Главная » Литература » Стальные конструкции » Лессиг, Лилеев, Соколов - Листовые металлические конструкции
Лессиг, Лилеев, Соколов - Листовые металлические конструкции
В монографин содержатся материалы, необходимые для проектирования металлических листовых конструкций различного назначения: резервуаров, газгольдеров, бункеров, силосов, напорных трубопроводов и др., а также металлических конструкций доменных цехов.
Рассмотрены теоретические основы расчета пластинок и оболочек, включая вопросы учета краевого эффекта и температурных воздействий. Приведены основные сведения об изготовлении, транспортировании и монтаже металлических листовых конструкций.
Книга рассчитана на инженеров-проектировщиков.
ОТ АВТОРОВ
Объем применения листовых конструкций в общем объеме металлических конструкций непрерывно возрастает. Тенденция более быстрого развития листовых конструкций по сравнению со стержневыми вполне закономерна и объясняется современным направлением развития строительной индустрии в СССР. Замена металлических листовых конструкций железобетонными не всегда рациональна, а во многих случаях и невозможна (доменные печи, резервуары для хранения бензина и сжиженных газов под давлением, изотермические резервуары, газгольдеры, магистральные и заводские газонефтепродуктопроводы, трубопроводы гидравлических, тепловых и атомных электростанций, промышленные газовоздухопроводы, листовые конструкции • аппаратов химической и нефтеперерабатывающей промышленности и многие другие специальные листовые конструкции).
В литературе недостаточно освещены вопросы выбора оптимальных конструктивных форм и принципов рационального проектирования металлических листовых конструкций. Цель монографии — частично восполнить этот пробел и осветить основные вопросы проектирования, изготовления, транспортирования и монтажа металлических листовых конструкций.
В книге отражены те изменения, которые произошли в области совершенствования листовых конструкций со времени выхода в свет 1-го издания.
Главы 1, 3, 4, 11 написаны Е. Н. Лессигом, главы 2, 5, 6, 10, 12, 13, 14, 21 —А. Г. Соколовым, главы 7, 8, 9, 16—20 — А. Ф. Лилеевым, глава 15 — А. Г. Соколовым и А. Ф. Лилеевым совместно.
Часть I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
Глава 1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
§ 1. ЗНАЧЕНИЕ ЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ СССР И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ
Листовые конструкции представляют собой емкостные конструкции, состоящие из металлических листов и предназначенные для хранения, транспортирования, перегрузки и переработки жидкостей, газов и сыпучих материалов.
Листовые конструкции широко применяются во всех отраслях народного хозяйства и составляют по весу около 30—35% всех металлоконструкций (не считая судостроения), изготовляемых в Советском Союзе.
Скоростное строительство цельносварных доменных печей позволяет в кратчайшие сроки вводить в эксплуатацию новые мощности, а создание новых типов резервуаров для сырой нефти и бензина значительно сокращает потери от испарения и обеспечивает количественную и качественную сохранность их содержимого. Большое народнохозяйственное значение приобрело строительство листовых конструкций для нефтеперерабатывающей, газовой и химической промышленности: цилиндрических и шаровых резервуаров, газгольдеров, бункеров, колонных и горизонтальных аппаратов, электрофильтров, электродегидраторов, дымовых труб, вентиляционных труб, градирен, магистральных трубопроводов большого диаметра и других специальных конструкций.
Скоростные методы изготовления и монтажа напорных трубопроводов гидроэлектрических станций и циркуляционных водоводов тепловых и атомных электростанций в значительной степени предопределяют сокращение сроков строительства этих объектов.
От типа и размеров листовых конструкций зависят их эксплуатационные качества (величина потерь от испарения жидкостей, хранимых в резервуарах; эксплуатационные расходы резервуарных и газгольдерных парков; надежность и долговечность конструкций; расходы на защиту от коррозии и др.) и стоимость строительства, определяемая расходом металла и других строительных материалов, топлива, электроэнергии, а также затраты труда и транспортные расходы при изготовлении, перевозке и монтаже конструкций. Экономия металла, обеспечение технологичности при изготовлении, ускорение монтажа и улучшение эксплуатационных качеств листовых конструкций являются основой их рационального проектирования.
Непрерывный рост всех отраслей народного хозяйства СССР требует интенсивного развития листовых конструкций, которое должно идти по пути изыскания оптимальных конструктивных форм и размеров, совершенствования методов расчета и разработки передовых методов изготовления и монтажа. Снижение трудоемкости изготовления листовых конструкций может быть достигнуто созданием специализированных заводов металлических листовых конструкций, оснащенных высокопроизводительным оборудованием и современными средствами контроля сварных швов и околошовной зоны (просвечивание рентгеновскими лучами; ультразвуковая дефектоскопия; люминесцентный метод контроля; магнитографический способ проверки качества стыковых швов и др.).
