Создание конструкции шарового резервуара определенной емкости для хранения сжиженных газов и легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общая часть

1.1 Общее назначение шаровых резервуаров

1.2 Оболочковые конструкции для данных резервуаров

1.3 Характеристика материалов, применяемых для производства шаровых резервуаров

2. Расчетная часть

2.1 Назначение размеров резервуара

2.2 Расчет толщины стенки резервуара

2.3 Расчет стоек резервуара и сварных соединений

2.4 Расчет резервуара на опрокидывание

3. Технологическая часть

3.1 Заготовки для шаровых резервуаров

3.2 Сборка шаровых резервуаров

3.3 Особенности сварных швов и их расчет на прочность

3.4 Сварочное оборудование и его характеристики

4. Конструкторская часть

4.1 Создание шаблонов для шарового резервуара

4.2 Обоснование и выбор материалов

4.3 Монтажные работы

4.3.1 Подготовительные работы

4.3.2 Монтаж резервуаров

5. Контроль качества

6. Техника безопасности и охрана труда

6.1 Мероприятия по охране труда

6.2 Мероприятия по охране окружающей среды

6.3 Вредные производственные факторы на рабочем месте

6.3.1 Лазерное излучение

6.3.2. Биологическое действие инфракрасного излучения

6.3.3. Влияние ионизирующего излучения

6.4. Противопожарные мероприятия

6.5. Охрана окружающей среды

Заключение

Список использованных источников

Введение

Российская Федерация находится на первом месте по промыслу и переработке нефти. С годами ее внутренние потребности, а также внешний спрос на нефть и нефтепродукты растет. В виду этого возникла необходимость в большем количестве резервуаров для сохранности нефти, нефтепродуктов. Есть несколько способ решения данной проблемы: первый - разработка и монтаж новых ёмкостей; второй - модернизация уже существующих резервуаров с целью увеличения их объема.

Существуют различные формы резервуаров, наиболее популярны - это резервуары цилиндрической формы различной ёмкости. На первом месте по экономичности и безопасности - сферические (шаровые) резервуары. В них нет точек концентрации напряжений и материала на изготовление идет меньше, но данные резервуары более сложные при монтаже.

Проектирование резервуаров для нефтегазовой промышленности является ответственным этапом, так как ошибки на стадии проектирования могут послужить разрушением резервуара во время эксплуатации, что может повлечь за собой жертвы, а также огромные материальные затраты.

Целью выпускной квалификационной работы на тему «Создание конструкции шарового резервуара определенной емкости для хранения сжиженных газов и ЛВЖ» является разработка шарового резервуара. Для реализации этой цели нужно решить следующие задачи:

- рассмотреть общее назначение шаровых резервуаров;

- провести необходимые расчеты;

- привести экономическое обоснование целесообразности данного проекта;

- по выполненной работе необходимо сделать конкретные выводы.

Объект исследования - хранение нефтегазовой продукции, предмет исследования - разработка проекта шарового резервуара для хранения сжиженных газов, а также ЛВЖ.

Базой для написания работы являются пособия по нефтегазовой промышленности, хранению нефтяных продуктов, проектированию нефтяных резервуаров, справочные издания, действующие СНиПы, ГОСТы и так далее.

Структура дипломной работы определена ее задачами и целями, состоит из введения, шести глав с разделами, заключения, списка использованных источников, приложений.

1. Общая часть

1.1 Назначение сферических резервуаров

Данные резервуары диаметром 5 - 20 м и с объёмом соответственно 300 - 4000 м³, рассчитаны на давление 2,5 - 18 атм. (применение данных емкостей при 2 атм. и менее является нерациональным).

Они также применяются в процессе производства игристых вин. Вино находится в резервуарах объемами 50 - 600 м³ при давлении до 6 атм. и температуре 60-650єС.

Устройство шаровых резервуаров одинаково: оболочка в форме сферы монтируется на вертикальные трубчатые колонны, которые приваренные к корпусу. На фундамент через колонны происходит передача нагрузки.

Соединение колон растяжками между собой увеличивает жесткость конструкции. Также резервуар комплектуется наружными площадками обслуживания, лестницей для подъема (шахтной или кольцевой). В резервуарах больших объемов предусмотрено дополнительно наличие внутренних стационарных смотровых лестниц.

К оборудованию для ремонта и обслуживания резервуара и относятся:

- запорные органы;

- указатели уровня;

- люки для осмотра, вентиляции и ремонтных работ;

- манометры, которые служат для определения уровня давления внутри резервуара;

- предохранительные клапаны;

- термометры, что служат для контроля температуры;

- сигнализаторы, фиксирующие предельный верхний уровень жидкой фазы;

- устройства для продувки и вентиляции инертным газом или паром.

- устройства для удаления из резервуара тяжёлых остатков и промывочной воды;

Приемо-раздаточный трубопровод снабжается скоростным клапаном, который позволяет при аварии трубопровода отключить его обратный клапан, который устанавливается на трубопроводе поступления жидкого или газообразного продукта в резервуар, происходит автоматическое закрытие под действием внутреннего давления и это препятствует попаданию продукта назад внутрь трубопровода.

От значительного перегрева сферические резервуары специально покрывают белой краской, при этом также используют охлаждение водой и различные другие способы.

Для производства сферических оболочек данных резервуаров необходимо применять стали, что обладают хорошей свариваемостью, а также пластичностью. Эти элементы конструкции резервуаров образуются свариванием отдельных лепестков. Толщина таких лепестков может быть около 30 мм.

Процесс монтажа шаровых резервуаров сложный и трудоемкий, потому что безопасность эксплуатации достигается именно минимальными отклонениями от формы сферы. Так как большинство резервуаров имеют значительные размеры, сборка их непосредственно на заводе невозможна, поэтому они возводятся сразу на бетонных фундаментах.

Двустенные шаровые резервуары приобрели особую популярность в последнее время - особенно для сохранности сжиженного газа при очень низкой температуре (она может составлять около -2730єС для гелия или водорода) и обычном давлении. Емкостью для продукта является внутренняя оболочка, а внешняя, в свою очередь, поддерживает необходимое избыточное давление между оболочками и обеспечивает защиту изоляции.

