КОНСТРУКЦИЯ РЕЗЕРВУАРА
TANK DESIGN

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к резервуарам для хранения и транспортировки текучих сред, таких как углеводороды, в том числе сжиженного природного газа, находящегося в условиях низкой температуры. Сюда входят резервуары для судов, для удаленных от берега плавучих и имеющих гравитационный фундамент объектов, и для расположенных на суше установок.
Уровень техники
Резервуары могут быть выполнены во многих различных конструктивных исполнениях, таких как сферы, цилиндры, конусы и оболочки вообще, а также могут иметь призматическую форму. Главное преимущество призматических форм состоит в том, что они умещаются вплотную друг к другу, благодаря чему сводится к минимуму объем, занимаемый такими резервуарами. Простые призматические резервуары конструктивно намного менее эффективны, поскольку они рассчитаны на действие изгиба для задействования прочности. Оболочки создают прочность за счет непосредственного натяжения в плоскости оболочки. Этим создается большая прочность при одинаковом количестве материала.
Более эффективной конструкцией призматических форм является такая, в состав которой включены внутренние стяжки (балки, работающие на растяжение). За счет создания натяжения как основного средства ограничения действующей изнутри нагрузки или давления, такие уравновешенные призматические резервуары по эффективности своей конструкции сопоставимы с резервуарами типа оболочек. В документе WO 2006/001711 А2 раскрыты такие резервуары, и его содержание целиком включено в настоящую заявку посредством ссылки. Эта публикация также составляет основу для ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Помимо наличия достаточной прочности для ограничения пластической деформации, конструкция резервуара также должна быть спроектирована в расчете на предотвращение распространения трещин, возникающих как следствие усталости материала. Главный предмет заботы в таких конструкциях заключается в распространении трещин в местах сварных швов, а не в местах в основном металле, где распространение трещин развивается очень медленно или даже купируется.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения заключается в том, чтобы разработать резервуар с двойными преградами так, чтобы все соединения между двумя преградами представляли бы собой основной металл без концентраторов местных напряжений, для обеспечения того, чтобы усталостные трещины не распространялись от одной преграды для жидкости к другой.
Задача настоящего изобретения решается за счет призматического резервуара, состоящего из наружной и внутренней стенок и горизонтальных внутренних стяжек, ограничивающих силу, прикладываемую к указанным стенкам со стороны содержащейся в резервуаре текучей среды. Стенки образованы горизонтальными отрезками балки, имеющими две параллельные полки, наружную и внутреннюю, которые соединены между собой горизонтальной перемычкой, причем отрезки балки уложены один поверх другого и соединены вместе вдоль прилегающих продольных кромок их полок, а своими торцевыми поверхностями они упираются в другие торцевые поверхности отрезков балки или в соединительные детали.
В торцевой поверхности горизонтальной перемычки отрезка балки, упирающегося в другой отрезок балки или в соединительную деталь, выполнен вырез для того, чтобы между указанной торцевой поверхностью и упирающимися в нее отрезками балки или соединительной деталью оставить первое отверстие, которое имеет скругленный контур.
Несколько горизонтальных стяжек присоединены к соответствующей внутренней стенке в месте расположения стыка между смежными отрезками балки при помощи, по меньшей мере, одной косынки, идущей в стороны от стыка. В косынке рядом со стыком выполнено второе отверстие. Некоторые из отрезков балки имеют ребро, образованное как наружное продолжение перемычки отрезков балки, при этом косынка присоединена к этому ребру, в котором проходит второе отверстие. Горизонтальная стяжка присоединена, по меньшей мере, к одной косынке на расстоянии от внутренней стенки, при этом соединение содержит предварительно напряженные болты.
Перемычка, по меньшей мере, некоторых из отрезков балки расположена со смещением относительно центра между продольными кромками полок отрезков балки в районе точки прогиба внутренней полки, когда та подвергается воздействию гидростатического давления со стороны текучей среды, заключенной в резервуаре. Отрезком двутавровой балки образована соединительная деталь между торцевыми поверхностями подлежащих соединению отрезков балки.
