Различные сооружения типа оболочек, несущей основой которых являются плоские или изогнутые металлические листы (пластинки и оболочки), образуют группу листовых конструкций.
Как правило, листовые конструкции применяются для хранения, транспортировки, технологической переработки жидкостей, газов и сыпучих материалов. Листовые конструкции широко применяются в различных отраслях промышленности и составляют около 20 % объема всех металлических конструкций.
В зависимости от назначения листовые конструкции классифицируют на:
резервуары для хранения жидкостей (нефти, нефтепродуктов, спирта, кислот, сжиженных газов и др.);
газгольдеры для хранения и выравнивания состава газов;
бункеры и силосы для хранения и перегузки сыпучих материалов (руды, цемента, песка, угля и т. п.);
листовые конструкции доменных цехов (кожухи доменных печей, воздухонагревателей, пылеуловителей);
листовые конструкции специальных технологических установок химических и нефтеперерабатывающих заводов;
трубопроводы большого диаметра для транспортирования воды и газов в гидростанциях, нефтехимических, металлургических и других предприятий.
Листовые конструкции, обладая рядом специфических особенностей при расчете, проектировании, изготовлении и монтаже, выделяются в самостоятельную группу металлических конструкций. Листовые конструкции обычно имеют большие геометрические размеры, поэтому их собирают из отдельных конструктивных элементов, что обусловливает наличие большого числа сварных швов, к которым предъявляются требования по плотности и прочности.
В процессе эксплуатации многие листовые конструкции подвергаются коррозионному воздействию со стороны хранимых продуктов, что резко снижает их долговечность. Известны случаи выхода из строя резервуаров и трубопроводов под воздействием сернистых соединений, находящихся в хранимых или транспортируемых продуктах, за короткий срок эксплуатации (2-3 года).
Для увеличения срока службы сооружений целесообразно нанесение на поверхность стенки, контактирующей с продуктом, покрытия из специального защитного лакокрасочного материала, цинка, алюминия или другого коррозионно-стойкого материала.
Сварные резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов. Классификация
Сосуды, предназначенные для приемки, хранения, технологической обработки и отпуска различных жидкостей, нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов, воды, водного аммиака, технического спирта и др., называются резервуарами.
В зависимости от геометрической формы и положения в пространстве стальные резервуары подразделяются на: вертикальные цилиндрические; горизонтальные наземные, когда днище резервуара непосредственно опирается на основание - грунт (без зазора);
цилиндрические; сферические; каплевидные осесимметричные, траншейные и т. д.
По расположению относительно планировочного уровня строительной площадки резервуары делятся на:
надземные, когда днище резервуара расположено на опорах выше уровня основания - грунта (с зазорами);
подземные, когда верхняя грань или верхняя образующая резервуара расположена ниже планировочного уровня территории площадки.
Вертикальные цилиндрические резервуары бывают: со стационарной крышей; с понтоном; с плавающей крышей.
Резервуары со стационарной крышей в зависимости от конструкции покрытия могут быть: с конической крышей (крыша в этом случае представляет собой распорную конструкцию); со сферической крышей в виде распорной конструкции; с висячей крышей (так называемой «безмоментной кровлей») и центральной стойкой; с торосферической кровлей и кривизной в двух направлениях; со складчатой кровлей; с гофрированной конической кровлей; с двух-, трех- и четырехскатной кровлей из рулонируемых заготовок и т. д.
Днище вертикальных цилиндрических резервуаров обычно имеет уклон от центра к периферии или наоборот.
Стенка резервуара представляет собой цилиндр, состоящий из поясов, имеющих высоту, равную высоте применяемых листов 1,5; 2 м и более. Она может изготовляться из предварительно укрупненных на заводе-изготовителе рулонных заготовок и из отдельных листов. Длина применяемых листов 6; 8; 10 и 12 м. По типу конструкции стенки могут быть однослойными, двухслойными, предварительно напряженными, усиленными бандажами и т. д.
Требования, предъявляемые и резервуарам. Нагрузки. Оборудование
Во время эксплуатации герметически закрытых резервуаров со стационарной крышей при их наполнении жидкостью образуется избыточное давление в паровоздушной зоне, а при опорожнении - вакуум.
Избыточное давление в стенке резервуара сверх гидравлического давления вызывает дополнительное растяжение, а в крыше изгибающий момент, нормальную и поперечную силу и краевой эффект по ее контуру.
Вакуум вызывает в конструкциях резервуаров такие же усилия, но обратного знака. Для ограничения избыточного давления и вакуума в принятых проектом пределах, на крыше устанавливают аппаратуру, регулирующую их размеры в заданных пределах. Для большей надежности обычно устанавливают аппаратуру двух типов: механическую и гидравлическую.
В резервуарах со стационарной крышей, относящихся к резервуарам низкого давления, хранят нефтепродукты с низкой упругостью паров бензина. Они предназначены для эксплуатации при малой оборачиваемости нефтепродуктов (не более 10-12 раз в год).