Сферический (шаровой) резервуар обладает меньшей поверхностью по сравнению с цилиндрическим резервуаром такого же объема, благодаря чему при одном объеме бутана, а также его смеси, инертных газов, кислорода и воздуха есть возможность сократить затраты материала, чем в свою очередь сократим расходы на оборудование хранилища.

Именно благодаря сферической форме, а не цилиндрической, сферические резервуары имеют меньшую площадь поверхности, поэтому при одинаковом уровне внутреннего давления на единицу массы продукта, который хранится в нем, необходимо намного меньше металла. Элементы оболочек резервуаров выполняются на заводах из стали, методом горячей или холодной штамповки, гидравлического раздува, холодным вальцеванием, взрывом и другими способами.

Производить оболочки таких резервуаров можно, путем полистовой сборки из отдельных скорлуп или лепестков (блоки укрупненные), из двух полушарий, а затем при помощи манипулятора осуществлять автоматическую сварку оболочки.

Монтаж из укрупненных блоков на данный момент является самым популярным, при этом необходимо учитывать размеры таких лепестков и допустимые условия транспортировки этих элементов.

Толщина оболочки может изменятся от 12 до 34 мм. Это зависит от давления и размеров самой оболочки. Разные варианты дают разные модификации.

В состав сферического резервуара может входить как одна, так и две оболочки.

Такие изделия оборудованы:

- предохранительными клапанами;

- манометрами;

- указатели уровня и сигнализаторы достижения верхнего предельного уровня жидкой фазы;

- термометры, контролирующие температуру жидкой фазы;

- запорные органы;

- люки для осуществления осмотра, ремонта и вентиляции;

- устройства вентиляции и продувки паром или инертным газом;

- устройства, предназначенные для удаления из продукта тяжелых остатков и промывочных стоков воды.

Оптимальный модельный ряд данных резервуаров включает такие модификации: диаметром 5; 10,5; 12; 16; 20 метров, номинальным объемом - 300, 600, 9000, 2000, 4000 м3, при этом давление, на которое рассчитан продукт составляет 0,25; 0,6; 1; 1,8 МПа.

Монтаж шаровых резервуаров происходи над землей группами.

Объём резервуара не должен превышать 1000 м³ при объёме хранимого продукта до 2000 м³, в случаи если продукта более 2000 м³ до 8000 м³, то резервуар не должен превышать 2000м³.

1.2 Оболочковые конструкции для данных резервуаров

Выделяют две группы оболочковых конструкций.

Первая группа -- это резервуары и другие изделия, которые используются для сохранения неядовитых, невзрывоопасных газов, жидкостей температурой 100єС и при давлении 0,005 МПа, такие узлы производят по общепринятым правилам проектирования, а также требованиям по эксплуатации сооружений промышленности.

Вторая группа включает в себя котлы, которые работают под высоким давлением и при эксплуатации требуют особого надзора. Мы будем рассматривать группу оболочковых конструкций, а именно конструкции непеременного объёма сферической формы.

Такие конструкции собирают из отдельных листовых заготовок, а потом соединяют свариванием с использованием герметичных швов.

Оболочковые конструкции исходя из оформления элементов конструкции, габаритов, характерных особенностей производства, а также эксплуатации делятся на сосуды, что работают под давлением, трубопроводы, трубы, малогабаритные сооружения и емкости. Такие элементы могут иметь большие размеры, которые превышают габариты транспортного железнодорожного состава. Поэтому их необходимо производить на заводе частями и отправлять на место установки отдельными секциями.

В конструктивном представлении - это оболочка сферической формы, которая состоит из определенного количества стальных лепестков двоякой кривизны, днища и купола. Количество лепестков рассчитывается исходя из объема резервуара.

Монтаж сферических резервуаров происходить только наземно.

Рис. 1.1. Устройство шарового резервуара: 1 - сферическая оболочка; 2 - купол; 3 - лепестки оболочки; 4 - днище оболочки; 5 - стойки опоры; 6 - связи между опорами; 7 - площадка обслуживания (горизонтальная или наклонная); 8 - шахтная лестница; 9 - внутренняя смотровая лестница; 10 - столбчатые фундаменты шахтной лестницы; 11 - кольцевой железобетонный фундамент

Сферические резервуары располагают на металлических стойках (опорах). Для их установки производят проектирование железобетонного фундамента, в который с помощью анкеров крепят металлические стойки (из трубы, двутавра). Существует связь между количеством лепестков и опор: количество лепестков обязательно должно быть кратно количеству стоек-опор.

Для технологического ремонта и обслуживания резервуаров устанавливаются шахтная лестница, а также горизонтальная площадка. Смотровая лестница необходима для обеспечения доступа внутрь резервуара.

Обычно диаметр шарового резервуара составляет не более 18 м.

Толщина конструкционного лепестка при изготовлении резервуаров определяется исходя из значений температуры эксплуатации и габаритов резервуара, и может колебаться от 10 до 36 мм.

Сферические резервуары могут использоваться как самостоятельно, так и в составе группы, каждый элемент которой связан специальным переходом.

Сферические резервуары изготавливаются и одностенными, и двустенными, если есть потребность производить хранение сжиженного газа при низкой температуре.

Именно двустенная конструкция сферического резервуара представляет собой более пожаро- и взрывобезопасный объект.

Внешний резервуар, как правило, имеет диаметр в два раза больше диаметра внутреннего резервуара.

Разработка и производство шаровых резервуаров для хранения СУГ выполняется по государственными нормам и стандартами:

- СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия. СНиП 2.01.07-85»;

- СП 43.13330.2012 «Сооружения промышленных предприятий. СНиП 2.09.03-85».

Дренажное устройство

Дренажная система - это один из главных элементов резервуара. Данный элемент необходим для отвода дождевых вод в канализацию со всей поверхности резервуара. Поэтому для организации стока воды с купола ей придается определенный уклон к центру, где монтируется водоприемник. Дренажное устройство имеет жесткую конструкцию - состоит из металлических труб, которые соединены устройствами шарнирного типа. Дренажное устройство крепится к водоприемнику и к патрубку, который приваривается к нижнему элементу первого пояса стенки резервуара.

На патрубке с наружной стороны монтируется специальная задвижка, которая предназначена для удержания продукта в случае повреждения элементов дренажной системы.

