автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Экспериментально-теоретическое обоснование рулонированного стационарного покрытия вертикальных стальных резервуаров объемом 100-5000 м 3

Саратовский государственный технический университет

На правах рукописи

Смольков Алексей Павлович

УДК 69.024.4/088.8/

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СТАЦИОНАРНОГО РУЛОНИРОВАННОГО ПОКРЫТИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ ОБЬЕМОМ 100-5000 м3

(05.23.01 - Строительные конструкции, здания и соружения)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, профессор И.Н. Малый Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент А.П. Денисова

Саратов 1998

Оглавление

Введение................................................................................................. 6

1. Современное состояние в области проектирования

стационарных покрытий вертикальных стальных резервуаров....................13

1.1 Классификация конструкций стационарных покрытий вертикальных стальных резервуаров............................................................................................13

1.2 Стационарное покрытие вертикальных стальных

резервуаров поэлементной сборки.................................................... 16

1.3 Сборное щитовое покрытие вертикальных стальных

резервуаров.......................................................................................... 18

1.3.1 Типовое щитовое покрытие вертикальных стальных

резервуаров.................................................................................................. 18

1.3.2 Гофрированное и ребристое стационарное покрытие.................. 21

1.3.3 Стационарное щитовое покрытие с гнутосварными

элементами................................................................................................... 22

1.3.4 Стационарное щитовое покрытие с унифицированными элементами................................................................................................... 24

1.3.5 Стационарное щитовое покрытие из рулонируемых блоков............25

1.4 Рулонированные стационарные покрытия вертикальных стальных резервуаров................................................................................................................................................................28

1.4.1 Шатровое висячее стационарное покрытие................................... 28

1.4.2 Конусные рулонированные покрытия для РВС объемом 100400 куб. м.................................................................................................... 30

1.4.3 Рулонированные конусные покрытия для РВС объемом 700, 1000

куб. м....................................................................................................................................................................................................32

1.4.4 Многоскатные рулонируемые покрытия для РВС объемом 2000-5000 куб. м.......................................................................................... 34

1.4.5 Рулонируемое купольное покрытие вертикальных стальных резервуаров.........................................................................:........................ 38

Выводы по 1 главе.............................................................................. 39

2. Принципы формообразования рулонируемого ребристого

покрытия вертикальных стальных резервуаров............................ 41

2.1 Новый тонкостенный сварногнутый профиль несущих

элементов рулонированных конструкций....................................... 41

2.2 Подкрепления пластин параллельными ребрами сварногнутого профиля................................................................................................. 44

2.2.1 Принцип формообразования цилиндрической оболочки с параллельными ребрами........................................................................... 44

2.2.2 Конструктивное и технологиическое моделирование формообразования цилиндрической оболочки с параллельными

ребрами........................................................................................................ 46

2.3 Формообразование ребристых пологих оболочек....................................................49

2.3.1 Принцип подкрепления пологих оболочек ребрами сварногнутого профиля............................................................................................................................................................49

2.3.2 Конструктивное и технологическое моделирование формообразования ребристых пологих оболочек.................................. 51

2.4 Формообразование рулонируемого блока покрытия вертикальных стальных резервуаров..............................................................................................56

2.4.1 Подкрепление рулонируемого блока покрытия ребрами сварногнутого профиля.............................................................................. 56

2.4.2 Конструктивное и технологическое моделирование формообразования рулонируемого блока покрытия РВС....................................58

2.5 Формообразование стационарного резервуарного покрытия типа рулонированной ребристой оболочки........................................................................................61

2.5.1 Принцип подкрепления рулонированной купольной оболочки ребрами сварногнутого профиля..........................................................................................................................61

2.5.2 Конструктивное и технологическое моделирование формообразования рулонированных ребристых купольных

оболочек...................................................................................................... 63

Выводы по 2 главе............................................................................. 67

3. Эксперементально-теоретическое исследование конструкции рулонированного купольного покрытия................................................................................68

3.1 Конструктивное моделирование рулонированного ребристого покрытия вертикальных стальных резервуаров............................ 68

3.1.1 Конструирование центрального ядра (кольца) жесткости

рулонированного купольного покрытия..............................................................................................68

3.1.2 Конструктивное моделирование количества ребер

рулонорованного купольного покрытия................................................................................................75

3.2 Определение геометрических параметров рулонированного ребристого покрытия......................................................................... 81

3.3 Разработка алгоритма расчета рулонированного купольного покрытия............................................................................................. 87

3.3.1 Алгоритм расчета рулонированного купольного покрытия по

дискретной системе...................................................................................... 87

3.3.2 Алгоритм расчета рулонированного купольного покрытия с

учетом требований по формообразованию............................................. 100

Выводы по 3 главе................................................................................ 104

4. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния рулонированного ребристого покрытия под действием статической нагрузки............................... 105

4.1 Методика проведения эксперимента.................................................. 105

4.2 Экспериментальные исследования работы модели ребристого покрытия............................................................................................... 106

4.2.1 Формообразование модели рулонированного купольного

покрытия...................................................................................................... 108

4.2.2 Определение напряженно-деформированного состояния

модели рулонированного купольного покрытия.................................... 111

4.2.3 Сравнение экперементальных и теоретических результатов........ 126

Выводы по 4 главе............................................................................... 130

5. Рекомендации по проектированию рулонированного купольного покрытия для вертикальных стальных резервуаров объемом 100-5000 м и его технико-экономическое обоснование....................................................................................... 131

5.1 Рекомендации по проектированию рулонированного купольного покрытия для вертикальных стальных

резервуаров объемом 100-5000 мЗ.................................................. 131

5.1.1 Рекомендации по конструированию рулонированного

купольного покрытия................................................................................ 131

5.1.2 Рекомендации по расчету рулонированного купольного

покрытия...................................................................................................... 139

5.1.3 Рекомендации по изготовлению рулонной заготовки

(полотнища) рулонированного купольного покрытия..................................................140

5.1.4 Рекомендации по формообразованию купольного покрытия

из плоской заготовки и монтажу его в проектное положение..........................144

5.2 Технико-экономическое обоснование рулоннированного

стационарного покрытия РВС объемом 100-5000 куб. м..........................148

Выводы по 5 главе............................................................................................................................................................152

Заключение......................................................................................................................................................................................154

Список использованной литературы................................................................................................159

Приложение......................................................................................................................................................................................166

Введение

В развитии отечественного резервуаростроения можно отметить два этапа.

1 этап: 1886 - 1954 гг. - полистовая сборка корпуса и днища. Сопряжение листов заклепочное (до 30-х годов) и сварное. Стационарное покрытие поэлементной сборки.

2 этап: 1954 - 1998 гг. Использование метода рулонирования при изготовлении и монтаже корпуса и днища. Стационарное покрытие покрытие становится сборным из габаритных щитовых блоков.

В начале 50-х годов в отечественном резервуаростроение произошел качественный скачок - создана Г.В.Раевским новая технология изготовления и монтажа вертикальных стальных резервуаров (по способу временного деформирования). Данный метод получил название - метод рулонирования. Новая технология дала возможность перенести основной объем сборочно-сварочных работ в стационарные заводские условия, что привело к повышению качества изготовления конструкций, снижению трудоемкости монтажа и сокращению сроков строительства. Возможность представления конструкции в виде полуфабриката -плоской заготовки, свернутой в габаритную конструкцию, привело к значительной экономии транспортных расходов.

По сути, начиная с 50-х годов, данный метод стал основным при проектировании, изготовлении и монтаже вертикальных стальных резервуаров обьемом до 20000 м3. Днище и корпус изготавливаются на специализированных стендах и поставляются в виде рулонов. В тоже время конструкция стационарного покрытия вертикальных стальных резервуаров оставалась собираемой из отдельных элементов. И начиная с конца 60-х годов наметилось отставание в технологичности конструкции стационарных покрытий от рулонированных корпуса и днища.

Необходимо отметить, что с совершенствованием метода рулонирования велись поиски новых конструктивных форм резервуарных по-

крытий, отвечающих требованиям высокомеханизированного и автоматизированного производства, малой металлоемкости, сокращения затрат труда при изготовлении и монтаже. Исследования шли в нескольких направлениях:

усовершенствование сборного стационарного покрытия блочного

типа:

- использование в конструкции покрытия складок и гофр;

- создание конструкций покрытий из унифицированных элементов;

- создание конструкций покрытий из гнутосварных элементов.

2) создание рулонированых стационарных покрытий:

- рулонированных блоков покрытия;

- покрытий из рулонированных полотнищ.

Однако совершенствование сборного блочного покрытия не решало проблемы недостаточной технологичности стационарного покрытия, так как отсутствовала возможность использовать прогрессивный метод рулонирования при изготовлении и монтаже стационарного покрытия резервуаров.

Создание в ЦНИИПСК рулонированного стационарного покрытия (висячего покрытия), разработка на Саратовском ЗРМК рулонированных блоков покрытия), разработка Дидковским О.В. конусного рулонированного покрытия (для малых резервуаров обьемом до 400 м3) - показали перспективный путь разработки новой технологичной конструкции стационарного покрытия вертикальных стальных резервуаров.

Однако они не решали полностью проблемы создания единой тех-нологиии изготовления, транспортировки и монтажа основных конструктивных частей (корпуса, днища и стационарного покрытия) вертикальных стальных резервуаров обьемом 700 м3 и более.