Для хранения нефти и легкоиспаряющихся нефтепродуктов при большой оборачиваемости применяют резервуары с плавающей крышей и понтоном. В этих резервуарах практически отсутствуют избыточное давление и вакуум.
Резервуары повышенного давления (до 30 кПа), как правило, применяют для длительного хранения нефтепродуктов при оборачиваемости не более 10-12 раз в год.
Оборудование резервуаров.
Люки-лазы бывают круглые и овальные. Они предназначены для проникновения внутрь резервуара в период ремонта, а также для вентиляции.
Приемораздаточные патрубки устанавливают на первом поясе резервуара. Число приемораздаточных патрубков определяется производительностью операций по приему и сливу продукта, исходя из средних условий эксплуатации. Приемораздаточный патрубок имеет корпус, два фланца, усиливающий воротник и ребра жесткости. На приемораздаточных патрубках с наружной стороны резервуара устанавливают задвижку с электроприводом, а с внутренней - хлопушку.
Хлопушки чугунные или стальные сварные диаметром 400, 500, 600, 700 мм с управлением и перепуском устанавливают на приемораздаточном патрубке для предотвращения утечки продукта из резервуара через неплотности в задвижке или в трубопроводе.
Боковое управление хлопушкой применяют для открывания и удержания ее в открытом положении. Оно состоит из опорной плиты, вала управления с барабаном, сальника, электрического привода. Открывание и закрывание хлопушки осуществляется при помощи электропривода во взрывобезопасном исполнении.
Устройства для предотвращения выпадания осадков (смесители). При хранении нефти в резервуарах на днище скапливаются значительные осадки парафина и других примесей. Выпадание осадков происходит в течение 1-2 мес, а уплотнение их в твердую массу - около 6 мес. Применяют два метода борьбы с отложениями осадков из нефти в резервуарах при хранении: периодическое удаление накопившихся осадков после опорожнения резервуара и применение устройств, предотвращающих выпадание осадков. Периодическая очистка резервуара связана с уменьшением товарной вместимости резервуара, потерей нефтепродуктов, содержащихся в осадке, трудоемкостью и опасностью работ по очистке резервуара. Чаще используют устройства, которые искусственно поддерживают парафин, находящийся в нефти, во взвешенном состоянии, который и удаляют вместе с нефтью.
Применяют устройства двух типов, предотвращающие выпадание осадков, - винтовые смесители и размывающие головки.
Винтовой смеситель состоит из электродвигателя во взрывобезопасном исполнении, зубчатой муфты, конического редуктора, торцевого уплотнения, шарового сальника, крышки патрубка и механизма поворота, приводного вала с трехлопастным винтом и стойки, предназначенной для крепления электродвигателя. Мешалки устанавливаются на крышках люков условным диаметром 700 мм. Число мешалок, устанавливаемых на резервуаре, выбирается из расчета перемешивания всего объема нефти за 3-5 ч. Для лучшего перемешивания винтовой смеситель устанавливают иод углом 10° к плоскости днища, в горизонтальной плоскости ось винта может быть отклонена на 60°.
Размывающая головка состоит из корпуса, который с помощью фланца крепится к приемораздаточной трубе резервуара, клапана и штоков. Заслонка и нижняя часть корпуса представляют собой кольцевую насадку. Высота щели насадки регулируется с помощью опорного кольца, болтов и нижнего штока с гайкой. К верхнему штоку крепится трос, идущий на барабан управления хлопушкой. Верхний шток может перемещаться вверх на некоторую высоту, регулируемую гайкой, независимо от нижнего штока. На крупных резервуарах можно устанавливать 12 и более размывающих головок с условным диаметром 300 мм. В этом случае для предупреждения вытекания нефти из резервуара на приемных линиях устанавливают обратные клапаны. Размывающую головку присоединяют к приемораздаточной трубе резервуара, проложенной до его центра. Нефть при закачке в резервуар идет через кольцевое сопло, распределяясь по днищу резервуара в виде веерной струи, которая поднимает осевший на дне парафин и распределяет его в нефти. Полость трубы отключают от резервуара обратным клапаном.
Нефть подают через размывающие головки, как правило, при заполнении резервуара. Если оборачиваемость резервуара мала, то устанавливают специальный насос для периодической циркуляции нефти через размывающие головки. На подающей линии к размывающим головкам устанавливают фильтр. Подавая через размывающие головки подогретую нефть, можно разогреть всю нефть в резервуаре. Число размывающих головок рассчитывают так, чтобы не было зон, в которых парафин не размывается.
В качестве запорной арматуры на трубопроводах используют задвижки, вентили и краны. На приемораздаточных патрубках устанавливают клиновые задвижки с выдвижным шпинделем. Они управляются дистанционно при помощи электроприводов. Предусмотрено также и ручное управление задвижкой при помощи маховика с использованием червячной передачи редуктора электропривода.