Необходимо обеспечить закрытие задвижки на момент эксплуатации резервуара. Открытие задвижки происходит только при появлении осадок.

Направляющая противоповоротная стойка-опора.

Чтобы зафиксировать центрального положения купола используют специальные направляющие противоповоротные устройства.

Они являются конструкциями жесткого типа - состоят из металлической трубы, монтируются как вертикальные стойки. Такая опора необходима и для монтажа пробоотборников, и устройств необходимых для измерения количества нефтепродукта. Также, эти стойки воспринимают поперечные усилия, которые возникают под влиянием катучей лестницы.

Вертикальная ось стойки-опоры совпадает с осью катучей лестницы для того, чтобы обеспечить этих условий и для удобства обслуживания. В местах прохода опоры сквозь понтонные короба предусматривают направляющие ролики, которые служат для ограничения перемещения купола и резиновые уплотнения, сто служат для герметизации просвета между опорой и патрубком купола.

Противоповоротная стойка на высоте 300-500 мм от дна резервуара на уровне уголка закрепляется к стенке резервуара с помощью специальных кронштейнов.

Кольцо жесткости

У резервуаров есть верхнее кольцо жесткости, которое монтируется на верхнем поясе стенки. Оно необходимо для обеспечения нужной жесткость стенки резервуара при действии ветровой и сейсмической нагрузок. Настил этого кольца выполняется из листов (8 х 2260 х 8000 мм, сталь 09Г2С согласно ГОСТ 19281).

Лестницы и площадки

Лестницы, которые необходимы для подъема на верх резервуара изготовляют кольцевыми, которые опираются на стенку резервуара.

Ограждение монтируется по периметру всего купола, а также и по наружной стороне площадок.

Катучая лестница

Такая лестница необходима для обеспечения удобного обслуживания резервуаров. При этом необходимо запроектировать установку ограждения по всей лестнице с обеих сторон. Данное ограждение необходимо для безопасной эксплуатации резервуара. Лестница крепится шарнирно с переходной площадкой, которая устанавливается на верхнем крае корпуса резервуара.

Другим концом (за счет колес) опирается на направляющие рельсы, которые установленные на куполе. Ступеньки лестницы даже при изменения угла наклона, остаются в горизонтальном положении потому что выполнены в виде поворотных площадок.

Заземление купола необходимо для обеспечения отвода статистического электричества с купола на корпус резервуара. Купол заземляется на корпус резервуара с помощью дренажной системы или катучей лестницы.

Опорные стойки

Купол опирается на выдвижные стойки, которые позволяют выполнить осмотр и чистку резервуара. Стойки выполняют из труб, которые располагают под куполом по окружности равномерно. У каждой опоры есть 2 фиксированных положения по высоте. В своем первом рабочем состоянии стойки фиксируют положение купола. При выполнении работ под куполом эти стойки занимают второе положение, которое обеспечивает положение низа купола на высоте около двух метров от дна резервуара. В стойках есть отверстия, которые необходимы для стока жидкости при опустошении резервуара. Для обеспечения защиты дна от разрушения стойками на него приваривают специальные металлические опорные пластины.

Оборудование купола

Купол оборудуют специальными люками-лазами, которые обеспечивают нужную вентиляцию в пустом резервуаре, они имеют диаметр - 610 мм. С помощью крышек с накладками производится закрытие люков в нерабочем состоянии. Также купол оснащается дыхательными клапанами, габариты которых определяются исходя от скоростей заполнения или опорожнения емкости.

Также предусмотрены автоматические устройства, которые необходимы для определения уровня хранящихся продуктов в резервуаре.

Например, автоматическое замерное устройство, производящееся фирмой "Гортан", состоит из ленты, выполненной из нержавеющей стали, соединенной одним концом с куполом, а другим с натяжным барабаном с помощью системы небольших блоков. На ленте есть деления, которые используются для удобства измерений количества веществ в резервуаре.

1.3 Основные характеристики материалов, которые применяются при производстве сферических резервуаров

Шаровой резервуар - это оболочка, которая состоит из лепестков, купола и днища. Компоновка данных элементов зависит главным образом от метода раскроя металла и способа производства металлоконструкций.

Различают такие расположения лепестков (см., рисунок 1.2).

Шаровые резервуары монтируются на опоры, количество которых зависит от объема резервуара, а также условий эксплуатации. Как правило, систему стоек-опор производят из труб, двутавров, которые на месте соединяются специальными связями - это служит для придания всей конструкции дополнительной пространственной жесткости.



Рис. 1.2 - Формы расположения лепестков

Для изготовления шаровых резервуаров используют легированную сталь толщиной 16 - 36 мм (максимум 40 мм - по индивидуальному заказу). Такой диапазон толщин стали обусловлен отсутствием термической обработки после сварки каждого конструктивного элемента. Легированная сталь тоже выбрана не случайно. Именно она является обладателем лучших характеристик по сравнению со среднеуглеродистыми сталями, а именно: может эксплуатироваться при высоких температурах (до +500єС), меньше поддается старению, обладает повышенной прочностью.

При подборе толщины стенки резервуара необходимо учитывать характеристики стали (пределы текучести, прочности), вес хранимой жидкости, давление внутри резервуара, напряжения в стенке резервуара и другие параметры. Чтобы обеспечить наиболее точную сборку и крепление всех элементов, необходимо производить точный расчет кривизны и радиуса каждого лепестка.

Когда известна толщина составляющих элементов, то производят выбор способа их изготовления.

Если толщина до 22 мм, то лепестки изготавливаются на многовалковом стенде, используя метод холодного вальцевания - гибка металла необходимой формы. А при толщине стали более 22 мм используется способ горячей штамповки.

2. Расчетная часть

2.1 Определение размеров резервуара

Геометрические параметры резервуара:

(1)

где R - радиус резервуара, (м);

V - объём резервуара, (м³).

(2)

2.2 Определение толщины стенки резервуара

Для изготовления шарового резервуара используют сталь 15ХСНД, ее основные характеристики:

- предел прочности s_в=520мПа,

- предел текучести s_т=350 мПа.

