ва. Методические указания для выполнения практических работ по мдк. 02. 01
 Скачать 6.14 Mb.
|
|
Тема: Механический расчет резервуара. Цель: Научиться определять толщины стенок резервуара, рассчитывать границы зон прочности и устойчивости, оценивать влияние постоянных и переменных нагрузок. Теоретические часть: К элементарному механическому расчету резервуаров относится в основном расчет стенки резервуара. Проверка несущей способности стенки резервуара должна включать в себя: − расчёт прочности при статическом нагружении в условиях эксплуатации и гидроиспыта- ний; − проверка устойчивости при статическом нагружении. Основной нагрузкой при расчёте стенки на прочность является гидростатическое давление, которое, совместно с избыточным давлением, вызывает появление в стенке кольцевых растягивающих напряжений. Таким образом, при определении кольцевых напряжений рассматривают следующие загружения: а) нагрузка от гидростатического давления жидкости в расчётном уровне каждого пояса Рж (кН/м²): где – коэффициент надёжности по нагрузке, принимаемый для гидростатического давления равным 1; z – расстояние от дна до нижней кромки расчётного пояса. Обычно высота налива продукта определяется технологическим регламентом эксплуатации ре- зервуара и составляет 90-95% высоты стенки. Значение плотности для разного вида жидкостей приведены в табл. 1. Таблица 1 – Плотность некоторых жидкостей Наименование нефтепродукта Плотность, т/м 3 Автобензин Аи-80 0,755 Автобензин Аи-92 0,770 Автобензин Аи-95 0,725 Автобензин Аи-98 0,725 Дизельное топливо ДЛ 0,835 Дизельное топливо ДЗ 0,845 Керосин авиационный ТС-1 0,780 Топочный мазут 100 0,990 Мазут флотский Ф5 0,872 Нефть 0,820 б) нагрузка от избыточного давления P и (кН/м²): где – коэффициент надёжности по нагрузке для избыточного давления, принимаемый равным 1,2; – нормативное значение избыточного давления, принимаемое для резервуаров низкого давления равным 2 кН/м². При расчёте стенки резервуара с понтоном избыточное давление отсутствует. Однако при этом учитывается нагрузка от собственного веса понтона, которая может быть определена после назначения его конструкции и определения толщин элементов. Кроме кольцевых напряжений в стенке возникают и меридиональные напряжения (осевые) от вертикальных нагрузок, к которым относят: а) собственный вес покрытия, площадок ограждения и стационарного оборудования G О (кН): где – коэффициент надёжности по нагрузке для собственного веса металлоконструкций, принимаемый равным 1,05; – нормативное значение распределённой нагрузки от веса покрытия, площадок ограждения и стационарного оборудования, приближенно может быть определено по обобщенным показателям [9] в зависимости от объёма резервуара (табл. 2). Таблица 2 – Вес покрытия, площадок ограждения и оборудования Объём резервуара V, м 3 1000 5000 10000 20000 30000 50000 Вес крыши и оборудования , кН/м 2 0,3 0,35 0,45 0,55 0,60 0,65 Нагрузка от собственного веса приведена приближённой, и зависит не только от объёма резервуара, но и от типа стационарной крыши. По результатам конструктивного расчёта крыши данная нагрузка может быть уточнена и принята в дальнейшем для определения более точных значений меридиональных напряжений. б) вес металлоконструкций выше расчётной точки G M (кН): где – плотность стали; – высота стенки выше рассматриваемого уровня; ti – номинальная толщина i-го пояса стенки. Вес стенки определяется для каждого пояса. в) вес снега S (кН/м²): где Sg – расчётное значение веса снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли (по таблице 3); μ=1,0 – коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие. Таблица 3 – расчётное значение веса снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли Снеговые районы I II III IV V VI VII VIII S g , кПа 0,8 1,2 1,8 2,4 3,2 4,0 4,8 5,6 При расчете на устойчивость рассматривается пустой резервуар, в котором отсутствует гидростатическое давление продукта и избыточное