Металлический резервуар для водохранилища в Бразилии: исследование частичного применения API 650

ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ

RASI, José Roberto ^[1], CAUNETTO, Donizete ^[2], BROETTO, Jonathan Figueiredo ^[3]

RASI, José Roberto. CAUNETTO, Donizete. BROETTO, Jonathan Figueiredo. Металлический резервуар для водохранилища в Бразилии: исследование частичного применения API 650. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. 05-й год, Эд. 05, Vol. 01, стр. 33-62. Май 2020 года. ISSN: 2448-0959, Ссылка доступа: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/гражданское-строительство/металлический-резервуар

РЕЗЮМЕ

В связи с растущим спросом на водные запасы и отсутствием технических стандартов для металлических резервуаров в Бразилии несколько производителей резервуаров частично использовали API 650 для размера и проверки этих резервуаров. В этой работе были проведены исследования для проверки частичного и целостного применения API 650, метода 1 фут, путем измерения 7 металлических цистерн с тем же объемом, что и функция различных соотношений высота/диаметр (H/D). Он анализирует окружное напряжение в обоих случаях и размер, предусмотренный в API 650, и определяет наиболее экономичные соотношения высоты/диаметра для хранения воды.

Ключевые слова: Металлический танк, стандарт API 650, размер, оптимизация.

1. ВВЕДЕНИЕ

Цилиндрические резервуары являются структурами, обычно используемыми для хранения воды, промышленных отходов, нефтехимических отходов, масел, зерна и т.д. (HECKE, 2010).

По данным Barros (2010), это тяжелое котельное оборудование, подверженное примерно атмосферному давлению, обычно в диапазоне от 0 до 0,5 пси и предназначенное в основном для хранения нефти и ее производных.

Roncetti (2011) утверждает, что был рост спроса на хранение жидкого навалом в различных видов экономической деятельности, а также увеличение спроса на промежуточные виды деятельности, такие как санитария, обработка отходов, холодильные и другие производственные процессы, где необходимо запастись жидкими гранеями. На рисунке 1 иллюстрируются различные типы резервуаров для хранения, которые обычно используются промышленностью (KUAN, 2009).

Рисунок 1 – Типы резервуаров для хранения.

Проектирование и строительство атмосферных цилиндрических резервуаров предполагает ряд специальных забот и требует знания технических и материальных стандартов, подходящих для каждого типа применения, так как сбои в этом оборудовании могут привести к большим финансовым потерям или даже гибели людей (NUNES, 2013).

В Бразилии существует стандарт для строительства этого оборудования. Стандарт NBR 7821 – сварные цистерны для хранения нефти и деривативов – опубликован Бразильской ассоциацией технических стандартов (ABNT). Однако наиболее широко используемым стандартом в отраслях промышленности в целом является американский стандарт регулирования API 650 – Welded Steel Tanks for Oil Storage – American Petroleum Institute (API), предназначенный для резерва нефти и деривативов (SATO, 2015).

По словам Barros (2010), API 650 охватывает спецификации по материалам, дизайну, производству, сборке и тестированию вертикальных, цилиндрических, незахороненных резервуаров для хранения, с верхней закрытой или открытой, сварной конструкцией, с различными размерами и мощностью, для неохлажденного обслуживания, с максимальной температурой конструкции 260 ^oC и примерно атмосферным внутренним давлением (не превышающим 2,5 psig).

По словам Azzumi и Guzey (2015), в соответствии с API 650, тремя методами определения толщины резервуара цилиндрических стальных резервуаров для хранения, разработанных в соответствии с API 650, являются:

Метод одной ноги (1FM – one foot method), метод переменной точки проектирования (VDM) и линейный анализ. Мы сравнили конструкции оболочки на основе этих трех методов для различных свойств танка: диаметр, высота и напряжение допускается.

Метод одной ноги (1FM), который основан на теории мембраны ”. Необходимая толщина пластины кожуры для каждого пилинга рассчитывается с использованием окружного стресса в точке 0,3 м (1 фут) над горизонтальным швом нижнего шва запеканки из-за гидростатического давления хранимой жидкости. 1FM успешно используется для большинства танков. Тем не менее, проекты на основе 1FM могут стать консервативными и непомерно высокими для цистерн большего диаметра. Таким образом, API 650 ограничивает применимость этого метода к танкам до 61 м (200 футов) в диаметре.