Кран сифонный предназначен для забора и спуска из резервуара подтоварной воды, для очистки резервуара от остатков нефти и нефтепродуктов, находящихся ниже уровня установки приемораздаточных патрубков. Чтобы вода в кране не замерзала, после ее спуска кран поворачивают с помощью рукоятки на 90° и вытесняют воду нефтепродуктом. Для защиты от атмосферных осадков кран закрывают кожухом, который крепят к воротнику, приваренному к стенке резервуара.
Клапаны обратные поворотные имеют большой диапазон диаметров условного прохода 50-1000 мм. Их назначение - предотвращать возникновение обратного потока в трубопроводе. Клапаны с условным диаметром более 600 мм обычно имеют несколько дисков-захлопок, закрывающих отверстия в расположенных на общей плите седлах. Их применяют на приемных линиях с использованием размывающих головок.
Люки световые условным диаметром 500 мм предназначены для вентиляции резервуара при его зачистке и освещения внутренней поверхности. Световой люк состоит из корпуса, усиливающего воротника, фланца и крышки.
Люк замерный используют для замера уровня нефтепродукта в резервуаре. Иногда его применяют для отбора продукта. Люк замерный располагается на фланцевом патрубке, который приваривают к крышке направляющей трубы, где, кроме того, установлены люки пробоотборника и приборы для замера уровня.
Вакуумный клапан служит для регулирования давления внутри резервуара при опускании плавающей крыши на стойки. Клапан снабжают огнезащитным устройством, предохраняющим от проникновения огни (вместе с воздухом) внутрь резервуара через вакуумный клапан.
Секционные подогреватели применяют для подогрева нефти или нефтепродукта. Их изготовляют в виде отдельных секций с параллельным расположением труб диаметром 159 мм. Каждую секцию паронагревателя из четырех труб устанавливают внутри резервуара у приемораздаточных патрубков на опорах. Змеевиковые паронагреватели располагают на стеллажах, собранных из швеллера или уголков.
Пеногенераторы применяют для производства высокократной воздушно-механической пены и подачи ее в очаг горения из расчета покрытия кольцевого пространства между стенкой резервуара и металлической диафрагмой на плавающей крыше. Пеногенераторы укрепляют на стенке резервуара на равном расстоянии один от другого. Тип и число устанавливаемых на резервуаре пеногенераторов зависят от конструкции и вместимости резервуара, а также от вида хранимого продукта.
Указатель уровня (УДУ) используют для измерения уровня нефти, нефтепродуктов и других жидкостей в резервуарах. Конструкция указателя уровня позволяет присоединять к нему датчики (потенциометрические и водоимпульсные) для дистанционной передачи показаний в диспетчерский пункт.
Сигнализатор уровня жидкости (СУЖ) используют для подачи электрического сигнала при повышении или понижении уровня жидкости относительно заданной отметки в резервуарах.
Принципы конструирования сварных резервуаров. Типовые резервуары
Наиболее широко распространены типовые резервуары низкого давления объемом 100-20000 м3. Строятся и более крупные резервуары до 50000 м3.
Конструкция вертикального цилиндрического резервуара состоит из днища, корпуса и покрытия. Типовые проекты предусматривают различное необходимое для эксплуатации оборудование: шахтную лестницу; люки-лазы; приемораздаточные патрубки; сифонные краны; предохранительные клапаны и т. д.
Днище резервуара устанавливают на специально подготовленное основание, имеющее уклон от центра к краям. На конструкции днища действует относительно небольшая по величине равномерно распределенная нагрузка от продукта.
Корпус резервуара под воздействием гидростатического давления хранимого продукта испытывает растяжение. Толщина листов стенки корпуса принимается по расчету, однако, исходя из условий обеспечения качества сварки, толщина листов стенки не должна быть менее 4 мм.
Листы сваривают встык. Крыша резервуара опирается на корпус, а в некоторых резервуарах и на центральную стойку. Толщина листов крыши 2,5-3 мм.
В нашей стране вертикальные стальные резервуары возводят с применением готовых рулонированных полотнищ днища, корпуса, а в последнее время и крыши. На монтаже их разворачивают и сваривают между собой. Этот прогрессивный метод сокращает сроки строительства и позволяет перенести большую часть трудоемких сварочных работ в более удобные заводские условия. Однако рулонированию поддаются полотнища из листов толщиной не более 17 мм.
Как правило, для резервуаров заказывают листы размером 1500X6000 мм и высоту резервуара и назначают с учетом кратности листа.
Стенку корпуса соединяют с днищем сплошным двухсторонним угловым швом.
Если прочность соединения стенки с днищем обеспечена, то прочность корпуса на изгиб не проверяют.
В вертикальных цилиндрических резервуарах иногда применяют мембранную висячую кровлю бескаркасной конструкции из листов толщиной 2,5-3 мм и корпус. Опора стойки представляет собой телескопическую систему. При наличии внутреннего давления кровля вместе с центральной стойкой может приподниматься на 1000-1200 мм.
Для резервуаров объемом 10000 и 20000 м3 применяют сферическую кровлю, состоящую из сегментных щитов, опирающихся только на корпус.
Резервуары повышенного давления имеют разнообразную форму, обеспечивающую работу оболочки на повышенное внутреннее давление.