§ 2. НОМЕНКЛАТУРА ЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ИХ ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
Номенклатура металлических листовых конструкций по назначению:
1) резервуары для хранения жидкостей (рис. 1.1);
2) газгольдеры для хранения газов (рис. 1.2);
3) бункера и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов (рис. 1.3);
4) трубопроводы большого диаметра для транспортирования газов, жидкостей и размельченных или разжиженных твердых веществ (рис. 1.4);
5) листовые конструкции доменных цехов и газоочисток (рис. 1.5);
6) дымовые и вентиляционные трубы;
7) специальные листовые конструкции химической и нефтезаводской аппаратуры (рис. 1.6);
8) барабанные вращающиеся печи для обжига твердых веществ;
9) линейные ускорители протонов и другие листовые конструкции физических установок.
Листовые конструкции по сравнению с другими металлическими конструкциями имеют следующие основные особенности:
1. Швы листовых конструкций должны удовлетворять требованиям не только прочности, но и плотности (непроницаемости), и качество их должно быть еще выше, чем в обычных строительных конструкциях.
2. Листовые конструкции представляют собой сплошные тонкостенные емкостные конструкции, что обусловливает их двухосное напряженное состояние, тогда как стержни сквозных строительных конструкций испытывают обычно одноосное напряженное состояние.
3. В сопряжениях различных оболочек листовых конструкций и в защемлении оболочек у колец жесткости и у днищ возникают локальные напряжения краевого эффекта, которые необходимо учитывать при проектировании.
4. Листовые конструкции всегда совмещают функции несущих и ограждающих конструкций.
5. Условия работы листовых конструкций весьма разнообразны: они могут быть надземными, наземными, полузаглубленными, подземными; могут воспринимать статическую и динамическую нагрузки, работать под низким, средним и высоким давлением, под вакуумом, под воздействием низких (от —254 до —40°С), средних (от —40 до +200°С) и высоких (более 200° С) температур, под действием нейтральных и агрессивных сред и т. д.
6. Листовые конструкции характеризуются относительно большой протяженностью соединений, превышающей на одну тонну примерно вдвое протяженность швов обычных металлоконструкций.
7. При изготовлении листовых конструкций применяются операции, не требующиеся при производстве обычных металлоконструкций: фасонный раскрой листового проката; вальцовка листовых заготовок, обечаек и колец; изготовление рулонных заготовок; штамповка, отбортовка и обкатка габаритных выпуклых днищ; сборка и сварка габаритных цилиндрических конструкций на роликовых стендах и др.
8. Основной тип сварных соединений листовых конструкций —соединение встык, причем все швы должны выполняться либо двусторонней сваркой, либо односторонней сваркой с подваркой корня или на подкладке.
9. Для цилиндрических и шаровых листовых конструкций, работающих под высоким давлением, применяются крупноразмерные листы шириной до 3000 и длиной до
10. Возможность использования для листовых конструкций толщиной до
11. Автоматическая сварка применяется при монтаже негабаритных листовых конструкций.
12. Электрошлаковая сварка применяется при монтаже для вертикальных стыковых швов и швов, расположенных под углом до 45°, в конструкциях из листов толщиной 20—50 мм.
13. Возможность использования для специальных листовых конструкций не только стали, алюминия и алюминиевых сплавов, но и биметалла, меди, латуни, титана, никеля, металлопласта и других материалов.
Развитие листовых металлических конструкций позволит внедрить двуслойные и трехслойные корпуса вертикальных цилиндрических резервуаров большой емкости, крупные шаровые резервуары, трубопроводы высокого давления, аппараты нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Возможно также использование предварительного напряжения листовых конструкций путем обжатия оболочки высокопрочной проволокой.
§ 3. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
При выборе материала для листовых конструкций необходимо учитывать его физико-механические свойства, химический состав и структуру, а также условия эксплуатации, технологию изготовления и монтажа конструкции и опыт проектирования, изготовления, строительства и эксплуатации листовых конструкций.