давление, и рассматриваются следующие нагрузки: а) нагрузка от относительного разрежения (вакуум) P вак (кН/м²): где – коэффициент надёжности по нагрузке для вакуума, принимаемый равным 1,2; – нормативное значение вакуума, принимаемое для резервуаров низкого давления равным 0,25 кН/м². б) ветровая нагрузка на стенку (кН/м²): где – коэффициент надёжности по нагрузке для ветровой нагрузки, принимаемый при расчете на устойчивость равным 0,5; w0 – нормативное значение ветрового давления (по табл.5); k – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте (по таблице 6); – аэродинамический коэффициент, равный 0,5 при расчете на устойчивость. в) ветровая нагрузка на покрытие (кН/м²): где - аэродинамический коэффициент, определяемый по таблице 4 Таблица 4 – Аэродинамический коэффициент Таблица 5 – Нормативное значение ветрового давления Ветровые районы Iа I II III IV V VI VII w0, кПа 0,17 0,23 0,30 0,38 0,48 0,60 0,73 0,85 Таблица 6 – Коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте Коэффициент k для типов местности Высота z, м А В С ≥5 0,75 0,5 0,4 10 1,0 0,65 0,4 20 1,25 0,85 0,55 40 1,5 1,1 0,8 60 1,7 1,3 1,0 80 1,85 1,45 1,15 100 2,0 1,6 1,25 150 2,25 1,9 1,55 200 2,45 2,1 1,8 250 2,65 2,3 2,0 300 2,75 2,5 2,2 350 2,75 2,75 2,35 ≥480 2,75 2,75 2,75 Предварительный выбор толщин поясов стенки Предварительный выбор номинальных толщин поясов производится с помощью расчёта на эксплуатационные нагрузки, на нагрузку гидроиспытаний и по конструктивным требованиям. Минимальная расчётная толщина стенки в каждом поясе для условий эксплуатации tе рассчитывается по формуле: где – коэффициент условий работы, равный 0,7 для нижнего пояса, равный 0,8 для всех остальных поясов; Ry – расчётное сопротивление материала. Для резервуаров до 5000 м 3 включительно Ry=355 МПа, для резервуаров от 5000 м 3 Ry=335 МПа. Минимальная расчётная толщина стенки в каждом поясе для условий гидравлических испытаний tg рассчитывается по формуле: где – плотность используемой при гидроиспытаниях воды; H – высота налива воды при гидроиспытаниях; = 0,9 – коэффициент условий работы при гидроиспытаниях для всех поясов одинаков. По конструктивным требованиям толщина t k определяется по табл. 7. Таблица 7 – Минимальная конструктивно необходимая толщина , мм Номинальная толщина t каждого пояса стенки выбирается из сортаментного ряда следующим образом: где – минусовой допуск на прокат, ; с – припуск на коррозию. Величина припуска на коррозию задаётся заказчиком и зависит от агрессивности хранимого в резервуаре продукта и нормативного срока его эксплуатации. Так, например, для среднеагрессивной среды со средней скоростью коррозии металла до 0,05 мм/год и нормативным сроком эксплуатации 20 лет величина припуска на коррозию определится и составит 0,05×20 = 1 мм. Поверочный расчёт на прочность и расчёт на устойчивость проводится для расч тной толщины tp поясов, которая определяется по формуле: Проверка стенки на прочность Проверка прочности стенки выполняется по привед нным и по кольцевым напряжениям: где - коэффициент надежности по назначению, для резервуара III класса ; – меридиональное напряжение; - кольцевое напряжение. Кольцевые напряжения 2 вычисляются для нижних точек поясов по формуле: Меридиональные напряжения σ1, с учётом коэффициентов надёжности по нагрузке и коэффициентов для основного сочетания нагрузок вычисляются для нижних точек поясов по формуле: где 0,95 – коэффициент сочетания для временных длительных нагрузок в основном сочетании (вес стационарного оборудования, нагрузка от веса теплоизоляции, избыточное давление); 0,9 – коэффициент сочетания для временных кратковременных нагрузок в основном сочетании (снего- вая нагрузка). Проверка стенки на устойчивость Проверка устойчивости стенки резервуара осуществляется для пустого резервуара по формуле: где – меридиональные критические напряжения; – кольцевые критические напряжения; 1 – коэффициент условия работы при расчете