Вертикальные цилиндрические резервуары повышенного давления имеют сферические или сфероцилиндрические кровли и плоские или выпуклые днища. Резервуары с плоскими днищами под влиянием избыточного внутреннего давления могут приподниматься и деформировать днище. Для предупреждения этого явления нижний пояс стенки закрепляют анкерами к кольцевому ленточному фундаменту. Нижний пояс в таких резервуарах укрепляют кольцом жесткости из уголка, располагая его с внутренней стороны резервуара.
Сфероцилиндрическая кровля резервуара состоит из цилиндрических лепестков, очерченных двумя сопряженными радиусами по коробовой кривой с плавным переходом к корпусу. Изготовить такую кровлю проще, чем сферическую, так как она не требует вальцовки листов в двух направлениях. Корпус и кровля резервуара имеют разные очертания в месте их сопряжения (окружность и многоугольник), поэтому их примыкание осуществляется через горизонтальный лист или вальцованный швеллер. Для обеспечения устойчивости стенки корпуса при вакууме ставят ребра жесткости.
Резервуар с выпуклым днищем с целью равномерного опирания устанавливают на высокую песчаную подушку.
Горизонтальные цилидрические резервуары проектируют диаметром до 4 м. Длина их может достигать 40 м, объем до 400 м3 с избыточным давлением 40-70 кПа для жидкостей и 200-1800 кПа - при хранении сжиженных газов. Для удобства транспортирования диаметр резервуаров принимают не более 3,25 м. Это - самые экономичные резервуары, так как имеют полную заводскую готовность.
Наземные резервуары устанавливают на опоры, расстояние между которыми принимают 0,5-0,7 длины резервуара. Жесткость резервуара обеспечивается установкой внутренних диафрагм из гнутого уголка с приваренным к нему стержневым треугольником жесткости. Днища горизонтальных резервуаров при небольших избыточных давлениях (до 40 кПа) делают плоскими, они работают как мембрана.
При больших давлениях применяют сферические, конические или цилиндрические днища.
Основные принципы расчета резервуаров и их сварных соединений
Листовая конструкция состоит из двух видов элементов - плоских металлических листов (пластинок) и изогнутых листов (оболочек).
Работа и расчет пластинок и оболочек зависят от их геометрических параметров.
1. Пластинки. Работа и расчет плоских пластинок зависят от отношения пролета пластинки или наименьшего размера в плане при опирании пластинки по контуру к ее толщине.
Толстые пластинки. При их расчете учитывают напряжение в трех взаимно перпендикулярных направлениях. В строительных конструкциях такие пластинки, как правило, не применяются.
Пластинки малого прогиба работают только на изгиб. Если прогиб пластинки не превышает половины ее толщины, то напряжением от распора пренебрегают.
Пластинки большого прогиба. В этом случае напряжениями от распора пренебречь нельзя. Такие пластинки работают на совместное действие изгиба и растяжения. Прогиб пластинок может превосходить половину ее толщины.
Гибкие пластинки (мембраны) работают как гибкие нити только на растяжение от распора.
Прогибы и напряжения в пластинках зависят от опирания по контуру, которое может быть шарнирным, жестким или свободным по различным краям пластинки.
2. Оболочки образуются путем изгиба листов по заданному радиусу кривизны. Оболочки, имеющие кривизну в одном направлении с постоянным радиусом кривизны, называют цилиндрическими. Если радиус кривизны изменяется вдоль оси вращения по линейному закону, получается коническая оболочка. Если оболочки образованы изгибом листа во взаимно перпендикулярных направлениях, получается сферическая оболочка.
Отношение радиуса кривизны оболочки к ее толщине определяет работу и расчет оболочек.
Толстые оболочки не относятся к листовым конструкциям.
Тонкие оболочки. Равновесие элемента тонкой оболочки при определенных условиях соблюдается при наличии только осевых сил без изгиба, направленных по образующим в перпендикулярном направлении (безмоментная теория расчета). К таким условиям относятся:
нагрузки должны быть сплошные осесимметричные без резких изменений интенсивности;
участок оболочки должен быть сплошным, гладким, большим, удаленным от так называемых краевых линий, препятствующих или искажающих плавность деформаций оболочки. Такие линии образуются ребрами жесткости, днищами, резкими изменениями толщины, острыми перегибами. Деформация оболочки в этих местах стеснена, на отдельных участках происходит местный изгиб и возникающим изгибом уже нельзя пренебречь. Возникновение изгибающих моментов у краевых линий называется краевым эффектом.
Устойчивость оболочек. При равномерном внутреннем давлении получаются растягивающими. Если внешнее давление равномерно или имеется вакуум, напряжения определяются по тем же формулам, однако они будут иметь другой знак, т. е. будут сжимающими. В таких условиях возможна потеря устойчивости оболочки.
Значения критических напряжений для оболочек приведены в справочниках.
Краевой эффект. В местах, препятствующих свободным деформациям оболочек (краевых линий), имеет место краевой эффект-изгиб. Возникающие моменты могут быть большими, однако они быстро уменьшаются. Эпюры моментов по длине оболочки имеют волнообразный, резко затухающий характер.