Допустимое напряжение определяем по формуле:

[s]_р= s_т/n (3)

где n - коэффициент запаса, который равен 1,5

[s]_р=350/1,5=233,3 мПа

Определяем толщину стенки резервуара:

S₀ = PR₀/2s (4)

где P - давление жидкости в резервуаре (1,98 мПа);

R₀ - радиус сферы (6м);

S - напряжение в стенке резервуара, (мПа)

Из условия s?[s]_р принимаем, что s= [s]_р=233,3 мПа

Подставив исходные данные P, R₀, s в формулу получим:

S₀ = 1,98*6*10³/233,3 = 23,5 (мм)

Окончательно принимаем толщину стенки S₀=24мм

2.3 Определения сечения стоек резервуара и расчет сварных соединений

Общая нагрузка на стойки составляет:

(5)

где - вес жидкости;

- вес кровли.

(6)

где - толщина металла, (м).

(7)

Рн - вес нижней части резервуара, (Н);

Рв - вес верхней части резервуара, (Н).

(8)

S - площадь шара, (м²);

С - плотность стали Ст3сп.

(9)

Производим подбор сечения стойки. Для этого предварительно определяем момент инерции:

(10)

где d и D - внутренний и наружный диаметры стойки соответственно.

(11)

Меньший радиус инерции:

(12)

где F- площадь поперечного сечения, (см²).

(13)

Гибкость стойки:

(14)

где - высота стойки, (см).

По таблице 10.1 [2, стр. 308] в зависимости от гибкости определяем коэффициент продольного изгиба, который равен

Определяем напряжение в стойке:

(15)

где n=12 - количество стоек

Вывод, сечение подобрано верно.

Расчёт сварных соединений

Подбор катетов швов определяем исходя из допускаемых касательных напряжений.

Катет шва между сферой и стойкой:

(16)

где

(17)

- коэффициент для определения расчётной толщины углового шва.

Условие соблюдается, поэтому окончательно принимаем катет К=9 мм.

Катет шва:

(18)

где F - сила, действующая на данную площадь, (Н).

2.4 Расчет резервуара на опрокидывание

Условие устойчивости

Определяем опрокидывающий момент:

где =35кг/м2 - ветровой напор,

=1.6 - аэродинамический коэффициент.

(26)

S - площадь стенки резервуара на которую действует ветровой поток;

h - высота от верхней точки резервуара до земли.

Удельный момент:

(27)

(28)

Условие соблюдается.

Вывод, резервуар не опрокинется под напором ветра.

3. Технологическая часть

3.1 Заготовки для шаровых резервуаров

При раскроях и толщине стали менее 30мм сферическую поверхность заготовкам придают методом горячей штамповки.

Для толщин до 22мм лепестки изготавливают способом холодной вальцовки, используя при этом многовалковый стенд. Все такие заготовки перед процессом вальцовки собирают из листов и соединяют автоматической сваркой под слоем флюса. Чтобы получить необходимую форму используют газовую резку и специальный шаблон-копир.

Так как размеры составляющих элементов намного больше габаритов железнодорожного состава, то их после проверочной сборки разрезают на 2 неравные части и улаживают в контейнеры выпуклостью вниз и так транспортирую до места окончательной сборки.

Элементы, изготовленные на заводе, на месте установки монтируются в блоки. Сварка этих блоков выполняется в нижнем положении под слоем флюса.

3.2 Сборка шаровых резервуаров

Шаровые резервуары собирают по трем основным схемам.

При первой схеме производят крепление полюсного элемента на центральной стойке-опоре стенда. Блоки, которые образованные из двух лепестков, устанавливают по упорам. При сборке используют сборочные шайбы, которые приваривают к лепесткам в процессе контрольной сборки на заводе, а также за счет типовых клиновых сборочных устройств. После окончания сборки делают прихват непрерывными сварочными швами, которые являются основой для сварки под слоем флюса, а также служат для уплотнения стыка.

Согласно второй схеме, сборка происходит при горизонтальном положении каждого блока. Собранную таким образом полусферу кантуют, а потом монтируют на временную опору. Потом вторую часть сферы монтируют на первую и соединяют за счет ручного подварочного замыкающего шва.

Третья схема предполагает сбор сферы за счет последовательного наращивания элементов.

Все резервуары объемом 2000м³ собирают «вертикальным методом». Основной для временного закрепления купола и днища резервуара является центральная стойка-опора. В кондукторе происходит последующая сборка центрально опоры с полюсными блоками. Именно здесь монтируют кольца жесткости, которые крепятся с помощью раскосов к стойке.

Центральную стойку монтируют на неподвижную опору. На стойке устанавливают параллелограммный механизм подъемной люльки, перемещение которой может происходить как в вертикальной плоскости, так и вокруг оси опоры.

Производят подъем первого блока в вертикальное положение, затем его монтируют на ловителях днища и при помощи крепительных планок или клиньев фиксируют на купольной части и днище. После фиксации последующего блока с наружной стороны оболочки временно устанавливают стойку-опору, она служит для частичного восприятия веса блока. Также, чтобы придать определенную жесткость в процессе монтажа внутри каждого блока предусматривают специальную трубу жесткости, которая крепится за счет приварки.

Центральная опора, другие вспомогательные конструкции демонтируются, удаляются через специальный люк-лаз после закрепления последнего блока, финальной ручной сварки составных элементов прихваточными швами с внутренней стороны резервуара.

3.3 Особенности сварных швов и их расчет на прочность

После окончания монтажа элементов резервуара, его устанавливают на манипулятор и при помощи автоматической сваркой под слоем флюса производят укладку наружных и внутренних швов.

В манипуляторе Кудрявцева опорные неприводные катки, которые не мешают вращению шарового резервуара, установлены на шарнирных опорах, тем самым обеспечивая надежное прижатие 2-х пар приводных катков с раздельными приводами к резервуару. Таким образом обеспечивается вращение резервуара вокруг всех его осей, что позволяет выполнить широтные, меридиональные швы и переход от одного шва к другому, за счет включения приводов катков с одинаковыми или различными скоростями в одном или в противоположных направлениях.

Существуют также манипуляторы иного типа, которые обеспечивают вращение шарового резервуара исключительно в плоскости приводных роликов. Для перехода к другой нужной плоскости необходимо выполнить опусканием резервуара на временные опоры, а потом разворот манипулятора в горизонтальной плоскости.

Толщина стенки резервуара определяет форму разделки кромок, а также последовательность ее заполнения.