на устойчивость. При невыполнении условия для обеспечения устойчивости стенки можно увеличить толщину верхних поясов или установить промежуточные кольца ж сткости, или и то и другое вместе. При расчете на устойчивость кольцевое напряжение зависит от и эквивалентного ветрового внешнего давления : где 0,95 – коэффициент сочетания для временных длительных нагрузок в основном сочетании (относительное разрежение в газовом пространстве резервуара); 0,9 – коэффициент сочетания для временных кратковременных нагрузок в основном сочетании (ветровая нагрузка); tp, min – расч тная толщина самого тонкого пояса. Меридиональное напряжение вычисляется для нижней кромки участка стенки по формуле: Первое (меридиональное) критическое напряжение вычисляется по формуле: где С – коэффициент, вычисляемый по формулам: Е – модуль упругости прокатной стали и стальных отливок. Второе (кольцевое) критическое напряжение вычисляется по формуле: где Нr – редуцированная высота резервуара. Для резервуаров со стационарной крышей и с постоянной толщиной поясов стенки редуцированная высота равна полной высоте стенки резервуара Hст, при переменной толщине поясов стенки Нr вычисляется по формуле: где hi – высота i-го пояса; tр, i – расчётная толщина листа i-го пояса. Практическая часть: № Тип резер- вуара Диаметр резервуара, мм Высота резер- вуара, мм Число поясов Нефтепродукт Сне- говой район Вет- ровой район Тип ме- стно сти 1 РВС-500 8450 9250 6 Топочный мазут 100 I Iа А 2 РВС-700 10430 9000 6 Мазут флотский Ф5 II I В 3 РВС-1000 10430 12000 8 Керосин авиаци‐ онный ТС‐1 III II С 4 РВСП-2000 15180 12000 8 Автобензин Аи‐80 IV III А 5 РВСП-3000 18980 12000 8 Автобензин Аи‐92 V IV В 6 РВСП-5000 22800 12000 8 Автобензин Аи‐95 VI V С 7 РВСПК- 10000 34200 12000 8 Автобензин Аи‐98 VII VI А 8 РВСПК- 20000 39900 17880 12 Дизельное топливо ДЛ VIII VII В 9 РВСПК- 30000 45600 18000 12 Дизельное топливо ДЗ I I С 1 0 РВСПК- 50000 60700 18000 12 Нефть II Iа А Создать отчет. Содержание отчета: 1. Сбор нагрузок на стенку. 2. Определение конструктивной толщины стенки. 3. Определение зоны устойчивости. 4. Расчет толщин стенок. Контрольные вопросы: 1. Напряженное состояние стенки резервуара. 2. Постоянные и временные нагрузки на резервуар. 3. Зоны прочности и устойчивости. 4. Порядок определения толщины стенки. 5. Мероприятия по снижению металлоемкости резервуара. Литература: 1. Лапшин, А. А.Конструирование и расчёт вертикальных цилиндрических резервуаров низко- го давления : учебное пособие / А. А. Лапшин, А. И. Колесов, М. А. Агеева; Нижегород. гос. ар- хит.-строит. ун-т. – Н. Новгород, ННГАСУ, 2009. – 122 с. 2. СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07- 85* Практическая работа №24 Тема: Оптимизация толщин листов стенки по высоте резервуара. Цель: Провести расчет по оптимизации толщин листов стенки по высоте резервуара. Теоретические часть: В резервуарах объемом свыше 1000 м3 толщина стенки переменна по высоте. Причем толщина верхней части стенки определяется устойчивостью; остальная часть - прочностью. В работе отмечается взаимозависимость толщин различных поясов стенки: чем больше толщина нижнего пояса t max , подбираемая по прочности, тем тоньше верхний пояс стенки, рассчитываемый на устойчивость. Кроме того, устойчивость стенки определяется соответствующим набором толщин поясов по высоте. Устойчивость стенки обеспечивается различными вариантами наборов толщин (∑t i ), которые определяют и разный расход стали на стенку. Значит, существует вариант набора толщин, при котором расход металла на стенку будет минимальным. Поэтому вопрос оптимального размещения толщин по высоте стенки является актуальным. Очевидно, что некоторая верхняя часть стенки должна иметь постоянную толщину не менее конструктивно минимальной и обеспечивающей устойчивость стенки, т.