Если исходить из предположения, что упругость материала не ограничена, то местные напряжения от изгиба могут быть весьма значительными, превышающими предел текучести материала. В реальной конструкции после достижения материалом предела текучести напряжения перестают нарастать. В месте возникновения краевого эффекта в кольцевом сечении появляется шарнир пластичности и оболочка начинает работать по измененной схеме со смягчением жесткости по краевой линии и перераспределением напряжений. Появление шарнира пластичности по краевой линии оболочки не превращает ее в изменяемую систему, следовательно, несущая способность ее не является исчерпанной.
Несмотря на то что действующие нормы проектирования не содержат рекомендаций но проверке листовых конструкций на напряжения от краевого эффекта в конкретных случаях, их надо иметь в виду, оценивать и учитывать.
Влияние краевого эффекта должно учитываться также конструктивными мероприятиями: применением сталей с гарантированным углом загиба в холодном состоянии, сварочными материалами повышенного качества, плавными переходами от одной оболочки к другой, устройством плавных скосов кромок при изменении толщин листов и т. д.
Сварные газгольдеры. Назначение. Классификация. Принцип действия
Сооружения в виде сосудов, предназначенные для хранения, выравнивания состава и перемешивания различных газов, называют газгольдерами. По величине внутреннего давления газгольдеры разделяют на два класса: газгольдеры низкого давления с избыточным давлением до 5 кПа и газгольдеры высокого давления, в которых рабочее давление достигает 3000 кПа, а в некоторых случаях и более.
Различают газгольдеры постоянного давления и газгольдеры постоянного объема.
В газгольдерах постоянного давления при опорожнении или наполнении изменяется объем, а давление все время остается постоянным. В газгольдерах постоянного объема изменяется только давление, а объем остается неизменным.
Газгольдеры низкого давления имеют переменный объем и делятся на две группы: мокрые газгольдеры с вертикальными направляющими или винтовыми направляющими и сухие газгольдеры с поршнем или гибкой секцией.
Наиболее распространены мокрые газгольдеры с вертикальными и винтовыми направляющими.
Мокрые газгольдеры. Конструкция мокрого газгольдера состоит из неподвижного вертикального цилиндрического резервуара, наполненного водой, в котором находится подвижное звено - опрокинутый стакан-колокол. В газгольдерах больших объемов (10000 м3 и более) между резервуаром и колоколом размещаются подвижные звенья - телескопы. Газ подается под колокол и своим давлением поднимает его, а вода, находящаяся в карманах-желобах, расположенных по периметру колокола и телескопа, является гидравлическим затвором, препятствующим выходу газа наружу. Газгольдер с одним колоколом называют однозвенным, если добавляется телескоп, то двухзвенным и т. д. В нашей стране используют типовые газгольдеры объемом до 30000 м3. В мировой практике известны газгольдеры объемом 100000 м3 и более.
Мокрые газгольдеры с вертикальными направляющими получили свое название потому, что движение колокола и телескопов происходит по вертикальным направляющим, расположенным снаружи газгольдера. Верхние края колокола и телескопа упираются через консоли с роликами на внешние направляющие, расположенные по периметру на равных расстояниях.
Нижние края колокола и телескопа упираются на внутренние направляющие, прикрепленные к корпусу колокола и резервуара. Расчетное внутреннее давление регулируется пригрузкой колокола.
Толщина стенки водяного резервуара определяется расчетом на гидравлическое давление воды и избыточное внутреннее давление, а толщина стенки колокола и телескопа - расчетом на внутреннее давление. Исходя из конструктивных соображений минимальная толщина стенок 4 мм, крыши колокола 2,5-3 мм. Крыша колокола изготавливается из листов, сваренных между собой, опирающихся на наклонные стропила из швеллеров. В центре стропила прикрепляют к опорному кольцу. Стропила соединяют друг с другом обрешеткой из уголков, на которые также опираются листы крыши колокола.
Мокрые газгольдеры с винтовыми направляющими. Колокол и телескопы в этих газгольдерах опускают и поднимают не вертикально вверх с упором роликов во внешние и внутренние вертикальные направляющие, а по винтовой линии, аналогично движению винта в гайке.
Винтовые направляющие расположены на внешней поверхности газгольдера под углом 45°. Под давлением газа колокол как бы вывинчивается в направляющих роликах, расположенных сверху нижележащего звена.
В остальном конструкции газгольдера с винтовыми направляющими аналогичны газгольдеру с вертикальными направляющими. В них также есть резервуар, наполненный водой, колокол и промежуточные звенья - телескопы, соединяемые гидравлическими затворами.
Для изготовления винтовых направляющих используют гнутый по винтовой линии рельс узкой колеи или двутавр. Направляющие прикрепляют при помощи сварки катетом шва 4 мм. Надежную работу подвижных звеньев винтовых направляющих обеспечивает их высокая точность изготовления. С точки зрения металлоемкости газгольдеры с винтовыми направляющими более экономичны, чем газгольдеры с вертикальными направляющими: их масса примерно на 10% меньше из-за отсутствия каркаса меньшей массы механических деталей.