Вторым методом расчета требуемой толщины оболочки является метод переменной точки проектирования (VDM), который также основан на «теории мембраны». VDM был предложен Zick и McGrath в 1968 году, а затем принят API 650 в качестве усовершенствованная методика для расчета требуемой толщины корпуса пластины, особенно для танков более 61 м (200 футов) в диаметре. VDM учитывает ограничение, предоставляемое нижними пластинами бака для первого запуска феррула, и ограничение, предоставляемое каждым нижним феррулом для верхней траектории феррула. VDM использует переменное расстояние вместо фиксированного расстояния 0,3 м (1 фут), как используется в 1FM, выше окружного сварного шва (шва) для каждого пробега, чтобы рассчитать максимальный окружной стресс из-за гидростатического давления.

Третий метод, представленный в API 650, это расчет толщины оболочки с помощью линейного анализа. При этом условием границы для анализа должен быть пластический момент, связанный с выходом пластины под оболочку и радиальным движением, полностью ограниченным дном оболочки. API 650 не описывает конкретный метод линейного анализа. В этом исследовании мы разработали новый метод, используя теорию тонкой коры для выполнения линейного анализа толщины коры исчисления. В этом методе мы используем точную жесткость – гибкость отношений и точные функции формы, происходящие из так называемого “короткой оболочки” решение уравнений, которые регулируют из тонкой эластичной теории кожуры.

Существует мало литературной информации для расчета металлического резервуара для запасов воды и отсутствие конкретных технических стандартов для сварных резервуаров для хранения воды в Бразилии.

Из-за отсутствия конкретного технического стандарта он использовался в качестве параметра расчета металлических резервуаров, предназначенных для запасов воды, API 650 в полном объеме или лишь частично, в частности в отношении определения толщины берегов воды и допустимых напряжений, поскольку критерии безопасности пожаров и взрывов хранимого материала не будут применяться к воде.

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОД

Основная цель этой работы заключается в проверке конструкции открытых металлических цистерн, бездомных, с одинаковым объемом и различными H/D, в соответствии с API 650, методом одной ноги (1FM), в два этапа, первый учитывая только толщины, рассчитанные по уравнению, описанное в пункте 5.6.3.2 этого стандарта;Где:

t_d– толщина конструкции, в мм;

D – номинальный диаметр бака, в м;

H – уровень жидкой конструкции, в м;

G – специфический вес жидкости в случае воды: 1;

АК – коррозионная чрезмерность, указанная покупателем, в мм;

S_d – допустимое напряжение (таблица 5-2 API 650), в Mpa.

А на втором этапе, помимо проверки толщины, рассчитанной по уравнению 1, также принимаются минимальные толщины, как описано в пункте 5.6.1.1 и показано в таблице 1.

Таблица 1 – Минимальная толщина пряди

В качестве дополнительной цели определить диапазон соотношения H/D, который является наиболее экономически жизнеспособным, с наименьшим весом конструкции сварного бака.

Критерием для определения взаимосвязи между высотой (H) и диаметром (D) моделей является объем резервуара, который остается неизменным, с 660,00 м3 и максимальным диаметром менее 15,00 м в соответствии с пунктом 5.6.1.1 – API 650, показанный в таблице 1. В результате для постоянного объема (V₀) и рассмотрены соотношения высота/диаметр (H/D) между 0,25 и 4,0.

Определено: H = высота цилиндра; D = диаметр и V = объем =

Размеры диаметров, высоты и пропорции между ними описаны в таблице 2 и рисунке 2.

Таблица 2 – Соотношение высота/диаметр к постоянному объему 660.00 m³

Рисунок 2 – Изучены геометрические модели цилиндрических резервуаров

Используемая сталь – ASTM A36, характеризующаяся модулем упругости (E), равным 205 000 МПа, коэффициентом Poisson (µ), равным 0,30, плотностью (γ), равной 77 000 N/mm³, пределом текучести f_y = 250. 0,00 Mpa и последнее напряжение f_u = 400,00 Mpa. Согласно таблице 5-2 Permissible Plate Materials and Allowable Stresses API 650, допустимое напряжение для стали ASTM A36 составляет 160,00 Mpa (таблица 3).

Таблица 3 – Разрешенные плоские материалы и допустимые стрессы

Толщина пластин водоема считается переменной по высоте резервуара (рисунок 3).

Рисунок 3 – Вариация плиты вдоль высоты водохранилища

Учитывая отсутствие трения из-за хранимого материала (воды), состояние резервуара полностью заполнено, неприменимое ветра и условия толщины пластин тел водоемов (виролин), приводит лишь 1(один) случай анализа (рисунок 4):

Рисунок 4 – Танк с жидкой и переменной толщиной стены над высотой

Расчетный поток толщины сварных танков минирует диаграмму, показанную на рисунке 5.

