) и с днищами окрайками (большого объема - 2000^30000 м3, табл. 2).

Анализ построенных кривых (рис. 2) показал:

• -    удельный расход стали на днище и стенку заметно снижается при увеличении объема резервуара;

• -    в днище удельный расход стали меньший, чем в стенке в 3 раза, а при объемах резервуаров менее 400 м³ он будет меньший в пять раз;

• -    для стенки резервуара уравнение, описывающее полученную аппроксимирующую кривую, имеет вид:

у = 166,81 x -0’347; R2 = 0,9699.

Таблица 1. Расход стали на стенку и днище без окраек [7]

Геометрические параметры			Днище без окраек		Стенка
Объем, м3	Диаметр, м	Высота, м	Толщина, мм	Вес, т	Толщина, мм	Вес, т
100	4,79	6	5	0,762	4	3,562
200	6,63	6	5	1,428	4	4,987
300	7,58	7,5	5	1,855	5	7,124
400	8,53	7,5	5	2,340	5	8,014
700	10,43	9	5	3,476	6	11,754
1000	10,43	12	5	3,454	6	16,067

• -    для днища кривая изменения удельного расхода стали в зависимости от объема имеет линейный характер:

y = -0,0044 x + 7,8408; R2 = 0,9748.

Таким образом, расход стали для днища и стенки изменяется по разным законам при одинаковой толщине днища и разной толщине стенки.

Объем резервуара в м3

Рис. 2. Зависимость «объем – удельный расход стали» для резервуаров небольшого объема

В табл. 2 приведены основные параметры, и расход материалов на вертикальные цилиндрические резервуары из малоуглеродистой стали и низколегированной стали марки 09Г2С-12.

На рис.3 представлены графики расхода материала на днище с окрайками при разных объёмах резервуара (1000-30000 м3). Анализ графиков показал:

• -    на окрайки днища приходится значительная часть массы металла; центральная часть днища имеет удельный расход стали в 2…2,5 раза больший, чем у окраек;

Таблица 2. Расход стали на стенку и днище с окрайками [7]

Геометрические параметры резервуара			Расход стали на днище, тонн		Расход стали на стенку, тонн
Обьем, м3	Диаметр, мм	Высота, мм	Центральная часть	Окрайки	Стенка	Ветровое кольцо
1000	10430	12000	3,98	-	16,07	2,56
2000	15180	12000	4,92	3,54	25,08	3,16
3000	18980	12000	8,53	4,90	36,33	3,69
5000	20920	15000	10,28	7,17	56,42	5,41
5000	22800	12000	12,58	6,30	50,44	5,90
10000	28500	17880	20,72*	9,98	34,09*/ 78,36	9,81
20000	39900	17880	43,21*	14,20	63,81*/ 139,04	13,73
30000	45600	18000	65,89*	22,83	84,82*/ 170,81	17,32

* - низколегированная сталь марки 09Г2С-12.

• -    при объемах резервуаров до 3000 м³ удельный расход стали центральной части днища растет интенсивно, а затем наблюдается медленное его снижение;

• -    при увеличении объема резервуара удельный расход металла как окраек, так и центральной части днища заметно уменьшается; однако при объемах 10 тыс.м³ и более он практически неизменный.

  

  Рис. 3. Зависимость «объем – удельный расход стали» для днищ с окрайками

  
  

Заключение. На основе проведенного анализа различных типов днищ вертикальных цилиндрических резервуаров выявлено, что удельный расход стали на днище и стенку заметно снижается при увеличении объема резервуара; при этом в днище удельный расход стали меньший, чем в стенке более чем в 3 раза. Найденные аппроксимирующие кривые для небольших резервуаров хорошо описывают влияние объема резервуара на удельный расход стали в стенке и днище. Показано, что у крупноразмерных резервуаров центральная часть днища имеет удельный расход стали больший, чем у окраек. Установлено, что удельный расход стали на центральную часть и окрайки уменьшается с увеличением объема резервуара; причем, при объемах более 10000 м3 он практически неизменный. Полученные результаты рекомендуется инженерам, проектирующих резервуары различной вместимости с днищами разного типа.