Сухие газгольдеры поршневого типа представляют собой вертикальный резервуар, внутри которого находится поршень. Газ под давлением 2-4 кПа подается под поршень и поднимает его до предельного положения. При отборе газа поршень опускается. В полости между поршнем и внутренней поверхностью корпуса устроен скользящий затвор на консистентной смазке, препятствующий проникновению газа в надпоршневое пространство.
Сухие газгольдеры по сравнению с мокрыми имеют некоторые преимущества: так как не требуют водяного резервуара и устройства для подогрева воды в зимнее время, хранимый газ не увлажняется, расход стали на 1 м3 хранимого продукта несколько меньше. Однако есть и недостатки, заключающиеся в высокой трудоемкости изготовления и более высокой стоимости эксплуатации.
Сухие газгольдеры с гибкой секцией, как правило, применяют в химической промышленности. Эти газгольдеры герметичны, хранимый газ не увлажняется и не засоряется маслами, как в газгольдере поршневого типа.
Подвижная часть газгольдера может подниматься при заполнении его газом. Она имеет ролики, по которым во встречных направлениях проходят два каната. Это предохраняет ее от перекоса. Важная конструктивная деталь такого резервуара - гибкая цилиндрическая секция из прорезиненной ткани, прикрепленная одним концом к корпусу, а другим к подвижной части. Эта секция обеспечивает герметичность между корпусом и подвижной частью. Внутреннее давление в резервуаре регулируется пригрузкой подвижной части железобетонными грузами.
Так же как и резервуары повышенного давления, цилиндрические газгольдеры часто выполняют габаритными для провоза по железной дороге. На объекте их устанавливают группами (батареями) в горизонтальном или вертикальном положении. Конструкция шаровых газгольдеров аналогична конструкции шаровых резервуаров соответствующей формы.
Изотермические цилиндрические резервуары. Назначение. Классификация. Принцип действия
Развитие многих отраслей народного хозяйства (энергетики, металлургии, химии, сельского хозяйства и др.) невозможно без использования большого количества кислорода, аргона, водорода, углеводородных газов и аммиака. Интенсивное потребление газов привело к поиску путей снижения удельной стоимости газохранилищ, которые являются наиболее материалоемкой и дорогостоящей составной частью цепи - производство - потребление газа. Один из эффективных путей решения этой задачи - внедрение и развитие низкотемпературного способа хранения газов. Этот способ выгодно отличается от способа хранения газов в резервуарах высокого давления при температуре окружающей среды. Хранение сжиженных нефтяных газов (СНГ), сжиженных природных газов (СПГ) и других продуктов при низких температурах и давлениях привлекает внимание специалистов возможностью значительного сокращения удельных капиталовложений.
Вертикальные цилиндрические изотермические резервуары получили наибольшее распространение среди газохранилищ различных типов. Несмотря на то что при больших объемах хранилищ подземный способ хранения газов имеет значительные экономические преимущества, наземные резервуары для низкотемпературного хранения газов широко применяют в различных областях техники. Дело в том, что подземные газохранилища требуют специальных геологических условий, а наземные резервуары могут быть построены практически в любом месте. Конструкции вертикальных цилиндрических резервуаров для низкотемпературного хранения сжиженных газов имеют ряд принципиальных отличий от широко применяющихся в мировой практике резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов.
Отрицательные эксплуатационные температуры предопределяют выбор специальных хладостойких материалов и выдвигают строгие требования к конструктивным мерам по обеспечению надежности сооружений. Наличие теплоизоляции вызывает необходимость ее защиты от атмосферных воздействий и создает дополнительную нагрузку на несущие конструкции. В связи с возможностью возникновения в период эксплуатации избыточного давления или вакуума как внутри резервуара, так и в межстенном пространстве в конструкции предусматривают: устройство колец жесткости; закрепление нижнего пояса стенки с помощью анкеров к фундаменту; применение специальной конструкции крыши. Требование уменьшения площади поверхности резервуара, направленное на уменьшение хладопотерь в окружающее пространство, диктует пропорции основных размеров резервуаров, при которых высота и диаметр примерно равны.
Изотермические резервуары классифицируются по различным признакам:
по конструктивному исполнению стенок резервуара: одностенные; двухстенные;
по конструктивному исполнению внутренней крыши: с самонесущей внутренней крышей; с подвесной внутренней крышей;
по типу изоляции: экранная; пористая; засыпная;
по применяемым материалам: металлические.
Кроме указанных признаков, цилиндрические изотермические резервуары подразделяют по положению относительно уровня земли на наземные и заглубленные.
Фундаменты вертикальных цилиндрических изотермических резервуаров, выполненные в виде железобетонной плиты, применяют двух вариантов, предусматривающих мероприятия по исключению промерзания грунта под основанием.