Рисунок 5 – Диаграмма потока расчета толщины водяныхканов резервуаров

Вес 7 танков, предложенных в этой работе, рассчитывался в два этапа. Первый шаг рассчитал вес фондов водохранилища, учитывая средства с кольцеобразными пластинами (рисунок 6), согласно пункту 5.4.1 API 650 (Botton Plates), который предписывает минимальную толщину 6,00 мм (1/4”). Перекрытие плиты около 2,26% было рассмотрено в весе фондов резервуара.

Рисунок 6 – Типичное расположение нижних пластин с кольцеобразными пластинами.

Также были рассмотрены веса верхних профилей угла подкрепления края, как указано в таблице 4, указанной в пункте API 650 5.1.5.9 – Roof and Top-Angle Joints“, наложенных на последнем кольце (ферруле) стороны, с горизонтальным лоскутом, обращенным к внешней стороне бака.

Таблица 4 -Укрепление верхнего края стороны.

Вес сторон был определен после определения толщины каждой пластины, составляющей манжеты резервуаров для каждого отношения H / D, с учетом толщины, рассчитанной только по уравнению 1, и толщины с учетом минимальной толщины, предписанной API 650. (Таблица 5). Использовался метод «один фут» (1FM) с эффективностью сварки 1,00 (100%), без учета коррозионной избыточной толщины и сил, возникающих в результате воздействия ветра. Толщина, использованная для определения размеров наконечников, была (в миллиметрах): 2,00; 2,25; 2,65; 3,00; 3,35; 3,75; 4,25; 4.75 и 6.35, все шириной 1500,00 мм.

Таблица 5 – Толщина пластины нитей и весов изученных танков.

3. АНАЛИЗ МЕТОДА КОНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА

Для анализа методом конечных элементов (MEF) 7 резервуаров вместимостью 660,00 м³ и размерами, описанными в таблице 2, использовалась программа AUTODESK SIMULATION MECHANICAL 2018 с дискретизацией сетки 150 x 150 мм (рисунки 7 и 8. ).

Рисунок 7 – Дискретизация резервуара H/D 1.00 – диаметр и высота 9.43m.

Рисунок 8 – Применение водоподгрузочного резервуара H/D 1.00

4. РЕЗУЛЬТАТЫ

Следите за результатами анализа с использованием методов конечных элементов – MEF, из 7 предложенных резервуаров, используя программное обеспечение AUTODESK SIMULATION MECHANICAL 2018.

4.1 ТАНК H/D 4.00 – ДИАМЕТР14.98 M И ВЫСОТА 3.75 M

На рисунках 9 и 10 показаны окружные напряжения с толщиной резервуара, рассчитанной по уравнению 1 и принятой равной 2,00 мм. Максимальное натяжение манжеты 1 составляло 147,81 Mpa, что меньше допустимого натяжения стали ASTM A36 160,00 Mpa в соответствии с таблицей 5-2 API 650.

Рисунок 9 – Об циркумферные напряжения H/D 4.00 в 3D – рассчитанные толщины

Рисунок 10 – Об циркумферентные напряжения H/D 4.00 в 2D – рассчитанные толщины

На рисунке 11 показаны окружности напряжений с толщиной бака, рассчитанной в соответствии с минимальной толщиной API 650, в случае 4,75 мм. Максимальное напряжение составило 60,27 MPa.

Рисунок 11 – Обходные напряжения H/D 4.00 в толщинах 2D-миним

На рисунке 12 показаны кривые окружного напряжения, в зависимости от толщины феррулей и высоты загрузки воды.

Рисунок 12 – Кривые окружности танка H/D 4.00

4.2 ТАНК H/D 3,00 – ДИАМЕТР 13,61 М И ВЫСОТА 4,54 М

На рисунках 13 и 14 показаны окружные напряжения при толщине резервуара, рассчитанной по уравнению 1 и принятой в качестве манжеты 1 с 2,25 мм и другими с 2,00 мм. Максимальное натяжение манжеты 1 составляло 146,67 МПа, что меньше допустимого натяжения стали ASTM A36 160,00 МПа в соответствии с таблицей 5-2 API 650.

Рисунок 13 – Обстоятельное напряжение H/D 3.00 в 3D – рассчитанные толщины

Рисунок 14 – Об циркумферентные напряжения H/D 3.00 в 2D – рассчитанные толщины

На рисунке 15 показаны окружности напряжений с толщиной бака, рассчитанной в соответствии с минимальной толщиной API 650, в данном случае 4,75 мм. Максимальное напряжение составило 68,17 MPa.