Кроме того, углы резервуара содержат соединительные детали, передающие усилия и изгибающие моменты и в то же время позволяющие перемычке присоединенного к ним отрезка балки иметь разрыв. Соединительная деталь содержит полый участок, выполненный в форме прямоугольного треугольника, и параллельные выступы, отходящие перпендикулярно от концов малых сторон треугольника. Она образована двумя симметричными частями, сваренными вместе в вершине треугольника и в середине его основания.
В углу резервуара отрезки балки соединены при помощи соединения «в ус», при этом соединительная деталь представляет собой плоскую пластину, к которой приварены полки отрезков балки, причем в перемычках отрезков балки выполнены вырезы, обеспечивающие наличие расстояния между перемычками и плоской пластиной.
Более традиционный способ соединения непрерывной последовательности отрезков балки для образования стенки резервуара заключается в том, что стыки между балками располагают близко от точек прогиба, где осевые напряжения в полках равны нулю и умеренна сдвигающая нагрузка. Тем не менее, в настоящем изобретении места стыков отрезков балки располагают в точках присоединения внутренних стяжек. В стыках балок соединяют друг с другом только полки балок, а перемычки не соединяют. Вместо этого в перемычках делают вырезы в виде плавной кривой, так что торцевые поверхности снабженных вырезами перемычек образуют отверстие со скругленным контуром. Таким образом, между торцевыми поверхностями перемычек отсутствует сварной шов или иное соединение, за счет чего избегаются концентрации напряжений и изменения материала, ведущие к распространению усталостных трещин. Обусловленное наличием отверстия уменьшение прочности на сдвиг может быть скомпенсировано придающей жесткость косынкой, прикрепленной к внутренней стенке резервуара, как правило, в плоскости перемычки. Эти косынки могут быть подходящим образом выполнены с возможностью прикрепления внутренних стяжек резервуара к двойной стенке.
Краткое описание чертежей
Дальнейшие подробности изобретения описаны ниже со ссылкой на иллюстративные варианты выполнения, схематически показанные на прилагаемых чертежах.
На фиг.1 показан вид в плане призматического резервуара с двойными стенками со снятой крышей.
На фиг.2 показан разрез, сделанный вдоль линии II-II на фиг. 1.
На фиг.3 в увеличенном масштабе показано выносное изображение участка, обозначенного на фиг.1 как «III».
На фиг.4 в увеличенном масштабе показано сечение вдоль линии IV-IV на фиг.3.
На фиг.5 показан вид сбоку двух отрезков балки перед присоединением к соединительной детали, показанной в левом нижнем углу фиг.2.
На фиг.6 показан вид сбоку уже соединенных вместе отрезков балки, показанных на фиг.5.
На фиг.7 схематически показана соединительная деталь, проиллюстрированная на фиг.6, в процессе формирования угла между стенкой резервуара и его крышей.
На фиг.8 схематически проиллюстрировано то, как может быть образован угол между двумя стенками резервуара.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан вид в плане емкости с двойными стенками с наружной стенкой 1, внутренней стенкой 2 и внутренними стяжками 3, соединяющими противоположные стенки резервуара. Стенки резервуара образованы путем сваривания вместе горизонтальных отрезков 4 балки, имеющих Н-образную форму поперечного сечения, при этом указанные отрезки балки уложены один поверх другого и соединены вместе вдоль своих прилегающих продольных кромок, а на своих торцевых поверхностях упираются в другие торцевые поверхности отрезков 4 балки или соединительные детали, что на фиг.1 указано номером позиции 5. Стяжки 3 присоединены к соответствующим стенкам в местах стыков 5 при помощи косынок 6. Следует понимать, что стяжки 3 существенно уменьшают выпячивание стенок резервуара под действием на них внутреннего давления находящейся в резервуаре текучей среды. Кроме того, стяжки 3 фактически образуют перфорированные «переборки», уменьшающие перемещение груза, известное как плескание, когда этот резервуар представляет собой грузовой резервуар, находящийся в судне, которое во время плавания испытывает бортовую или килевую качку.