В первом варианте фундамент на сваях предусматривает устройство проветриваемого пространства между фундаментной плитой и основанием. Иногда вместо свайного фундамента применяют конструкцию, состоящую из верхней и нижней железобетонных плит, которые соединены между собой колоннами.
Во втором варианте фундамент состоит из железобетонной плиты, лежащей непосредственно на основании, и системы приспособлений для постоянного обогрева основания.
Изотермические цилиндрические резервуары. Основные принципы конструирования
Наружный резервуар предохраняет теплоизоляцию от повреждения и проникания влаги. При сооружении наружного резервуара руководствуются теми же правилами, что и при сооружении обычных нефтяных резервуаров. В большинстве случаев металлический наружный корпус не рассчитывают на гидростатическое давление продукта, так как для случая аварийного разлива продукта предусматривается защитная железобетонная стенка, способная удержать и предотвратить его распространенно на большой площади.
Наружный резервуар рассчитывают на обычные атмосферные нагрузки (снег, ветер), избыточное давление, вакуум, вес и боковое давление теплоизоляции, собственный вес конструкций. В связи с отсутствием гидростатической нагрузки толщину наружной стенки резервуара обычно принимают постоянной по высоте из расчета на устойчивость.
Для повышения устойчивости и обеспечения хорошей геометрической формы на наружной стенке предусматривают кольца жесткости. Правильная геометрическая форма наружной стенки является одним из условий применения метода пневмоподъема крыши в проектное положение.
Наружная крыша представляет собой самонесущий ребристо-кольцевой купол. Минимальная толщина элементов конструкций крыши 5 мм.
Наружная крыша воспринимает следующие нагрузки: собственный вес; вес подвесной крыши с подвесками и теплоизоляцией; атмосферные нагрузки (снег, ветер); избыточное давление (обычно до 10 кПа); вакуум (до 1 кПа); массу оборудования (трубопроводы, площадки, клапаны и др.).
Наружный корпус изготовляют из обычной низкоуглеродистой стали. Внутренний резервуар является наиболее ответственной частью всего сооружения.
Такой фактор, как отрицательная эксплуатационная температура, который в сочетании с неизбежными допустимыми конструктивно-технологическими несовершенствами может привести к хрупкому разрушению, диктует выбор материалов и конструктивно-технологических требований, направленных на повышение хладостойкости конструкций внутреннего резервуара.
Материал внутреннего корпуса выбирают с учетом условий эксплуатации при расчетных температурах хранения сжиженного газа. Обычно применяют три вида материала: никелевую сталь, алюминиевые сплавы, нержавеющие стали.
Внутренний корпус резервуара рассчитывается как на гидростатическую нагрузку, так и на давление сыпучего изоляционного материала (обычно перлита) в сочетании с вакуумом внутри резервуара. Для обеспечения устойчивости стенки предусматривают кольцевые ребра жесткости.
Стенку и днище внутреннего резервуара собирают из крупногабаритных листов. В конструкции днища применяют либо односторонние нахлесточные соединения, либо стыковые на подкладках. Окрайки шириной 600-900 мм сваривают встык.
Мероприятия по обеспечению безопасной эксплуатации изотермических резервуаров зависят от вида хранимого продукта. Например, в случае хранения аммиака опасна его токсичность. Метан, пропан, бутан и природный газ пожароопасны.
При проектировании низкотемпературных резервуаров учитываются такие факторы, как возможность переполнения резервуара при эксплуатации, превышения избыточного давления, пожар вблизи резервуара и т. д.
Существуют два типа опасностей для окружающей резервуар зоны: распространение взрывной смеси паров хранимого продукта и воздуха; теплоизлучение в случае пожара и его возможные последствия.
Для обеспечения безопасности зоны, окружающей резервуар, при проектировании руководствуются следующими принципами:
а) аварийную ситуацию локализуют в минимальном объеме; резервуар рассчитывают таким образом, чтобы наружная или оградительная стенка выдержала воздействие вылившегося продукта в случае аварии внутреннего резервуара;
б) внутренний резервуар должен быть защищен наружной емкостью или оградительной стенкой от внешних воздействий.
Таким образом, чаще употребляют два типа изотермических резервуаров для сжиженных газов:
одно- либо двухстенные и с наружным резервуаром, являющимся кожухом для теплоизоляции, при наличии оградительной стенки из железобетона;
с наружным резервуаром, рассчитанным на гидростатическое давление продукта и другие особые воздействия.
Изотермические резервуары второго типа обычно проектируются с применением преднапряженного железобетона.
Двухстенные металлические резервуары выполняют в двух вариантах: с самонесущей внутренней крышей и подвесной плоской крышей. Последний вариант получил широкое распространение, его применение ограничено лишь в районах повышенной сейсмичности.
Схема металлического изотермического резервуара двухстенной конструкции с подвесной внутренней крышей. Принципиальное отличие указанной конструкции от резервуара с самонесущей внутренней крышей заключается в том, что пары продукта свободно проникают в межстенное пространство через специальные отверстия в подвесной крыше. Таким образом, избыточное давление газа воспринимает наружный резервуар, выполненный из более дешевой стали по сравнению с внутренней емкостью. Подвесная крыша несет теплоизоляцию и состоит из плоской листовой мембраны толщиной 5 мм, усиленной концентрическими кольцами, к которым крепятся подвески.