Для толщины 16мм не выполняют разделку кромок, а используют двустороннюю автоматическую сварку. Первый шов производят только с внутренней стороны оболочки по основе из ручного подварочного слоя, а второй шов - снаружи.

Для толщины оболочки 34мм практически все слоя выполняют с наружной стороны.

Именно использование манипуляторов позволило большинство сварочных работ выполнить автоматической сваркой при монтаже элементов резервуара. Существуют и значительные недостатки данной технологии, а именно необходимо вращать огромную, тяжелую конструкцию для работы только одного сварочного автомата, при этом используя сложные манипуляторы. В таких случаях наблюдается изменение формы оболочки при вращении из-за влияния сосредоточенных сил от стоек-опор, что не позволяет изготовлять таким способом резервуары объемом более 2000 м³ даже при использовании надувных роликов.

Для больших шаровых резервуаров более эффективной является технология монтажа на постоянных опорах без вращения в проектном положении. Меридиональные стыки образуются за счет автоматической сварки порошковой проволокой с принудительным формированием.

Такой способ сварки может выполняться как с одной стороны, так и с двух. Стыки фиксируют прихваточными швами или при помощи временных скоб. Уплотнение стыков может производится за счет формирующих прокладок без прихваточных швов или водоохлаждаемыми трубками. Для обеспечения их надежного прижатия используют двуплечие рычаги. При этом сварочный автомат перемещается по направляющему уголку вместе с ползуном. Уголок закрепляется параллельно кромкам за счет опор, проушин, клиньев.

Давление распределяется равномерно по внутренней поверхности всег шарового резервуара. На сварные швы действует усилие N, которое направлено на разрыв изделие:

N=PЧS (29)

где S - площадь днища (Sд) и сферической части без днищ (Sсф). Площадь днища определяется по формуле:

 

Площадь двух лепестков (Sсф2) сферической части резервуара без днищ определяется по формуле:



Напряжение, которое возникает в кольцевом шве равно:

Напряжение в меридиональном шве между двумя лепестками сферической части резервуара рано:

Так как напряжения в кольцевом и меридиональном меньше допустимого s_р

Конструкция стыка с размерами

Условное обозначение сварного соединения - С18.

Рисунок 2.1 - Конструктивные элементы подготовленных кромок свариваемых деталей: 1), 2) - соединяемые детали; 3) - флюсовая подушка.



Рисунок 2.2 - Конструктивные элементы сварного шва (швы №1 и №2, рисунок: 1), 2) - соединяемые детали; 3) - сварной шов - трехслойный (выполнен за три прохода).

Определение параметров режима сварки

Таблица 1 - Определение параметров режима сварки

№ слоя	Поляр. тока	dпп	Iсв (А)	U (В)	Vпп, м/ч	V сварки(м/ч)
1	обратная	2	150-200	30-34	90-120	15-25
2	обратная	2	200-400	32-34	90-120	25-35
3	прямая	5	350-600	36-40	90-120	25-40
4	прямая	5	500-800	38-40	90-120	30-40
5	прямая	5	700-1000	40-44	90-120	30-40

Условное обозначение сварных швов

Дефекты, которые образуются при сварке

Деформация и остаточные напряжения от сварки.

Дефекты бывают двух типов: внутренние и внешние.

Внешние дефекты - это наплывы, подрезы, наружные непровары, трещины, поры на поверхности шва. Внутренние - скрытые трещины, поры, внутренние непровары, шлаковые включения, несплавления.



Рисунок 2.3 - Обозначение сварных соединений

Внешними дефектами в паяных соединениях являются наплывы, натеки припоя, неполное заполнение шва припоем, а внутренними - включения флюса, поры, множественные трещины.

Качество сварных, паяных соединений обеспечивают строгим контролем материалов, заготовок, контролем в процессе сварки, пайки и при приемке готовых сварных, паяных соединений. Выделяют разрушающие и неразрушающие методы контроля в зависимости от нарушения целостности сварного соединения.

Сварочное оборудование и его характеристики

При сборке и сварке используют следующее оборудование:

Источник питания ТДСМ-1002, сварочный трактор - для автоматической сварки под флюсом.

Для ручной дуговой сварки используют выпрямитель ВД-306.

3.4 Сварочное оборудование и его характеристики

Режимы сварки

Используя таблицы, приведенные ниже, выбирают режим сварки исходя из толщины материала:

Табл.2 - Режимы сварки покрытыми электродами.

Марка электрода	Диаметр электрода	Iсв, А - при положении шва в пространстве
		нижнее	вертикальное	потолочное
АНО-3 АНО-4	3	100-140	90-100	100-200
	4	170-200	140-160	140-170
	5	270-320	150-170	-
	6	200-270	-	-
АНО-9	4	150-170	130-150	-
	5	200-240	160-180	-
ОМ-11	3	100-130	90-100	90-110
	4	160-200	140-180	150-180
	5	200-240	160-200	-
	6	240-290	-	-

Табл.3 - Режимы для сварки под флюсом без разделки кромок

Толщина	Зазор	Тип шва	Ш, мм	Iсв, А	Uд	Скорость сварки
3	0-1,5	односторонний	2	275-300	28-30	26-28	48-50
5	0-2	односторонний	2	400-425	28-30	26-28	38-40
8	2-4	односторонний	4	575-625	28-30	26-28	42-50
8	2-4	двухсторонний	4	650-700	34-38	30-32	35-37
8	2-4	двухсторонний	5	625-675	34-38	30-32	35-37
10	2-4	двухсторонний	5	700-750	34-38	30-32	28-30
10	1-3	двухсторонний	5	650-700	34-38	30-32	32-30

4. Конструкторская часть

4.1 Создание шаблонов для шарового резервуара

Сферические резервуары номинальной вместимостью 600-4000м³ (рис.1) наиболее часто используются для сохранности ценных жидких продуктов. Такие резервуары широко используются не только для легких фракций сжиженного бутана, бензина, бутилена, но также в отраслях промышленности, где необходимо хранить, перерабатывать жидкие или газообразные продукты, что находятся под значительным избыточным давлением (0,25 - 1,8 МПа) и обладают большой упругостью паров.

Рис. 4.1 - Конструкция шарового резервуара

Использование таких резервуаров при меньшей вместимости является не рациональным, потому что они являются менее экономичными, чем цилиндрические резервуары в горизонтальном положении.

