Плоские и конические отбортованные днища

Днища емкостей и аппаратов являются важным конструктивным элементом любого сосуда, так как именно оно воспринимает все нагрузки от внутреннего давления. Результатом нагрузок становится образование растягивающего напряжения, которое не должно привести к разгерметизации корпуса. На способность выдерживать высокое давление также влияет толщина днища и свойства металла.

Чтобы место соединения днища и корпуса было прочным, в зависимости от рабочего давления емкости снабжаются той или иной конструкцией днищ (плоской, конической, эллиптической, сферической). Отбортовка днищ также способствует сохранению целостности сосуда.

В данной статье мы сравним плоские и конические отбортованные днища, так как именно они наиболее широко применяются при производстве горизонтальных резервуаров (в соответствии с ГОСТ 17032-2010 "Резервуары стальные горизонтальные для нефтепродуктов. Технические условия").

Отбортовка: что это и зачем нужна?

Отбортовка днищ получается за счет фланжирования края днища по всему диаметру. Простыми словами, края днища "загибаются", образуя цилиндрический борт с расчетным радиусом кривизны.

Отбортовка позволяет вынести сварное соединение днища и корпуса за пределы зоны, максимально подверженной нагрузкам от давления. А отсутствие нагрузок на изгиб исключает формирование застойных зон. В результате этого конструкция становится жесткой, что означает возможность использования обечаек меньшей толщины (по сравнению с неотбортованными днищами).

Отбортовка днищ представляет собой загиб кромок круглой заготовки с заданным радиусом кривизны. Выполняется на фланжировочных станках за счет растяжения металла. Качество отбортовки зависит от угла и размера (высоты) кромки. Первый этап формирования цилиндрического борта заключается в придании металлу более пластичного состояния, чтобы при изгибе не образовывались трещины. Затем происходит непосредственно фланжирование днища методом холодной обкатки, когда изделию придается расчетный радиус кривизны путем равномерного выдавливания кромки днища по формообразующему ролику. Радиус отбортовки зависит от выбранного размера ролика. Радиус отбортовки рассчитывается исходя из свойств металла, толщины металлопроката и толщины днища.

Наличие отбортовки, а именно отсутствие сварочных швов в местах максимального напряжения, позволяет использовать днища меньшей толщины по сравнению с неотбортованными типами днищ.

Конструкция отбортованных плоских и плоско-выпуклых днищ

Специфика конструкции плоских отбортованных днищ диктует сферу их применения: они могут эксплуатироваться для хранения различных жидкостей в сосудах при атмосферном давлении, под налив или при малых перепадах давлений, являться частью паровых котлов, воздухосборников и теплообменников, а также устанавливаются в качестве заглушек на трубопроводы.

Плоские днища применяются в сварных сосудах и аппаратах с рабочим давлением до 0,04 МПа и диаметром до 1200 мм.

Конструктивно они представляют собой плоскую круглую часть и цилиндрический отбортованный элемент, который приваривается к стенке сосуда и должен быть не меньше толщины обечайки.

DН-наружный диаметр плоского днища D-внутренний диаметр плоского днища Rб-радиус отбортовки Sд-толщина днища h1-высота отбортовки H-общая высота днища

В аппаратостроении выделают плоско-выпуклые днища емкостей*, которые устанавливаются на автоцистерны и горизонтальные емкости. Этот тип днищ отличается небольшой выпуклостью, но недостаточной для эллиптических или сферических днищ. За счет своей конструкции они менее подвержены растяжению под влиянием внутреннего давления, что положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках.

D-диаметр плоского днища r-радиус отбортовки R-внутренний радиус кривизны h-высота отбортовки s-толщина стенки

* подробную информацию можете найти в соответствующем разделе

Для того, чтобы днище сохраняло герметичность, а растяжение металла в месте изгиба не повлияло на эксплуатационных характеристики днища, рассчитывается длина отбортовки h1, которая должна быть меньше или равной радиусу отбортовки r (по ГОСТ 34347-2017), а также выполняются расчеты на прочность по ГОСТ 34233.2-2017: max{s; 0,25s1} ≤ r ≤ {s1; 0,1D}, или радиус отбортовки (закругления) r ≥ 2,5S

Конструкция отбортованных конических днищ

Конические отбортованные днища применяются в силосных емкостях (для вертикальной выгрузки хранимого вещества), в подземных дренажных емкостях, а также горизонтальных резервуарах с внутренним избыточным давлением до 0,07 МПа.

DН-наружный диаметр днища D-внутренний диаметр днища Rб-радиус отбортовки 2a-радиус угла при вершине SД-толщина днища НД-высота конической части днища nц-высота отбортовки

Габаритные размеры типизированы и регламентируются ГОСТом 12619-78 "Днища конические отбортованные с углами при вершине 60 и 90 градусов. Основные размеры". При этом разрешается применять днища с углом в вершине конуса 2а<45º. Диаметр конуса рассчитывается исходя из свойств рабочей среды, характеристик материала днища и рабочего давления.

Согласно ГОСТ 34233.2-2017 высота отбортовки (примыкающего элемента) не должна превышать длины конического элемента.

Плоские и конические отбортованные днища: сравнение и преимущества

Учитывая то, что и плоские и конические отбортованные днища устанавливаются на емкости и аппараты с максимальным избыточным давлением 0,04 МПа и 0,07 МПа соответственно, были выполнены сравнительные расчеты, позволяющие определить, какой же тип днищ является менее металлоемким, воспринимает минимальные напряжения при одинаковых параметрах (диаметр, толщина, давление).

Список используемой литературы
ГОСТ 34347-2017 "Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия"
ГОСТ 34233.2-2017 "Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек"
ГОСТ 25215-82 "Сосуды и аппараты высокого давления. Обечайки и днища. Нормы и методы расчета на прочность"
ГОСТ 17032-2010 "Резервуары стальные горизонтальные для нефтепродуктов. Технические условия"