Курсовая работа по технологии сварки на тему Вертикальный цилиндрический резервуар для хранения нефтепродуктов объёмом 200000 метров кубических

Расчет оболочки начинается с выбора габаритов. Объем задан — 200000 кубометров. Это цилиндр, потому что сферические и каплевидные резервуары для нефти не применяют из-за сложности изготовления. Цилиндр — оптимально: просто в производстве, стенка катается из листов на вальцах, монтаж методом полистовой сборки или рулонирования. Итак, надо подобрать диаметр и высоту. Произведение площади круга на высоту дает объем. Вариантов много: можно сделать высоким и узким (D=80 м, H=40 м) или низким и широким (D=140 м, H=13 м). Что лучше? С точки зрения устойчивости стенки — низкий и широкий хуже, потому что изгибные напряжения при ветре растут с квадратом диаметра. С точки зрения расхода металла — низкий широкий лучше, потому что давление на днище меньше (высота столба меньше), и стенка внизу тоньше. Но есть ограничение: минимальная толщина листа по условиям вальцовки — 6 мм, а максимальная (прокат) — 40 мм. Если мы сделаем высоту 13 метров, то давление у днища будет 850*9,81*13 = 108 кПа, и толщина нижнего пояса получится около 22 мм — комфортно. Но тогда диаметр будет 140 метров. Это очень много: транспортировка колец такого диаметра невозможна (железная дорога не пропустит), пришлось бы везти листами и сваривать на месте все вертикальные швы, что плохо для качества. Если сделать высоту 25 метров, то диаметр — 100 метров, давление — 208 кПа, толщина нижнего пояса — 42 мм, а проката такой толщины для резервуаров почти нет (максимум 36–40 мм), и сваривать 42 мм трудно — нужен подогрев, много проходов, высок риск холодных трещин. Принимаем компромисс: высота 18 метров. Диаметр получается 119 метров. Это позволяет: использовать рулонирование (рулоны шириной 2,5–3 м вписываются в габариты ж/д), толщина нижнего пояса 32 мм (есть в сортаменте), давление 150 кПа — умеренное. Отношение H/D = 0,15 — резервуар широкий, но это типично для больших объемов.
Теперь материал. Нижние пояса работают в условиях высоких растягивающих напряжений от нефти. Кроме того, они контактируют с водой и отложениями, которые могут быть коррозионно-агрессивными. Нужна сталь с хорошей свариваемостью, ударной вязкостью не ниже 34 Дж/см² при минус 40°C (климат умеренный, но морозы бывают) и пределом текучести не менее 300 МПа. Подходит 09Г2С — легированная марганцем и кремнием. Ее предел текучести 345 МПа, расчетное сопротивление после деления на коэффициент надежности 1,15 получается 300 МПа. Это стандартное значение для ответственных резервуаров. Верхние пояса нагружены слабо: давление там в 20 раз меньше, чем внизу. Использовать 09Г2С для них экономически неоправданно — эта сталь дороже обычной углеродистой на 25–30%. Поэтому для поясов 6–10 берем Ст3сп — обычную строительную сталь с пределом текучести 245 МПа и расчетным сопротивлением 213 МПа. Этого хватает. Переход от одной стали к другой делается на поясе 6: ниже — 09Г2С, выше — Ст3сп. Это допустимо, если в зоне стыка напряжения не превышают 213 МПа. Проверка показывает, что на 6 поясе кольцевые напряжения около 180 МПа — все нормально.
Почему нельзя сделать стенку из одной стали 09Г2С по всей высоте? Это добавило бы к стоимости металла примерно 15% (потому что верхние пояса составляют половину массы стенки). Для резервуара массой около 1000 тонн разница — 150 тонн стали, умноженные на разницу в цене 15–20 тысяч рублей за тонну — экономия 2–3 миллиона рублей. Студенческий проект не требует такой оптимизации, но на практике завод-изготовитель обязательно разделяет марки сталей.
Гидростатическое давление считаем классикой: p = ρ*g*h. Плотность нефти 850 кг/м³ — это среднее между бензином (720) и мазутом (990). Если заказчик хранит только бензин, плотность можно снизить до 750, тогда стенка станет тоньше. Но в курсовой работе берут худший случай — тяжелая нефть. Ускорение 9,81 — стандарт. На уровне днища (h=18 м) p = 850*9,81*18 = 150 147 Па, или 0,15 МПа. Это давление создает в стенке кольцевые усилия N = p*D/2 = 0,15*119/2 = 8,925 МН на метр высоты. Делим на расчетное сопротивление 300 МПа — получаем толщину 0,02975 м, то есть 29,75 мм. Плюс коррозионная прибавка 2 мм — 31,75 мм. Округляем до 32 мм. Вот откуда берется первая цифра.
Кольцевые напряжения — главные, но есть еще меридиональные (вертикальные). Они возникают от веса самой стенки, веса крыши и снега. Вес стенки при средней толщине 22 мм (прикидка) и высоте 18 метров: π*119*18*0,022*7850*9,81 = около 11 400 кН. Вес крыши (сферической, толщиной 10 мм) — примерно 3900 кН. Снег — 37 400 кН (это много, почти половина веса нефти!). Итого вертикальная нагрузка на нижний пояс — 52 700 кН. Напряжение от нее: σ = N / (π*D*t) = 52 700 / (3,14*119*0,032) = 4,4 МПа. Это на фоне 280 МПа кольцевых — копейки. Поэтому в расчетах прочности меридиональные напряжения обычно игнорируют. Но для устойчивости они важны — именно они сжимают стенку и могут вызвать выпучивание.
Обратим внимание на краевой эффект в месте сопряжения стенки с днищем. Днище — это жесткий диск, который не дает стенке свободно расширяться под давлением. Возникает местный изгиб. Зона влияния — примерно на высоту √(R*t) = √(59,5*0,032) = 1,38 метра от днища. В этой зоне к кольцевым напряжениям добавляются изгибные. По нормам, суммарные напряжения не должны превышать 1,2 от расчетного сопротивления. Проверка показывает: с учетом изгиба эквивалентные напряжения достигают 310 МПа, что на 3% выше допускаемых 300 МПа. Это допустимо для зоны длиной 1,5 метра, так как нормативы разрешают локальное превышение до 5% при условии, что оно затухает. Тем не менее, некоторые проектировщики увеличивают первый пояс до 34 мм, но мы оставим 32 мм — запас небольшой, но приемлемый.