Нецелесообразно использование этих конструкций также при давлении больше 1,8 МПа, так как толщина стенки металлической оболочки при этом необходима большой величины, а это приводит к ухудшению прочностных показателей стали (через снижение обжатия при прокатке) и приводит к повышению трудоёмкости работ.

Сейчас возросла потребность так же в изготовлении уникальных резервуаров для предприятий группы "Б" на ряду с традиционным применением сферических резервуаров в нефтяной, газовой, химической промышленности, для хранения, переработки различных ЛСЖ, при технологических процессах, производства которых наблюдается наличие избыточного давления. По сравнению с применяемыми в этих отраслях цилиндрическими резервуарами именно сферические обладают рядом характерных преимуществ, а именно: они улучшают качество процесса хранения, сводят к минимуму объем газовой камеры, уменьшают расход стали, повышают давление внутри резервуара, исключают потери от испарения. Поэтому они используются не только как резервуары для хранения, но и как корпуса специальных технологических аппаратов.

Именно за счет малой площади поверхности, которая свойственная при сферической форме резервуара, уменьшаются затраты, которые необходимы для обработки, защиты этой поверхности от коррозии, ее изоляции от продукта, а это имеет огромное значение при эксплуатации таких сооружений.

Раскрой металлической оболочки зависит от суммарной длинны сварных швов, а также процента отходов листовой стали. Пару вариантов раскроя оболочки сферического резервуара показаны на рис. 2.

Самым рациональный вариант а) из листов размером 2,6х7,5 м при этом отходы стали составляют не более 8,8% и протяженностью сварных швов 616 м. Более удобными являются широкие (3 м) не слишком длинные листы (до 8 м). Листы, толщина которых составляет до 16 мм, хорошо вальцуются на станке Г.С. Сабирова в холодном состоянии по сферической поверхности. Применение гидравлических прессов необходимо при больших габаритах листов, при этом необходим нагрев материала до 800-8500С.



Рис. 4.2 - Схемы раскроя оболочек шаровых резервуаров: 1 - донышко; 2 - корпус; а - трехпоясной меридиональный; б - параллельно меридиональный; в - двухпоясной меридиональный; г - меридиональный.

Опоры сферических резервуаров могут иметь различные конструкций. В резервуарах емкостью 600м³ опорой служит железобетонный стакан в форме цилиндра (рис.4.3), диаметр которого равен радиусу сферической оболочки - это соответствует центральному углу охвата 600. При таком проектном решении происходит подвержение опорного сечения тонкостенной оболочки резервуара именно в точках контакта с цилиндрическим стаканом, мощным реактивным сжимающим усилиям, изгибающим моментам, что требует для более объёмных резервуаров применения специальной системы опирания, которая состоит из отдельных наклонных или вертикальных стоек (как правило из труб горячекатаных, ст. 20), прикрепленных к шару либо по экватору, либо немного ниже. Количество стоек кратно числу лепестков. Для резервуаров емкостью 600; 900м³ число стоек равно 8; при 2000м³ - 12; 4000м³ - 16.

Низ стоек-опор крепится сваркой к металлическим опорным плитам, которые в свою очередь при помощи анкерных болтов фиксируются к железобетонному фундаменту в виде кольца. Верх стоек соединяется с оболочкой резервуара через фасонные пластинки, которые имеют такой же радиус кривизны, как и радиус оболочки.

Для получения упругого соединения шаровой оболочки с стойками при воздействии ветровой нагрузки и обеспечения вертикального положения опорных стоек при монтажных работах, их крепятся в единую упругую систему с помощью перекрестных диагональных связей - стальных тросов (стержней). Связи имеют натяжные устройства - талрепы.

Рис. 4.3 - Шаровой резервуар емкостью 600 м³ на цилиндрическом постаменте

Оболочка резервуаров для хранения веществ, которые не вызывают коррозию стали, производится из низколегированной стали (09Г2С) с улучшенным показателем ударной вязкости при отрицательных температурах. Для хранения агрессивных веществ, которые способны вызывать коррозию, используют двухслойную сталь, которая имеет главный слой из углеродистой стали (ВМСт3сп) и плакирующий слой из нержавеющей стали (Х18Н10Т), его толщина около 10 - 20% от всей толщины биметалла.

На куполе резервуара предусмотрено специальное технологическое оборудование, а на днище - патрубки для трубопроводов, лазы, люки. Сжиженный газ поступает в резервуар по трубопроводу через купол почти до дна резервуара. Выпуск газа происходит через трубопровод, который находится на днище.

4.2 Обоснование и выбор материалов

Для обеспечения сохранности дизеля предусматривают именно шаровой резервуар. При этом очень часто используют стали марок Ст2, Ст3сп и низкоуглеродистые стали.

Конструируемый резервуар находится в г.Одесса, поэтому колебание температур находится в диапазоне -40 - +20. Поскольку сталь Ст3сп может применятся в диапазоне от -40 до +200 оС, то выбираем ее за основу.

Эта сталь имеет увеличенный диапазон вязкости, сниженную степень старения. Свойства стали приведены в табл. 1.

Табл.1- Состав и свойства стали

Марка стали	Содержание химических элементов	, МПа	, МПа
	C	Mn	Si
Ст3сп	0,14-0,22	0,4-0,65	0,12-0,3	210-250	380-490

Ст3сп имеет хорошую свариваемость, поэтому сварные швы характеризуются необходимой стойкостью к появлению трещин кристаллизационного характера из-за наличия малого содержания углерода.

Целесообразность использования данной стали так же определяется ее небольшой стоимостью по сравнению с остальными.

4.3 Монтажные работы

4.3.1 Подготовительные работы

Чтобы обеспечить необходимый уровень охраны труда на высоте предусматривают устройство подмостей, временных площадок или люлек. Это имеет особое значение при сборке металлических конструкций на значительной высоте, где происходит соединение всех конструктивных элементов за счет сварки или на болтах. Применение данных элементов безопасности приводит к увеличению стоимости монтажа, но при этом создаются безопасные условия для работы монтажников. К подмостям предъявляют ряд требований:

а) установка до монтажа элемента;

б) применение сборно-разборных, лёгких, инвентарных подмостей;

в) они должны обладать нормируемой прочностью, а также устойчивостью.