На фиг.2 показано поперечное сечение через часть днища и боковой стенки резервуара, показанного на фиг.1. На фиг.2 показано то, как отрезки 4 двутавровой балки установлены один поверх другого так, что их параллельные полки 7, 8 образуют наружную и внутреннюю стенки 1, 2 резервуара с двойными стенками. Полки 7, 8 отрезков балки соединены горизонтальной перемычкой 9, что более наглядно показано на фиг.4. Косынки 6, обеспечивающие присоединение стяжек 3 к внутренней стенке 2, установлены на одном уровне с перемычкой 9 так, чтобы образовать продолжение перемычки на внутренней стороне резервуара, таким образом обеспечивая передачу растягивающей нагрузки от соответствующей стяжки 3 в ту область отрезка 4 балки, в которой существует возможность лучше всего воспринимать такую нагрузку.
На фиг.3 показано увеличенное изображение области, обведенной на фиг.1 окружностью и обозначенной как III. На этом виде сверху показаны два отрезка 4 балки, сваренные вместе на их наружных и внутренних полках 7, 8 при помощи сварных швов 10. В этой области в перемычках 9 отрезков балки сделаны вырезы для образования первого отверстия 11 с плавным и скругленным контуром. Таким образом, в области стыка 5 отсутствует сварной шов, который проходил бы между полками 7, 8.
Также на фиг.3 показано, что отрезок 4 балки снабжен продольным ребром 12, которое, как это лучше видно на фиг.4, расположено на внутренней полке 8 как наружное продолжение перемычки 9. К ребру 12 в точке 13 приварена косынка 6, которая проходит, равномерно сужаясь, на существенное расстояние по каждую сторону от области стыка 5. Следовательно, косынка 6 обеспечивает то, что нарушение непрерывности перемычек 9 в области стыка 5 не ухудшает прочность соединения в стыке. Форма косынки 6 также обеспечивает то, что на ее свободной кромке при передаче циклических нагрузок от стяжек 3 не образуются трещины. К тому же, для того, чтобы не допустить образования и распространения трещин в области внутреннего сварного шва 10, в ребре 12 и косынке 6 проделано второе отверстие 14, примыкающее к этому сварному шву.
Косынку 6 предпочтительно приваривают к ребру 12 перед прикреплением к ней стяжки 3. Кроме того, если это целесообразно с точки зрения изготовления, косынка 6 может быть разделена на две симметричные части, каждую из которых приваривают к соответствующему отрезку 4 балки перед тем, как отрезки балки соединяют в стыке 5, после чего составные части косынки сваривают вместе перед прикреплением к стяжке 3. Стяжка может крепиться к косынке 6 при помощи некоторых средств (не показанных), например, расположенных на каждой стороне перемычки 15 стяжки. Это приводит к поглощению силы, действующей между стяжкой 3 и косынкой 6, главным образом как силы трения, создаваемой в области контакта между косынкой 6 и соответствующей полкой 16 стяжки 3 (на фиг.2 показано, что стяжки 3 являются двутавровыми балками).
На фиг.4 показано увеличенное поперечное сечение, сделанное вдоль секущей линии IV-IV, обозначенной на фиг.3. Также это изображение может рассматриваться в качестве увеличенного изображения левого верхнего угла резервуара, показанного на фиг.2.
На фиг.4 проиллюстрированы два отрезка 4 балки, соединенные вместе сварными швами 17 вдоль прилегающих продольных кромок наружной 7 и внутренней 8 полок. Здесь различимы перемычки 9, проходящие между полками 7, 8, равно как и проделанные в перемычках отверстия 11. На внутренней стороне внутренней полки 8 видны ребро 12, выполненное как продолжение соответствующей перемычки 9, а также сварной шов 13 между ребром 12 и соответствующей косынкой 6. Кроме того, также показано второе отверстие 14.