В конструкции с самонесущей внутренней крышей избыточное давление газа воспринимается внутренним резервуаром. В межстенное пространство подается газ с малой химической активностью, например азот, который осушает теплоизоляцию в процессе эксплуатации. Такое решение требует устройства специального газгольдера для хранения азота. При подвесной крыше теплоизоляцию осушают пары продукта, проникающие в межстенное пространство.
Листовые конструкции доменных цехов
Комплекс инженерных сооружений, предназначенных для выплавки чугуна из железной руды, называют доменным цехом.
Основной технологической храктеристикой доменного цеха, определяющей его производительность, является объем доменной печи. Современные доменные печи достигают объема более 5000 м3. На сооружение доменной печи расходуется до 5000 т металлоконструкций, 40-45 % из которых составляют листовые конструкции типа оболочек. К листовым конструкциям относятся кожухи доменных печей, воздухонагревателей, пылеуловителей, новые решения лифтов и транспортерных галерей, скрубберы, электрофильтры и газовоздухопроводы.
Доменная печь представляет собой металлическую шахту, облицованную изнутри огнеупорной футеровкой. Профиль шахты имеет специфическое очертание, обусловленное технологическим процессом. Основание доменной печи - лещадь - цилиндрическая часть кожуха с днищем. Сужающуюся над лещадью часть кожуха называют горном, а вновь расширяющую часть до мораторного кольца - заплечиками.
Выше мораторного кольца находится основная часть печи - шахта. Назначение мораторного кольца поддержать футеровку шахты, нагрузка от которой через колонны горна передается на фундамент.
В процессе работы печи футеровка ее расширяется, поэтому между кожухом печи и футеровкой предусматривается небольшой зазор, заполненный упругой набойкой. Кожух печи воспринимает большое внутреннее давление, поэтому толщина кожуха в нижней части достигает 40-45 мм, постепенно уменьшаясь по высоте до 22-30 мм в верхней части шахты. Все листы кожуха свариваются встык, поэтому с учетом толщины применяется разделка кромок под сварку.
Выше кожуха доменной печи установлены надколошниковые конструкции: копер для обслуживания засыпного устройства, консольные монтажные балки, газопроводы. На надколошниковые конструкции опирается наклонный мост.
Воздухонагреватели представляют собой вертикальные цилиндрические сосуды диаметром 8-10 м со сферическим куполом и плоским днищем. Общая высота воздухонагревателя достигает 40-50 м. Форсированные режимы эксплуатации, а также необходимость изменения конструкции футеровки, в частности, отделения камер горения и насадки, привели к созданию в последних проектах воздухонагревателей с выносной камерой горения. Внутри воздухонагревателя уложен кирпич на ребро в клетку для создания воздушных проходов, около стенок футеровка сплошная.
Футеровку воздухонагревателя не доводят до верха стального купола примерно на 500 мм с целью предупреждения растяжения кожуха воздухонагревателя при вертикальном расширении кирпичной кладки. С этой же целью между цилиндрической частью кожуха и футеровкой оставляют зазор, заполняемый упругой набойкой.
Воздухонагреватель в процессе экслуатации работает как сосуд под давлением, поэтому при заполнении воздухом его плоское днище стремится выгнуться и приподнять воздухонагреватель. Для предупреждения этого явления кожух крепится к фундаменту стальными листовыми анкерами, приваренными по периметру к нижней царге. Современные воздухонагреватели имеют толщину 20-32 мм, поэтому собираются из отдельных листов, укрупняемых на монтажной площадке в монтажные блоки-царги.
Пылеуловители представляют собой цилиндрические сооружения диаметром 8-12 м и высотой 12-14 м с конусообразным куполом и днищем, установленным на стальных или железобетонных колоннах. Между колоннами проходят железнодорожные пути, по которым в специальных вагонах вывозится пыль. Внутренняя поверхность пылеуловителя футеруется шамотным кирпичом или жаропрочным бетоном, защищающим металл от абразивного износа пылью. Футеровка крепится на каркасе из кольцевых и меридиональных ребер, которые обеспечивают устойчивость оболочки, в том числе и при создании вакуума (в случае попадания пара или оседания шихты в доменной печи). В конусном днище имеется выпускное отверстие для пыли. Толщину стенки кожуха пылеуловителя 12-16 мм рассчитывают на избыточное давление газа.
В местах перехода цилиндрического корпуса пылеуловителя в купол и днище стенки утолщаются в связи с возникновением местных напряжений. Переход решается в виде усеченного конуса, или в форме тора, или части сферы. Последнее решение позволяет уменьшить толщину металла на 20-30 % и упрощает изготовление конструкций.
Между колоннами пылеуловителя устанавливаются связи, которые со стороны железнодорожных путей располагают выше уровня рабочей площадки для пропуска вагонов.