Конструктивные требования:

а) наличие перил высотой не менее 1000 мм;

б) для изготовления настила использовать металлический лист или доски толщиной более 40мм;

в) наличие бортика по периметру высотой около 150мм, чтобы ограничить возможность падения инструмента с высоты.

По назначению выделяют две группы подмостей: подвесные, которые крепятся непосредственно на установленных конструкциях, и наземные, которые монтируют на земле при этом нет связи с установленными конструкциями.

Подвесные подмости крепятся возле мест подхода стропильных, подстропильных ферм, подкрановых балок к колоннам. Их крепят перед монтажом основной конструкции, а демонтируют используя монтажные краны.

Конструкция подмостей разнообразная. Например, они могут быть из уголков с применением металлического или деревянного настила. Крепление к основным конструкциям производят через крюки или другие устройства.

Для монтажных работ используют шевры, порталы, мачты, подъемники или грузоподъемные краны.

Как правило именно от правильного выбора монтажного устройства зависит экономичность исполнения работ.

Для осуществления правильного выбора необходимо учитывать вес и объём монтируемых конструкций, максимальную высоту подъема частей, достаточный вылет стрелы монтажного устройства, также необходимо учитывать определённые местные условия вблизи площадки для монтажа.

С помощью строповки обеспечивают подъем конструкций в проектное положение, для этого выполняют закрепление монтируемых элементов к крюку грузоподъёмного механизма (рис.2).

Правильная строповка обеспечивает безопасное производство работ, возможность легко выполнять перемещение элементов при их подъеме и установку.

Это обеспечивается за счет применения стального каната - стропа. Его длина на прямую зависит от габаритов монтируемых элементов. К выполнению строповки допускается специально обученный рабочий-стропальчик.

Перед осуществлением подъема элементов необходимо выполнить проверку:

1) соответствия грузоподъемности стропа и веса поднимаемого груза;

2) правильности крепления стропа, груза;

3) возможности свободного прохода груза на пути перемещения к месту монтажа;

4) отсутствия людей возле перемещаемого груза.

При креплении стропа в районе верхнего пояса ферм необходимо предусмотреть наличие инвентарных подкладок для сохранности элементов конструкции и самого каната.

4.3.2 Монтаж резервуаров

Монтаж - процесс производства, основанный на сборке и установки в проектное положение элементов конструкций или оборудования, всего сооружения, которые были изготовлены целиком или отдельными частями. Качество и сроки монтажных работ на прямую зависят от качества его организации.

При организации данного вида работ предусматривают применение мобильных грузоподъемных средств, укрупнение элементов.

Поскольку технологические металлоконструкции в большинстве случаев являются индивидуальными, то организация их монтажа является сложным и трудоемким процессом.

Этот факт вызывать большую сложность при попытке произвести типизацию способом монтажа таких элементов.

При разработке ПОС и ППР происходит планирование качественного процесса монтажа на всех стадия возведения конструкции.

ПОС (проект организации строительства) является одним из разделов в составе проектного задания, а ППР (проект производства работ) - это рабочий проект.

Монтаж металлических конструкций должен обязательно выполнятся только по ППР или по технологическим картам, которые предоставляются при монтаже мелких элементов конструкций или оборудования.

До монтажа металлических конструкций необходимо выполнить устройство фундаментов, планировку окружающей территории, устройство постоянных, а также временных дорог. Также необходимо произвести прокладку элементов электроснабжения, чтобы выполнить подключение кранов и сварочных аппаратов.

Также предусмотреть устройство путей под краны для их передвижения в зоне монтажа. Около площадки возводят бытовые помещения, инструментальные склады, бытовки для рабочих, если необходимо, то устраивают и площадки складирования, и место для укрупнительной сборки.

При выполнении монтажа технологических металлоконструкций монтажники производят сложными подъёмами, работают на большой высоте почти без ограждений, пользуются различными монтажных приспособлений, соединение конструкций происходит за счет сварки или с помощью болтов.

Для обеспечения безопасного производства монтажных работ необходимо, чтобы все рабочие перед начало проходили:

- вводный (общий) инструктаж по технике безопасности;

- инструктаж непосредственно на рабочем месте.

Основная функция резервуаров - обеспечение сохранности воды, нефти и иных жидкостей. Существуют цилиндрические и сферические резервуары. Корпус сферических резервуаров имеет вид отдельных стальных листов толщиной 25 - 30мм.

Корпус резервуара крепят на специальном опорном кольце, установленном на фундаменте. Вес одного такого резервуара объёмом 600м³ составляет 60т. Лепестки корпуса крепятся между собой при помощи сварки, образовывая целостную конструкцию.

Лепестки в составе нижних поясов разделываются под сварку внутри, а верхних поясов - с наружи, это необходимо, чтобы исключить необходимость выполнения потолочной сварки.

На данный момент особенно в химической промышленности применяют каплевидные резервуары, конструкция которых состоит также из отдельных стальных лепестков.

Траншейные резервуары в основном используют для сохранности больших объёмов жидкости. Их эффективно заключается в том, что они уменьшают потери жидкости через испарения, так как наземные емкости имеют довольно высокие показатели по потере веществ.

Элементы траншейного резервуара опираются нижнем основанием на песчаную подушку толщина которой составляет около 30см.

Все резервуары относятся к листовым конструкциям. К ним предъявляют высокие требования по непроницаемости.

Сборку таких резервуаров выполняют либо отдельными листами, либо более укрупненными блоками. Лепестки изготавливают на заводе и готовят к сварке: V-образная или U-образная обработка кромок.

Монтаж наземной части конструкции происходит только после устройства и приема фундаментов. Точность монтажа резервуара на прямую зависит от точности устройства фундамента.

Именно строительная организация гарантирует правильность габаритов основы под резервуар, а также расположения анкерных болтов для крепления. В фундамент предусматривают наличие закладных деталей, вне контура опоры конструкций, на них наносят разбивочные оси, которые необходимы для точного и надежного монтажа конструкций.

После устройства фундаментов монтируют опорное кольцо. Сначала производят выверку, а потом закрепление. Затем устанавливаю нижнее дно после твердения бетона. На следующем этапе происходить монтаж именно лепестков резервуара.