Рисунок 15 – Обходные напряжения H/D 3.00 в толщинах 2D-миним

На рисунке 16 показаны кривые окружного напряжения, в зависимости от толщины феррулей и высоты загрузки воды.

Рисунок 16 – Кривые окружного напряжения танка H/D 3.00

4.3 ТАНК H/D 2,00 – ДИАМЕТР 11,89 М И ВЫСОТА 5,94 М

Цифры 17 и 18 показывают окружное напряжение с толщиной танка, рассчитанное в соответствии с уравнением 1 и предполагаемое как феррул 1 с 2,65 мм, а другое с 2,00 мм. Максимальная атмосфера 1 напряжение было 144,65 Mpa, ниже, чем допустимый стресс ASTM A36 стали 160.00 Mpa, в соответствии с таблицей 5-2 API 650.

Рисунок 17 – Об циркумферентные напряжения H/D 2.00 в 3D – рассчитанные толщины

Рисунок 18 – Об циркумферентные напряжения H/D 2.00 в 2D – рассчитанные толщины

На рисунке 19 показаны окружное напряжения с толщиной бака, рассчитанной в соответствии с минимальной толщиной API 650, в случае 4,75 мм. Максимальное напряжение составило 80,26 MPa.

Рисунок 19 – Обходные напряжения H/D 2.00 в толщинах 2D-миним

На рисунке 20 показаны кривые окружного напряжения, в зависимости от толщины феррулей и высоты загрузки воды.

Рисунок 20 – Кривые окружного напряжения танка H/D 2.00

4.4 ТАНК H/D 1,00 – ДИАМЕТР 9,43 М И ВЫСОТА 9,43 М

На рисунках 21 и 22 показаны окружные напряжения с толщиной резервуара, рассчитанной по уравнению 1 и принятой как наконечник 1 с 3,35 мм, наконечник 2 с 2,65 мм, наконечник 3 с 2,25 мм и многовато с 2,00 мм. Максимальное натяжение манжеты 1 составляло 146,39 Mpa, что меньше допустимого натяжения стали ASTM A36 160,00 Mpa в соответствии с таблицей 5-2 API 650.

Рисунок 21 – Об циркумферентные напряжения H/D 1.00 в 3D – рассчитанные толщины

Рисунок 22 – Об циркумферные напряжения H/D 1.00 в 2D – рассчитанные толщины

На рисунке 23 показаны окружности напряжений с толщиной бака, рассчитанной в соответствии с минимальной толщиной API 650, в данном случае 4,75 мм. Максимальное напряжение составило 104,02 MPa.

Рисунок 23 – Обходные напряжения H/D 1.00 в толщинах 2D-миним

На рисунке 24 показаны окружности кривых стресса, в зависимости от толщины феррулей и высоты загрузки воды.

Рисунок 24 – Кривые окружного напряжения танка H/D 1.00

4.5 ТАНК H/D 0.50 – ДИАМЕТР 7.49 M И ВЫСОТА 14.98 M

На рисунках 25 и 26 показаны окружные напряжения для толщины резервуара, рассчитанные согласно уравнению 1 и принятые как наконечник 1 с 4,25 мм, наконечник 2 с 3,75 мм, наконечник 3 с 3,35 мм, наконечник 4 – 3,00, наконечник 5 – 2,65 мм, а остальные – 2,00 мм. Максимальное натяжение манжеты 1 составляло 146,86 Mpa, что меньше допустимого натяжения стали ASTM A36 160,00 Mpa в соответствии с таблицей 5-2 API 650.

Рисунок 25 – Кругосветное напряжение H/D 0.50 в 3D – рассчитанные толщины

Рисунок 26 – Обходные напряжения H/D 0.50 в 2D – рассчитанные толщины

На рисунке 27 показаны окружности напряжений с толщиной бака, рассчитанной в соответствии с минимальной толщиной API 650, в случае 4,75 мм. Максимальное напряжение составило 132,09 MPa.

Рисунок 27 – Кругосветное напряжение H/D 0.50 в толщинах 2D-миним

На рисунке 28 показаны кривые окружного напряжения, в зависимости от толщины феррулей и высоты загрузки воды.

