ВКР_Техн. сооружения РГС. Техническое задание на проектирование горизонтального резервуара, правила эксплуатации и обслуживания горизонтальных резервуаров
 Скачать 1.15 Mb.
|
|
3у РвVв , где Мр – масса резервуара; Мгр – масса призмы грунта, расположенной над резервуаром; g – ускорение свободного падения; п3у – коэффициент запаса устойчивости; Рв – плотность грунтовой воды; Vв – объем части резервуара, погруженной в воду. Если в этой формуле правая часть больше левой, резервуар снабжают якоря- ми, масса которых Мя = п3у Рв Vв – Мр . Якоря прикрепляют к хомутам стягивающей полосы, обжимающей корпус. Каждую группу наземных резервуаров ограждают земляным валом высотой 1,5 м и шириной поверху 0,5 м или стенкой из несгораемых материалов вы- сотой 1,5 м, способных выдержать гидростатическое давление разлившейся жидкости. Объем обвалования должен равняться вместимости отдельно обва- лованного резервуара или вместимости большого резервуара для группы ре- зервуаров. В зоне обвалования устанавливают не менее двух лестниц (пере- ходов) для отдельно стоящих резервуаров, не менее четырех – для группы резервуаров. С внутренней и наружной стороны обвалования создают кюве- ты для отвода сточных вод в канализацию. Внутреннюю кювету оборудуют задвижкой, предотвращающей самопроизвольный сток в канализацию раз- лившегося топлива, и соединяют трубопроводом с подземной емкостью, в 47 которую собирают пролитый нефтепродукт. Управление задвижками распо- лагают с внешней стороны обвалования. Между отдельными группами ре- зервуаров и по границе зон хранения оборудуют пожарные проезды шириной не менее 3,5 м. Внутри обвалования группы устраняют внутренний земляной вал или стенку, которая делит резервуарную группу на части вместимостью не более 20000 м3 [6]. Таблица 4 - Основные технические характеристики горизонтальных цилинд- рических резервуаров Показатель Условный объем резервуара, м3 10 25 50 75 100 Вмести- мость ре- зер-вуара, м3 10,5 - 11,5 (–) 25,4-28,5 (26,5-28,5) 50,2-54,4 (51,7-54,6) 73,4-83,4 (74,6- 84,8) 97,5-100,6 (98,9-101,4) Наружный диаметр, мм 220 (–) 2862-2870 (2862-2870) 2862-2870 (2862-2870) 3238- 3250 (3238- 3250) 3238-3250) (3238-3250) Наружная длина, мм 2823 - 3073 (–) 4035-4274 (4645-4924) 7885-8383 (8545-9130) 8958- 10126 (9590- 10758) 11888-12132 (12520- 12764) Общая мас- са метал-ла, кг 1013 - 1049 (–) 1772-1898 (1831-1894) 3148-3339 (3200-3343) 4181- 4499 (4250- 4583) 5305-5375 (5311-5405) Примечание: в скобках указаны размеры резервуаров с коническими днищами. 48 Для расходных резервуаров систем ЦЗС этого оборудования недоста- точно, так как к ним предъявляются более жесткие требования к обеспече- нию выдачи топлива из верхних, наиболее отстоявшихся слоев; надежной защите топлива от попадания в него пыли и влаги из атмосферы, а также продуктов коррозии, которые могут образовываться на внутренних стенках резервуаров. Для выполнения этих требований на расходных резервуарах не- обходимо устанавливать дополнительное специальное оборудование, а внут- ренние их поверхности покрывать антикоррозионными материалами. В качестве дополнительного оборудования используются плавающие топли- возаборные устройства для верхнего забора топлива, воздушные фильтры, устройства для удаления отстоя, а также плавающие крыши и понтоны. Авиатопливо должно храниться в горизонтальных и вертикальных ре- зервуарах с неподвижной крышей. Новые резервуары должны быть сконст- руированы таким образом, чтобы не допустить попадание в них воды и грязи, обеспечить легкий слив отстоя из резервуаров. Для горизонтальных резер- вуаров предусматривается минимальный угол наклона в отношении 1:50 в сторону устройства слива отстоя, а вертикальные резервуары должны иметь конусообразное днище с наклоном 1:30 к центру отстойника. Для внутренних поверхностей резервуаров в качестве антикоррозионных по- крытий применяются: металлизация, эмалирование, лакокрасочные материа- лы, стеклопласт на основе полиэфирных и эпоксидных смол [30]. Таблица 5 - Основные характеристики оборудования резервуаров Оборудование Марка Размеры, мм Пропускная спо- собность, м3/ч Условный диаметр Диаметр фланца Приемо- раздаточные ППР-80 80 220 До 50 49 патрубки ППР-100 100 240 50 – 100 ППР-150 150 300 100 – 200 ППР-200 200 350 200 – 300 ППР-300 300 520 600 – 1200 Плавающие ПУВ-100 100 210 70 – 120 