е. чтобы выполнялось неравенство: (1) При этом толщина поясов нижележащего участка стенки по высоте ступенчато непрерывно меняется с учетом требований различных толщин листов при их сварке встык. Формулу (1) можно привести к виду: (2) где (3) (4) – соответственно, удельные веса (на единицу площади днища) покрытия, вышележащей части стенки и снега на покрытии; – вакуум; – ветровой отсос на покрытии; – ветровое давление на стенку; – коэффициент сочетания нагрузок. Коэффициент «с» можно аппроксимировать формулой (в пределах значений r/t = 800.. .2500) (5) Принимая минимальную толщину стенки равной конструктивно необходимой (по табл. 3.3) с соответствующими припусками: по формуле (2) можно определить редуцированную высоту резервуара Н r по расчетной минимальной толщине, равной стандартной толщине листа за вычетом δ и c. По высоте стенки существует сечение, в котором минимальная толщина t min стенки будет удовлетворять одновременно условиям устойчивости (2) и прочности: (6) где – коэффициент надежности по назначению; – коэффициент надежности по нагрузке; – коэффициент условия работы конструкции; – расчетное сопротивление сварного стыкового шва; – расстояние от верхнего уровня налива жидкости до сечения стенки, в котором толщина r min удовлетворяет одновременно условиям устойчивости и прочности. По формуле (6) определяется величина Н*. Нижележащая часть стенки (при H i > H* - от верха жидкости) имеет толщины, определяемые только прочностью, т.е. по формуле (6), заменяя Н* на Н i , и получая t ip - расчетные толщины стенки. При расчетах на прочность и устойчивость стенки следует учитывать расчетную толщину поясов, которая определяется как разность номинальной толщины t, минусового допуска на прокат и припуска на коррозию. Далее следует назначить номинальные толщины поясов стенки с учетом минусового допуска и припуска на коррозию, исхода из сортамента листовой стали, и вычислить фактическое значение редуцированной высоты стенки Н r.ф по расчетным толщинам поясов, которое должно быть ниже теоретического значения Нr. Чем ближе Н r.ф к Нr тем меньше расход металла на стенку. Практическая часть: По исходным данным практической работы №23 провести расчет. Литература 1. Нехаев, Г.А. Проектирование и расчет стальных цилиндрических резервуаров и газгольдеров низкого давления : учебное пособие /УДК: 624.014 (075.8), АСВ, 2005. – 216 с. Практическая работа №25 Тема: Гидравлический расчет трубопроводных коммуникаций нефтебаз. Цель: Научиться производить гидравлический расчет технологических нефтепроводов и нефтепродуктопроводов. Теоретические часть: Трубопровод - сооружение, состоящее из плотно соединенных между собой труб, деталей трубопроводов, запорно-регулирующей аппаратуры, контрольно-измерительных приборов, средств автоматики, опор и подвесок, крепежных деталей, прокладок, материалов и деталей тепловой и противокоррозионной изоляции и предназначенное для транспортировки жидких и твердых нефтепродуктов. К технологическим относятся находящиеся в пределах нефтебазы трубопроводы, по которым транспортируют различные вещества, в том числе сырье, полуфабрикаты, промежуточные и конечные продукты, отходы производства, необходимые для ведения технологического процесса или эксплуатации оборудования. Условия изготовления и монтажа технологических трубопроводов определяются: разветвленной сетью большой протяженности и различием конфигурации обвязки технологического оборудования; разнообразием применяемых материалов, типов труб, их диаметров и толщин стенок; характером и степенью агрессивности транспортируемых веществ и окружающей среды; различием способов прокладки /в траншеях, без траншей, каналах, тоннелях, на стойках, двух- и многоярусных эстакадах на технологическом оборудовании, а также на разных высотах и часто в условиях, неудобных для производства работ/; количеством разъемных и неразъемных соединений, деталей трубопроводов, арматуры, компенсаторов, контрольно-измерительных приборов и опорных конструкций. Для того, чтобы смонтировать 1 т стальных технологических трубопроводов, необходимо