Кроме того, на фиг.4 показан конец стяжки 3, закрепленный между двумя косынками 6 при помощи болтов, указанных здесь только их линиями центров. Следует отметить, что стяжка 3 оканчивается на расстоянии от внутренних полок 8, которое примерно в пять раз больше ширины ребра 12, в то время как радиус второго отверстия 14 приблизительно равен ширине ребра. Таким образом, наличие этого отверстия 14 также не допускает возникновения концентрации напряжений в сварном шве 13.
На фиг.4 показаны относительные размеры различных составных частей, взятых из реально существующего устанавливаемого на судне резервуара для сжиженного природного газа высотой около 30 метров. Толщина полок, перемычек и ребер как отрезков 4 балки, так и стяжки 3 равна 10-12 мм, ширина полок 7, 8 равна 400 мм, а промежуток между ними равен 270 мм. Перемычка расположена со смещением относительно центра между кромками полок 7, 8, так что более короткое расстояние от перемычки 9 до ближайшей кромки полки составляет около половины большего расстояния до другой кромки полки. За счет этого сварной шов 17 располагается рядом с точкой прогиба внутренней стенки 2, когда она подвергается воздействию гидростатического давления со стороны груза. С этой точки зрения смещение от центра полки может быть даже больше, но данное более короткое расстояние между перемычкой 9 и сварным швом 17 выбрано именно таким для того, чтобы обеспечить достаточное пространство для выполнения сварного шва 17, который предпочтительно выполняют сваркой трением с перемешиванием.
Согласно поставленной перед настоящим изобретением задаче также важно избежать концентраций напряжений и распространения усталостных трещин в углах резервуара. Следовательно, простое соединение «в ус», при котором сваривают вместе полки и перемычки отрезков балки, было бы неудовлетворительно. Следовательно, для таких целей изобретением предложены специальные соединительные детали или балки.
На фиг.5 показаны симметричные части балки в виде двух одинаковых отрезков 18, установленные так, чтобы образовать симметричную конструкцию перед свариванием вместе для образования соединительной детали 19, показанной на фиг.6. Симметричные части 18 изготавливают из экструдированного алюминиевого материала. Причина, по которой проводят сваривание вместе двух таких балок вместо экструдирования балки напрямую, заключается в том, что очень затруднено экструдирование балки с полым участком 20, который здесь имеет форму прямоугольного треугольника. Малые стороны треугольного участка 20 имеют отходящие от них параллельные выступы 21, 22, при этом величина свободного пространства между указанными выступами равна ширине перемычки 9 отрезков 4 балки.
На фиг.7 показано то, как промежуточная деталь 19 входит в угол между боковой стенкой и крышей 23 резервуара. Здесь крыша образована из отрезков балки, аналогичных отрезкам 4 балки стенок резервуара, и в области сваривания в перемычке опять-таки сделан вырез.
На фиг.8 предложено более простое решение по созданию угла, которое особенно подходит для вертикальных углов между боковыми стенками резервуара. По своей сути это соединение «в ус», но в перемычках 9 отрезков 4 балки выполнены вырезы, как в других стыках между балками, а ослабление, вызванное таким образованием вырезов, компенсируется за счет размещения плоской пластины 24 между торцевыми поверхностями соединяемых вместе полок 7, 8.
Следует понимать, что изобретение не ограничено приведенными иллюстративными вариантами выполнения, показанными на чертежах и описанными выше по тексту, и что оно может быть модифицировано и изменено в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. Таким образом, могут применяться способы и средства соединения элементов резервуара, иные, чем сваривание и болтовое соединение, такие как склеивание или соединение на заклепках. Кроме того, для уменьшения отрицательного воздействия незначительных различий в размерах или легкого искривления отрезков балки на их подлежащих соединению торцевых поверхностях, между указанными поверхностями может быть вставлена промежуточная деталь, например, в виде отрезка двутавровой балки. В таких случаях на каждой стороне отрезка двутавровой балки в области сварки конструкцией должно быть предусмотрено выполнение второго отверстия.