топливоза- борные уст- ройства ПУВ-150 150 265 150 – 200 ПУВ-250 250 371 300 – 500 Хлопушки Х-80 80 190 – Х-100 100 210 – Х-150 150 265 – Х-200 200 320 – Х-250 250 371 – Х-300 300 440 – Механиче- ские дыха- тельные КД-50 50 450 До 25 клапаны КД-100 100 500 60 – 72 КД-150 150 550 118 – 142 КД-200 200 600 206 – 240 КД-250 250 650 244 – 304 Гидравличе- ские КПСА-100 100 205 50 предохрани- тельные кла- паны КПСА-150 150 260 100 КПСА-200 200 315 200 50 КПСА-250 250 370 300 КПСА-350 350 485 600 Огневые пре- дохранители ОПЛ-50 50 140 – ОПЛ-80 80 190 – ОПЛ-100 100 210 – ОПЛ-150 150 265 – ОПЛ-200 200 320 – ОПЛ-250 250 375 – 3. Проектирование и расчет резервуара 3.1. Техническое задание Разработка проектно-конструкторской документации на стальной гори- зонтальный цилиндрический резервуар выполняется на основании Техниче- ского задания на проектирование. Технология разработки проектно-конструкторской документации на стальной горизонтальный цилиндрический резервуар включает в себя сле- дующие основные этапы: 1) определение и назначение материалов, используемых для элементов стен- ки, днища и крыши резервуара; 2) определение и назначение сварочных материалов, используемых для изго- товления и монтажа строительных конструкций резервуара; 3) определение геометрических размеров резервуара или их назначение из типового ряда; 4) расчет и конструирование днища резервуара; 51 5) расчет и конструирование стенки резервуара; 6) расчет и конструирование крыши резервуара; 7) разработка конструктивных решений люков-лазов и патрубков на стенке и крыше; 8) разработка технологического оборудования на резервуар; 10) разработка конструктивных решений элементов молниезащиты. 3.2 Расчет и оптимизация конструкции резервуара Горизонтальные цилиндрические резервуары испытывают действие внутреннего давления и весовых нагрузок. Корпус резервуара необходимо рассчитывать на прочность от действия давления и на устойчивость при из- гибе от действия весовых нагрузок. Расчет на прочность от действия давления проводят аналогично расчету тонкостенной оболочки нагруженной внутренним давлением, причем расчет- ное давление в формуле принимают как суммарное гидростатическое и избы- точное газовое давление ( , где - удельный вес жидкости). При расчете на изгиб резервуар рассматривают как балку, лежащую на опорах и нагруженную равномерно распределенной нагрузкой q = G / L, где G – вес аппарата вместе с содержимым; L – длина аппарата [21]. 52 В середине резервуара изгибающий момент где а – длина концов аппарата, консольно выступающих за опору. Изгибающий момент над опорой После определения моментов M 1 и M 2 проверяют прочность стенки при совместном действии изгиба и давления. Меридиональные напряжения в середине резервуара над опорой 53 где k 1 - коэффициент, определяемый по графику [4, с.117, рис.101] Полученные меридиональные напряжения должны удовлетворять усло- вию: , где φ - коэффициент прочности сварного шва. В корпусе горизонтального резервуара наряду с меридиональными на- пряжениями действуют кольцевые напряжения, которые стремятся деформи- ровать круглую оболочку и придать ей форму эллипса. Кольцевые напряжения в середине опоры (точка А) у края опоры (точка Б) 54 При L/D ≥ 4 При L/D < 4 где k 2 , k 3 - коэффициенты, определяемые по графикам в зависимости от угла обхвата емкости опорой [4, с.117, рис.103, 104]; или - эффективная длина обечайки (из двух значений принимают наименьшее); b – ширина опоры. Полученные кольцевые напряжения должны удовлетворять условию: , Если последние условия прочности не выполняются, то под опорой не- обходим подкладной лист. Если между опорой и корпусом находится подкладной лист, то при рас- чете кольцевых напряжений вместо s необходимо подставить суммарную толщину обечайки и подкладного листа, но не более 2s. 55 Для решения задачи оптимального проектирования используем метод математического моделирования. Исследование объектов с помощью этого метода позволяет проникнуть в сущность изучаемых объектов и дает воз- можность решения многокритериальных задач. Одним из методов математического моделирования является предло- женный Уайлдом метод последовательной частной оптимизации [7], исполь- зуемый при решении инженерных задач, в случае, когда в задаче имеется не- сколько переменных. Суть метода заключается в том, что несколькими пере- менными оперируют поочередно, а не одновременно т.