помимо труб израсходовать в среднем различных деталей и арматуры в количестве до 22% его массы. При перекачке нефти по технологическому нефтепроводу напор, развиваемый насосами перекачивающих станций, расходуется на трение жидкости о стенку трубы h , преодоление местных сопротивлений h мс , статического сопротивления из-за разности геодезических (нивелирных) отметок z, а также создания требуемого остаточного напора в конце трубопровода h ост Полные потери напора в трубопроводе составят: H = h + h мс + z + h ск С учетом многолетнего опыта эксплуатации трубопроводов с достаточной для практических расчетов точностью можно принять, что потери напора на местные сопротивления составляют 1…3% от линейных потерь. Тогда выражение примет вид H = 1,02h + z + h ск , h - потери напора на трение в трубопроводе, м; h ск - скоростной напор жидкости в трубопроводе, м; z - разность нивелирных отметок конца и начала трубопровода, м. Под разностью геодезических отметок понимают разность отметок конца и начала трубопровода z = z к – z н . Величина z может быть как положительной (перекачка на подъем), так и отрицательной (под уклон). Скоростной напор жидкости в трубопроводе рассчитывается по формуле: Потери напора на трение в трубопроводе определяют по формуле Дарси-Вейсбаха: g w D L h p 2 2 , либо по обобщенной формуле Лейбензона: p m m m L D Q h 5 2 , где L р – расчетная длина нефтепровода; D – внутренний диаметр трубы; w – средняя скорость течения нефти по трубопроводу; Q – расход нефти. – расчетная кинематическая вязкость нефти; – коэффициент гидравлического сопротивления; , m – коэффициенты обобщенной формулы Лейбензона. Значения , и m зависят от режима течения жидкости и шероховатости внутренней поверхности трубы. Режим течения жидкости характеризуется безразмерным параметром Рейнольдса D Q D w 4 Re , При значениях Re<2320 наблюдается ламинарный режим течения жидкости. Область турбулентного течения подразделяется на три зоны: − Гидравлически гладкие трубы 2320 ; − Зона смешанного трения Re 1 ; − Квадратичное (шероховатое) трение Re> Re 2 Значения переходных чисел Рейнольдса Re 1 и Re 2 определяют по формулам k k 500 Re ; 10 Re 2 1 , где D k k Э / – относительная шероховатость трубы; k Э – эквивалентная (абсолютная) шероховатость стенки трубы, зависящая от материала и способа изготовления трубы, а также от ее состояния. Для нефтепроводов после нескольких лет эксплуатации можно принять k Э =0,2 мм. Расчет коэффициентов , и m выполняется по формулам, приведенным в табл. Значения коэффициентов , и m для различных режимов течения жидкости Режим течения m , с 2 /м ламинарный 64/Re 1 4,15 гидравлически гладкие трубы 0,3164/Re 0,25 0,25 0,0246 смешанное трение 0,25 k e 0,11·(68/R ) 0,123 0,627) - k lg (0,127 0,0802·10 турбу- лент-- ный квадратичное трение 0,25 k 0,11 0 0,0826· Гидравлическим уклоном называют потери напора на трение, отнесенные к единице длины трубопровода 2 5 2 2 p m m m L h D Q g w D i 02 , 1 ск p h z L i H Графическое представление показано на рис.1 Рис.1 Графическое представление линии гидравлического уклона Как видно из рисунка, линия гидравлического уклона показывает распределение напора по длине трубопровода. Напор в любой точке трассы определяется вертикальным отрезком, отложенным от линии профиля до пересечения с линией гидравлического уклона. При графических построениях положение линии гидравлического уклона должно учитывать надбавку на местные сопротивления. 1,02·i·L p h ОСТ z H L p Практическая часть: № вари- анта Диаметр тру- бопровода D, мм Скорость перекачки w, м/с Длина трубо- провода L, м Кинематическая вязкость нефте- продукта v·10 -6 , м 2 /с Разность гео- дезических отметок Δz, м 1 80 1,4 119 82,1 +3,3 2 100 1,5 128 56,4 -2,6 3 125 1,7 143 15,5 +1,5 4 150 1,9 129 22,2 -4,7 5 200 1,4 137 74,1 +4,2 6 250 2,0 154 25,6 -3,5 7 300 2,1 172 13,4 +4,1 8 350 2,2 186 12,7 -4,4 9 400 2,3 195 11,6 +4,9 10 500 2,4 211 10,1 -5,3 |