Кроме углеродистых и низколегированных сталей (Ст.З, 14Г2, 10Г2С1, 10Г2СД, 15ХСНД), используемых для обычных металлических конструкций, для листовых конструкций применяют: стали марок 20К (ГОСТ 5520—62), 09Г2С 16ГС (ГОСТ 5058—65), 12МХ, 12ХМ (ЧМТУ 5759—57), Х5М, Х18Н10Т,Х18Н12Т,Х17Н13М2Т,Х17Н13МЗТ,0Х18Н10Т, 0Х18Н12Т (ГОСТ 5632—61), термоупрочненные стали классов С45 (марка 16Г2АФ), С50 (марки 15ХСНД, 15Г2СФ, 15Г2СФР), С60 (марки 12Г2СМФ, 14ГСМФР, 14ГСХНМФР, 15ХГ2СМФР), С75 (марки 12ХГ2СМФ, 15ХГ2СМФР), двухслойные стали (Ст.З+Х18Н10Т; 20К+ + Х18Н10Т; 20К+Х17Н13М2Т; Ст. 3 + 0X13; 20К+0Х13; 12МХ + 0Х13); стали, стойкие против водородной коррозии под давлением B5ХЗНМ, 20ХЗМВФ), стали, стойкие против коррозии раствором и расплавом карбамида (Х18Н12МЗТ; Х17Н16МЗТ), металлопласт (углеродистая сталь, покрытая пластмассой со стороны агрессивной среды), алюминий и алюминиевые сплавы, медь, латунь, титан, никель, свинец, пластмассы и некоторые другие материалы.
Такие стали, как 0X13, 0Х18Н10Т, 0Х18Н12Т, 0Х23Н28М2Т, 0Х21Н6М2Т и 0Х23Н28МЗДЗТ, применяют в условиях повышенной агрессивности среды несмотря на их меньшую прочность по сравнению с аналогичными сталями, имеющими большее содержание углерода AX13, Х18Н10Т, Х18Н12Т, Х23Н28М2Т, Х21Н6М2Т, Х23Н28МЗДЗТ).
Так, для хранения едкого кали применяют листовые конструкции из стали 0X13, кремнефтористоводородной кислоты — из стали 0Х23Н28МЗДЗТ, фосфорной кислоты — из стали 0Х23Н28М2Т, щавелевой кислоты — из стали 0Х21Н6М2Т. Эти стали обеспечивают большую долговечность конструкций в результате значительного повышения коррозионной стойкости сплава в данной среде.
Эффективным способом повышения стойкости против коррозии в азотной кислоте и других агрессивных средах является снижение содержания углерода до 0,03% и менее. В настоящее время в ГОСТ 5632—61 введена нержавеющая сталь марки 00Х18Н10 с содержанием углерода до 0,04%- Промышленностью освоен выпуск листовой стали марки 000Х18Н10 с содержанием углерода менее 0,03%.
Скорость коррозии стали 000Х18Н10, содержащей менее 0,03% углерода, после закалки и последующего нагрева при 650° С в течение часа в кипящей 65%-ной азотной кислоте составляет 0,25 мм/год, а обычной нержавеющей стали Х18Н10Т с содержанием углерода 0,08% при тех же условиях 2 мм/год.
Содержание ванадия в количестве 1,2—2,3% предотвращает межкристаллитную коррозию стали в области высоких температур (до 800°С). Институты НИИХиммаш и ЦНИИЧермет рекомендуют применять в листовых конструкциях для хранения и переработки соляной, серной и фосфорной кислот (при определенных концентрациях и температурах) сплав Н70М27Ф с указанным содержанием ванадия.
Одним из основных путей снижения стоимости специальных листовых конструкций и экономии дефицитных металлов является проектирование химической и нефтяной аппаратуры из двухслойной стали. В настоящее время, помимо уже применяющихся биметаллов с плакирующим слоем из сталей 0X13, Х18Н10Т и Х17Н13М2Т, освоен выпуск биметаллов с плакирующим слоем из стали 0Х23Н28МЗДЗТ, никеля, меди и ее сплавов.
Опытами НИИХиммаш установлено, что по стойкости против межкристаллитной коррозии биметаллы с плакирующим слоем из сталей Х18Н10Т, Х17Н13М2Т и 0Х23Н28МЗДЗТ не отличаются от соответствующих монометаллов, а по стойкости против коррозионного растрескивания даже несколько превосходят их. Толщина двухслойной стали (ГОСТ 10 885—64) изменяется от 8 до
Основные характеристики некоторых материалов, наиболее часто применяемых для листовых конструкций, приведены в табл. 1.1, а химический состав и механические характеристики сталей — в табл. 1.2. Выбор материала листовой конструкции в большой степени зависит от его коррозионной стойкости по отношению к данной агрессивной среде и области его применения.