е. на каждом этапе оп- тимизация производится лишь для одной из переменных [9], при этом ис- пользуется свойство монотонности функций, которое преобладает в инже- нерных задачах по оптимизации конструкций. Решим задачу выбора оптимальных размеров для горизонтального цилинд- рического резервуара высокого давления для хранения сжиженного газа. Объем резервуара примем =100м2, внутреннее давление =0,18кНсм2; Имеем следующие переменные: – толщина стенки; – внутренний радиус; – длина резервуара; – толщина днища. На первом этапе решения задачи определим. как меняется стоимость днища в зависимости от переменных , , . Общая стоимость изготовления резервуара зависит от , , , , т.е. необходимо минимизировать функцию стоимости ( , , , ) . Рассматриваем и опреде- ляем, что меняется в стоимости объекта в зависимости от изменения . Оче- видно, что в первую очередь меняется стоимость днища. Поскольку стои- мость днища зависит вообще от объема стали умноженный на стоимость стали, при этом стоимость стали принимается постоянной, значит стоимость днища меняется в зависимости от 56 объема стали или от переменных и . Соответственно имеем стоимость днища ( , ) – функция от радиуса и толщины. Так как общая стоимость резервуара достигает минимума, когда минимизи- ровано днище по , то возможные значения других переменных на данном этапе оптимизации не рассматриваем. Примем, что нижняя граница для функции ( , ) при постоянном , может быть определена как min ( , ), т.е. ( , )≥min ( , ) – частный минимум функции по , т.е. мы меняем только . Процесс определения min ( , ) назы- вается частная оптимизация по переменной Общую стоимость резервуара представим в виде суммы стоимости днища ( , ) и стоимости стенки ( , , ) причем стоимость стенки не зависит от . Рассматриваем весь объект относительно первой переменной . Последова- тельная частная минимизация общей стоимости резервуара относительно , состоит в том, чтобы найти min [ ( , )+ ( , , )]=min ( , )+min ( , , )=min ( , )+ ( , , ) т.к. функция ( , , ) не зависит от . В представленном уравнении частный минимум общей стоимости зависит от всех переменных задачи, кроме , поскольку – минимизируемая переменная и значение этой переменной оптимизируется вне оптимизации функции об- щей стоимости. В конечном счете нас интересует минимизация общей стоимости резервуара по всем четырем переменным, что может быть записано как: min , , , [ ( , )+ ( , , )] (1) 57 Требуемый результат можно получить определив частный минимум по и минимизируя полученную функцию по всем остальным переменным. После- довательность этих операций представляется как: min , , (min ( ( , )+ ( , , )))=min , , (min ( , )+ ( , , )) (2) Два минимума функции общих затрат (1) и (2) должны быть равны между собой. min , , , [ ( , )+ ( , , )]=min , , [min ( , )+ ( , , )] Правая часть данного уравнения указывает на то обстоятельство, что исход- ную задачу, включающую четыре переменные, следует решать на первом этапе путем частной оптимизации по Для этого достаточно исследовать функцию, характеризующую стоимость днища и установить ограничение по вида ≥ ∙ . Согласно Справочнику проектировщика [10] сферические днища рассчиты- ваются на прочность по формуле: = 2∙ℎ≤ ∙ , откуда = ∙ ∙ 2∙ ∙ Примем = ∙ 2∙ ∙ , тогда Для стали марки 09Г2С-15 (С345) при толщине =20÷40мм; =29кНсм2; с=0,8 – коэффициент условия работы; =1,2– коэффициент надежности по нагрузке для внутреннего давления. Получим =0,18∙1,22∙29∙0,8=4,7∙10−3 Задача последовательной частной оптимизации состоит в определении min ( , ) с учетом ограничения (условий прочности для днища). При этом радиус временно принимается как постоянная величина, а – как пара- 58 метр, который может принимать соответствующие значения для различных проектных характеристик. Стоимость днища пропорциональна объему металла и является возрастаю- щей функцией от , которая имеет вид. Объем стали днища =2∙ ∙ 2∙ , Обозначим константу 2 как параметр стоимости днища , Таким образом, ( , )= ∙ 2∙ , Следовательно,min ( , )= ∙ 2(min ), поэтому для минимизации стоимости днища необходимо его толщину сделать как можно меньше, т.