Рисунок 28 – Кривые окружного напряжения танка H/D 0.50

4.6 ТАНК H/D 0,25 – ДИАМЕТР 5,94 М И ВЫСОТА 23,77 М

Цифры 29 и 30 показывают окружное напряжение с толщиной бака, рассчитанной в соответствии с уравнением 1 и предполагаемой как феррул 1 с 6,35 мм, феррул 2 с 4,75 мм, феррул 3 с 4,25 мм, феррул 4 с 4,25, феррул 5 с 3,75 мм, феррул 6 с 3,75 мм, ферруле 7 с 3,35 мм, феррул 8 с 3,00 мм , феррул 9 с 2,65 мм, феррул 10 с 2,25 мм, а другой с 2,00 мм. Максимальная вибрация 1 напряжение было 129,72 Mpa, ниже допустимого стресса ASTM A36 стали 160,00 Mpa, в соответствии с таблицей 5-2 API 650.

Рисунок 29 – Об циркумферные напряжения H/D 0.25 в 3D – рассчитанные толщины

Рисунок 30 – Обходные напряжения H/D 0.25 в 2D – рассчитанные толщины

На рисунке 31 показаны окружности напряжений с толщиной бака, рассчитанной в соответствии с минимальной толщиной API 650, в данном случае 6,35 мм. Максимальное напряжение составило 129,72 MPa.

Рисунок 31 – Обходные напряжения H/D 0.25 в толщинах 2D-миним

На рисунке 32 показаны кривые окружного напряжения, в зависимости от толщины феррулей и высоты загрузки воды.

Рисунок 32 – Кривые окружности танка H/D 0.25

4.7 ОПТИМАЛЬНЫЙ ПОЛНЫЙ ВЕС X H/D ПОЛОСА КРИВОЙ

На рисунке 33 показаны типичные кривые веса как функция H / D для резервуаров без крыши, различной толщины, с размерами в соответствии с предписаниями API 650, с применением уравнения 1 (красная кривая) и минимальной толщины (синяя кривая). .

Оптимальный диапазон, для обоих критериев размера, находится между H/D и 0,75 до H/D и 2,25.

Рисунок 33 – Типичные кривые веса бездомных танков в качестве функции соотношения H/D.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из представленных результатов можно сделать вывод, что для запасов воды можно установить отличные отношения H / D, которые указывают на минимальный вес резервуара, даже с учетом 2 критериев проектирования, то есть толщины, только с применением уравнения 1 и толщины с учетом минимальной толщины, предписанной API 650.

Для измерения металлических резервуаров для запаса воды, где критерии безопасности пожаров и взрывов не применяются, использование размеров только с толщиной, определяемой уравнением 1, может быть приемлемым, поскольку окружность напряжений, определяемых MEF, всегда была ниже допустимого стресса, установленного в таблице 5-2 API 650.

ССЫЛКИ

AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. API Standard 650: Welded steel tanks for oil storage. 12 th ed. Washington DC, 20013.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7821 – Tanques soldados para armazenamento de petróleo e derivados. Rio de Janeiro. 1983.

AZZUMI, E., GUZEY, S. Comparison of the shell design methods for cylindrical liquid storage tanks. Engineering Structures 101. 2015.

BARROS, S. M. Tanques de armazenamento. Universidade Petrobras. Rio de Janeiro. 2010.

HECKE, M. B. Elementos finitos aplicados à engenharia de estruturas. Reservatórios cilíndricos e silos metálicos. Universidade Federal do Paraná. Curitiba. 2010.

KUAN, S. Y. Design, Construction and Operation of the Floating Roof Tank. University of Soutthern Queensland. Queensland. 2009.

NUNES, C. P. Uma metodologia de projetos de tanques atmosféricos verticais para armazenamento de petróleo e seus derivados. Monografia. Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre. 2013.

RONCETTI, L. Otimização estrutural e econômica de tanques de armazenamento construídos em aço. Anais do 66º Congresso Anual da Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais – ABM. São Paulo. 2011.

SATO, A. K. Projeto de um tanque de armazenamento atmosférico com teto flutuante para estocagem de gasolina. Trabalho de graduação. Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, UNESP. Guaratinguetá, 2015.

ZICK L.P., MCGRATH R.V. Design of large diameter cylindrical shells. Proc. Division Refining, AMERICAM PETROLEUM INSTITUTE. New York. 1968.

^[1] степень магистра в области строительства и гражданского строительства; Специализация в промышленном строительстве; Специализация в области экологического машиностроения; Специализация в области техники безопасности; Инженер-строитель и инженер-механик.

^[2] Специализация в области структурного проектирования и гражданского строительства.

^[3] Инженер-строитель.

Отправлено: апрель 2020 года.

Утверждено: май 2020 года.