Для точности монтажа используют специальные стойки из швеллеров. при выполнении соединения лепестков используют прихватки. И только после тщательной выверки и контроля выполняют сваривание элементов.

Сваривание выполняют автоматическим сварочным аппаратом, так как протяженность швов значительная. При этом используют вращатели для дополнительного удобства производства работ по соединение элементов. Более современным является использование стендов, которые позволяю выполнять вращение соединяемых элементов.

При монтаже резервуара двумя полусферами используют 2-е мачты. После окончания сборки производят проверку прочности резервуара испытанием его на действие давления, которое в 1,5 раз превышает рабочее.

Основными элементами каплевидных резервуаров являются лепестки, которые поступают на площадку уже свальцованными прямо с завода.

Сначала на песчаном основании устанавливают днище. Потом производят сборку опорного кольца, которое имеет дополнительные элементы жесткости.

На следующем этапе монтируют лепестки 2-х нижних частей и устанавливаю полуфермы, которые крепят как к ребрам жесткости нижним концом, так и к кольцу в верхней части. производят раскрепление полуферм из плоскости при помощи специальных элементов. Сверху полуферм монтируют остальные пояса.

Цилиндрические резервуары могут использоваться для хранения различных видов жидкостей. Существует два основных способа монтажа таких резервуаров: полистовая сборка наращиванием и подращиванием поясов.

Также существует более современный способ, применение которого заменяет два предыдущих. Такой способ заключается в монтаже из листовой заготовки. Это сокращает сроки выполнения работ, поскольку основные их объёмы сосредотачиваются именно на заводе и предполагает выпуск специальных полотнищ. Эти полотнища соединяются сваркой на стенде. Сварка автоматическая в стык - это позволят значительно сэкономить материалы.

Производят сборку отдельно элементов днища и самого корпуса. Днище выполняется из половинок и фиксируется на опоре. Кровля резервуара выполняется или в виде полотнищ или совокупности щитов. Изготовленные полотнища в рулонах поставляются на стройплощадку. Диаметр рулона - 2-3м, а длинна менее 18м. Потом они подаются непосредственно к месту сборки.

Резервуары устанавливают на основание (песчаное) а форме конуса с уклоном 2% от центра к краям. Потом ложится изоляционный слой, который защищает днище от влаги. Его поворачивают и устанавливают на подготовку.

Разворот выполняют возле места монтажа или непосредственно на нем. Рулон перед раскрытие обматывают специальными канатом, который натягивают механическим способом. После этого его стягивают планками, которые обеспечивали закрытое положение рулона, а потом выполняют срез. Постепенно снижая натяжение каната, разворачивают рулон. Разворачивание рулона можно выполнять при помощи разных механических устройств.

В случаи если дно резервуара поступает на площадку в виде двух половинок, то производят выверку, монтаж и соединение при помощи автоматической или полуавтоматической сварки. В центре устанавливают стойку и с помощью специального шаблона наносят риску контура оболочки резервуара.

Затем устанавливают ограничители в виде уголком на расстоянии от нанесенной риски 500мм. Именно они производят контроль при разворачивании корпуса. После этого их срезают.

Для монтажа корпуса рулон устанавливают в вертикальное положение. Нижнюю часть рулона монтируют на поворотный шарнир, который соединяется с шевром.

На место установки рулона монтируется поддон толщиной 8мм. Перед подъёмом рулона нужно удостоверится, что его кромка находится вверху. На нее с целью обеспечения корпусу дополнительной жесткости укладывают временную мачту с лестницей. После всех перечисленных работ выполняют выверку шевра, оснастки, шарнира. Шарнир соединяют с листами днища. Затем при помощи механизмов поднимают рулон полиспастом шевра в вертикальное положение.

После установки вся дополнительная оснастка демонтируется. Затем монтируют в центре днища резервуара опору (временную или постоянную). В случае щитовой кровли, на опоре монтируют оголовок для установки всех щитов. Основание опорной стойки соединяют с днищем корпуса.

Монтаж кровельных щитов выполняют краном. Щит устанавливается на стойку и на верх корпуса. Крепление к стойке производят через болты, а к корпусу через временные «ловители». После этого щит приваривают. Вертикальный шов концов корпуса резервуара выполняют внахлестку. Подгонка листов может выполнятся с использованием различных устройств.

Монтаж противоповоротной стойки.

Монтаж и фиксацию стоек купола производят после его подъема и наполнения резервуара водой до уровня, который превышает высоту стоек на величину около 200 мм.

После опустошения и очистки дна резервуара выполняют окончательную фиксацию опорных пластин каждой стойки, а также выполняют потолочные швы и элементы крепления направляющих.

Монтаж ветрового кольца жесткости.

Установку кольца выполняют при помощи крана МКГ-25БР или МКГС-100 непосредственно после монтажа 8-го пояса стенки.

Фиксацию ветрового кольца к стенке выполняют из люльки автогидроподъемника АГП-22.

После монтажа стенки выполняют крепление направляющей лестницы.

Монтаж катучей лестницы.

Опору лестницы монтируют краном МКГ-25БР после завершения монтажа всех элементов кровли.

Опору подают краном на максимальном вылете наверх купола, а затем ручной лебедкой с рычагом перемещают в проектное положение и после выверки приваривают.

Катучую лестницу предварительно собирают на земле, а потом установить в проектное положение с помощью крана МКГ-25БР, опирая одним концом на установленную опору, а вторым закрепив к выносной площадке.

Монтаж внутренних устройств.

После устройства купола монтируют все дополнительные внутренние устройства. Размещение опорных конструкций, трубопроводов внутри резервуара выполняют через люки-лазы.

Монтаж необходимо выполнять с использованием специальных такелажных средств.

5. Контроль качества

Ответственность конструкций определяет методы контроля качества, которые необходимо применять.

Внешний осмотр (ГОСТ 3242-78) необходим для выявления наружных дефектов в швах сварки. Он выполняется невооруженным глазом, с помощью лупы (увеличение в 65-100 раз).

Выполняют очистку металла элементов при осмотре швов соединения от загрязнений, брызг, шлаков. При помощи шаблона и специальных измерительных устройств выполняют проверку толщины сварного шва. Плотность шва может контролироваться различными способами, выбор которых на прямую связан с типом конструкции, условиями производства и другими факторами.