К новым конструкционным металлам, используемым в химическом и нефтезаводоком аппаратостроении, относятся титан и его сплавы; им, несомненно, принадлежит большое будущее. Титан почти вдвое легче стали и в три раза менее теплопроводен, чем сталь. Он имеет малый коэффициент линейного расширения (а =0,000008). Его сплавы в несколько раз прочнее алюминиевых и превосходят по прочности некоторые легированные стали. Титан и его сплавы обладают очень высокой стойкостью против действия многих агрессивных сред и высоких температур, приближаясь по коррозионной стойкости к платине. Из титана и его сплавов рационально изготовлять теплообменную и конденсационно-холодильную аппаратуру нефтеперерабатывающих заводов, автоклавы для переработки горячих газов и другие аппараты, работающие в условиях агрессивной среды и высокого давления в широком диапазоне температур (от—254 до +475°С).
В зависимости от условий эксплуатации и свойств материалов листовые конструкции рассчитывают по временному сопротивлению, пределу текучести или пределу длительной прочности.
Согласно «Нормам и методам расчета на прочность сосудов и аппаратов» [124] коэффициенты запаса прочности принимаются равными по временному сопротивлению пв =2,6 для сталей и пв=3,5 для цветных металлов и сплавов, по пределу текучести пт = 1,5, по пределу длительной прочности пд =1,5.
Пределом длительной прочности является напряжение, вызывающее при заданной температуре разрушение образца за определенное время. Предел длительной прочности согласно ГОСТ 10145—62 обозначают Тд с нижним числовым индексом, означающим время в часах до разрушения образца под указанным напряжением, и верхним индексом, указывающим температуру испытания в градусах Цельсия, например Од?Ю5 (среднее значение предела длительной прочности за 100000 ч при 600°С).
Проверка по пределу длительной прочности производится в случаях, когда расчетная температура стенки листовой конструкции превышает:
для углеродистых сталей 380° С
» низколегированных и теплостойких сталей . 420° С
» аустенитных сталейJ 525° С
» алюминия 100° С
При повышении положительной температуры снижаются показатели физико-механических свойств материалов (временное сопротивление, предел текучести, предел длительной прочности, модуль упругости).
Расчетные сопротивления углеродистых сталей марки 20К при повышении температуры до 475° С снижаются до 690 кГ/см2, а низколегированных марок 09Г2С и 16ГС—до 955 кГ/см2 (рис. 4.3). При отрицательных значениях расчетных температур расчетные сопротивления принимаются такими же, как и при 20° С. В указанные значения расчетных сопротивлений не включен коэффициент условий работы т. Расчетные значения модуля упругости для углеродистых и низколегированных сталей также снижаются до 1,4 • 106 кГ/см2 при 450° С (рис. 4.2). При отрицательных температурах расчетные значения модуля упругости принимаются такими же, как и при нулевой температуре. Расчетная температура открытой стенки листовой конструкции принимается равной температуре среды, соприкасающейся со стенкой. Расчетная температура стенки, защищенной слоем изоляции, принимается увеличенной на 20 по сравнению с температурой поверхности изоляции, соприкасающейся со стенкой.
Для листовых конструкций с температурой стенки, достигающей 1100° С, можно использовать жаропрочную сталь марок Х23Н18, 0Х23Н18 (ГОСТ 5632—61) и Х23Н18С2 (ТУ 3225—52).
При проектировании листовых конструкций из цветных металлов и сплавов необходимо учитывать, что нагрев при сварке и пайке снимает упрочнение, полученное в холодном состоянии. Для расчета листовых конструкций из таких металлов и сплавов следует принимать механические характеристики, соответствующие их отожженному состоянию.
§ 4. СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИИ
В листовых конструкциях применяются все четыре основных типа сварных соединений: угловое соединение, встык, впритык и внахлестку. Соединение встык без накладок обеспечивает наибольшие возможности для экономии металла и электродной проволоки, оптимальные условия работы, а также наилучшие условия для контроля качества швов и околошовной зоны физическими методами. Швы габаритных стальных листовых конструкций, выполняемые на заводе металлоконструкций, проектируют обычных сечений (рис. 1.7 и 1.8,а, б). Стыковые швы негабаритных стальных листовых конструкций (монтажные швы) приведены на рис. 1.8,в.
Типы и размеры сварных швов алюминиевых листовых конструкций изображены на рис. 1.9, который может быть использован и при проектировании сварных соединений листовых конструкций из других цветных металлов и сплавов (меди, латуни, титана, никеля, монеля).
Зазоры между кромками стыкуемых листов и вид кромок зависят от характеристик применяемого металла (сталь, алюминий, медь, латунь, никель, титан и др.), вида сварки (ручная электродуговая; автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом или по слою флюса; электрошлаковая; ручная, механизированная и автоматическая аргонодуговая; автоматическая и полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа; газовая сварка) и толщины соединяемых листов.
При ручной электродуговой сварке зазор между кромками листов равен от 1 до
Зазор между кромками листов при ручной электродуговой и аргоно-дуговой сварке алюминия изменяется от нуля до