е. как можно ближе к нижней границе ≥ ∙ . Таким образом, минимальная стоимость днища равна: min ( , )= ∙ 2∙ ∙ =( ∙ )∙ 3, где ( ∙ ) – является параметром. На следующем этапе решения задачи проведем частную оптимизацию общей стоимости резервуара по толщине стенки Про прочих равных условиях ( , , −постоянны) стоимость изготовления стенки резервуара увеличиваются при увеличении . Поэтому значение не- обходимо сделать как можно меньшим. Установим ограничение прочности на стенку резервуара. Согласно [10] напряжение в стенке резервуара соста- вит: = ∙ ∙ ≤ ∙ , где = – расчетное сопротивление сварного шва при физических мето- дах контроля; 59 =0,8 – коэффициент условия работы; =1,1– коэффициент надежности по назначению; =1,2– коэффициент надежности по нагрузке для внутреннего давления; – толщина стенки; = ∙ ∙ ∙ ∙ Представим накладываемое ограничение в виде ≥ ∙ , где = ∙ ∙ ∙ =1,2∙1,1∙0,1829∙0,8=10,2∙10−3 Функция стоимости стенки резервуара достигает минимума, когда величина соответствует точной нижней границе т.е. = ∙ , Таким образом, min , , [ ( , , )]=min , [min ( , , )]=min , [ ( , , )]=min , [ ( , , )] Стоимость материала стенки пропорциональна его объему, который равен 2 ∙ ∙ . Обозначим 2 как С – параметр стоимости стенки. Имеем ( , , )= ∙ ∙ ∙ , Минимизируя подставим = ∙ , тогда стоимость резервуара миними- зируется по и составит ( , , )= ∙ ∙ ∙ ∙ =( ∙ )∙ 2∙ - является возрас- тающей функцией от и . Итог частной оптимизации двух переменных будет выглядеть в виде: min , , , [ ( , )+ ( , , )]=min , [min ≥ ∙ ( , )+min ≥ ∙ ( , , )]= =min , [( ℎ∙ )∙ 3+( ∙ )∙ 2∙ ] (3) Для того, чтобы осуществить минимизацию по и по , необходимо рассмот- реть оставшиеся ограничения [13]. 60 Объем резервуара составит: = ∙ 2∙ (4) Видно, что функции (3) и (4) при увеличении и возрастают. Соответствен- но, чем больше объем резервуара, тем больше его стоимость. Резервуар ми- нимально допустимого объема = ∙ 2∙ соответствует минимальной стоимо- сти. Из уравнения объема резервуара можно получить явное выражение для , при этом – неизвестно. = ∙ 2 Исключение из соотношения (3) приводит к зависимости: С=min , [( ∙ )∙ 3+( ∙ )∙ 2∙ ∙ 2]=( ∙ )∙ 3+ ∙( ∙ ), - мы получили уравнение с в первом слагаемом. Поскольку коэффициент ( ∙ )∙ 3 является положительным, а коэффициент ∙( ∙ ) не зависит от , то общая стоимость резервуара представляет со- бой возрастающую функцию величины . Соответственно, радиус резервуара должен быть как можно меньше. В то же время из формулы объема резер- вуара = ∙ 2∙ видно, что величина радиуса ограничена снизу, т.к. существу- ет верхняя граница длины стенки – максимальное значение =√ ∙ ; = ∙ 2≤ Соответственно принимаем ∗= , где ∗- значение данной переменной при которой достигается минимум оптимизируемой функции [8]. У нас имеется два ограничения на толщину днища , нижняя граница опреде- ляется условием прочности, верхняя граница – ограничением общей длины резервуара . Так как с ростом стоимость днища увеличивается, то в точке минимума в качестве активного ограничения должна использоваться 61 точная нижняя граница, т.е. ∗= ∙ ∗. Для частной оптимизации по требует- ся использовать в качестве активного ограничения предельную величину объема резервуара Таким образом. имеются четыре ограничения: - для толщины стенки ≥ ∙ ; - для толщины днища ≥ ∙ ; - для размеров, определяющих объем = ∙ 2∙ ; - для общей длины резервуара ≤ . Окончательно имеем, что определение оптимального проектного решения обеспечивается использованием следующих уравнений: ∗= - оптимальное значение длины резервуара ; ∗=√ ∙ - оптимальное значение радиуса стенки ; ∗= ∙ ∗ - оптимальное значение толщины днища ; ∗= ∙ ∗ - оптимальное значение толщины стенки. В рассматриваемом примере заданы следующие основные проектные харак- теристики =1200см; =100м3; =4,7∙10−3; =10,2∙10−3, Тогда переменные имеют следующие оптимальные значения. ∗=1200см; ∗=√100∙1063,14∙1200=163см. Что соответствует =326см≈3,25м – следова- тельно выполняется ограничение по соблюдению транспортного габарита. 62 ∗=4,7∙163=0,76см=8 мм; ∗=10,2∙10−3∙163=17 мм. 63 Заключение Рассмотренный в вкр метод частной оптимизации позволяет находить оптимальные параметры листовых конструкций. При решении задачи опти- мизирования накладывались следующие ограничения: максимальная длина определяется условиями транспортного габарита резервуара, толщина днища и стенки определяются требованиями норм проектирования исходя из усло- вия прочности. При этом каждое ограничение рассматривается как строгое равенство. |