Поставленной задаче по разработке эффективных покрытий из ру-лонируемых полотнищ, трансформируемых при монтаже в пространственные оболочки, для всего параметрического ряда РВС обьемом более 700 м3, по нашему мнению, отвечает конструкция рулонированного по-

крытия, предложенная А.П. Денисовой (СГТУ) в процессе создания легких транспортабельных металлических конструкций.

Однако для возможности использования данной конструкции для всего параметрического ряда вертикальных стальных резервуаров объемом 100-5000 м3 необходимо провести конструктивные, технологические и экспериментальные исследования.

Целью диссертационной работы является:

- экспериментально-теоретическое обоснование новой конструкции стационарного покрытия вертикальных стальных резервуаров в виде ребристой купольной оболочки;

- разработка принципов формообразования рулонированного купольного покрытия из рулонных заготовок;

- проведение конструктивно-технологического моделирования ребристой купольной оболочки с центральным ядром жесткости;

- проведение конструктивно-технологического моделирования ребристой купольной оболочки с центральным кольцом жесткости с учетом технологических требований предъявляемых к стационарному покрытию вертикальных стальных резервуаров;

- определение минимального количества ребер купольного покрытия из условий технологии формообразования, прочности и деформа-тивности;

- составление выражений для определения геометрических параметров плоской заготовки и проектной формы рулонированного купольного покрытия;

- проведение экспериментальных и теоретических исследований работы конструкции покрытия РВС под нагрузкой и разработка алгоритма его расчета;

- разработка рекомендаций по конструированию рулонированного купольного покрытия;

- технико-экономическое обоснование рулонированного стационарного покрытия для вертикальных стальных резервуаров обьемом 100- 5000 м3.

Научная новизна работы состоит в экспериментально-теоретическом обосновании новой конструкции стационарного покрытия вертикальных стальных резервуаров, подкрепленного ребрами свар-ногнутого типа, получаемых на основе принципиально новой технологии.

В результате теоретических и экспериментальных исследований разработанны принципы формообразования ребристых пространственных оболочек с использованием метода рулонирования, обоснованна возможность использования ребристой купольной оболочки в качестве стационарного покрытия вертикальных стальных резервуаров, определено минимальное количество ребер покрытия из условий технологии формообразования, прочности и деформативности, получены выражения для определения геометрических параметров плоской заготовки и проектной формы рулонированного купольного покрытия.

Разработанны рекомендации по проектированию рулонирован-ных купольных покрытий для РВС обьемом 100 - 5000 м3 в виде:

- рекомендаций по конструированию рулонированного купольного покрытия;

- рекомендаций по упрошенному алгоритму расчета купольного покрытия из условия формообразования;

- рекомендаций по изготовлению плоских рулонных заготовок покрытия;

- рекомендаций по технологии формообразования купольного покрытия из плоских заготовок и по монтажу купольного покрытия.

Обоснована возможность использования данной конструкции рулонированного купольного покрытия для РВС обьемом до 20000 м3.

Результаты работы реализованны в виде программы для ЭВМ для определения геометрических параметров плской заготовки и образован-

ного купольного покрытия, несущей способности и деформативности. Составлены эскизные проекты рулонированного купольного покрытия на стадии КМ для резервуаров обьемом 2000 м3.

Практическая ценность состоит в том, что результаты выполненной работы использованы:

- при разработке проектов экспериментального купольного покрытия для РВС обьемом 100- 5000 м3;

- при эскизном проектировании купольного покрытия для РВС обьемом 10 000-20000 м3.

Результаты исследований были представлены на межрегиональной выставки "Нефтъ-Газ-Тех-97" в г. Саратове в виде разработанных проектов конструкции экспериментального купольного покрытия для типовых резервуаров обьемом 1000 - 2000 м3 и составленных рекомендаций: по изготовлению плоских рулонных заготовок покрытия; по технологии формообразования купольного покрытия из плоских заготовок; по монтажу купольного покрытия. Практический интерес к представленным разработками проявили представители ряда фирм нефтегазового комплекса. Письмо министерства нефти, газа и недропользования Саратовской области (организатора выставки) прилагается.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского государственного технического университета (1996-1998 гг.); на1 международной конференции ЭМО - 96 "Экологическое моделирование и оптимизация в условиях тех-ногенеза" г. Солигорск, Беларусь 1996 г. ; на Международной конференции "Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных и пластмассовых конструкций" (Самара, 1996 г.); на 52 Международной конференции профессоров, научных работников, аспирантов и студентов "Технические ВУЗы - Республике" (Минск, 1997 г.); на межузовской научно-методической конференции "Современные технологии в промышленности, строительстве и высшем образовании: ин-

новации, опыт, проблемы, перспективы" (Камышин, 1996 г.); на межвузовской региональной конференции научного общества молодых ученых, аспирантов,адъюнктов, сту