3.1.1. Tính thân bể chứa:
Đặc trưng vật liệu cho thân-đáy bể
Chọn vật liệu chế tạo bể chứa là thép A516M. Các thông số kỹ thuật của thép A516M:
Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của thép A516M (grade 415)
[ ]σk
a] [MP
σn
MPa][
[σ][M Pa]
H
[HB] KLR
[Kg/m3] Sd
[MPa] St
[MPa]
Độ lớn 190-210 415 220 160 7860 147 165
Chiều cao tối ưu của bể chứa được tính theo công thức B.S.SuKhop:
ln
1 1
. . . Rkh
H n
γ γ
= ∆ (3.1)
Trong đó:
Hln: chiều cao tối ưu của bể.
Rkh: cường độ tính toán của đường hàn đối đầu chịu kéo, lấy bằng cường độ chịu kéo của vật liệu: Rkh = 41500 [T/m2].
∆ : tổng chiều dày của bản đáy và mái, ∆ = 14 [mm] = 0,014 [m].
γ1 : tỷ trọng của chất lỏng (dầu) chứa trong bể, γ1 = 0,75 [T/m3].
n1 : hệ số vượt tải: n1 = 1,5.
γ : hệ số điều kiện làm việc.
Thay số vào ta được: Hln = 21,56 [m] ⇒ các phương án đưa ra có chiều cao H lựa chọn xung quanh giá trị Hln = 21,56 [m]
Đường kính tương ứng với chiều cao H là:
Bể chứa xăng
Tính D,H,s
Kiểm tra
Tính S
Tính S
Đáy bể Mái bể
Thân bể
4.
. D V
π H
= (3.2)
Trong đó:
V là thể tích bể chứa.
D là đường kính bể.
Lựa chọn kích thước bể phải thỏa mãn điều kiện:
+ Chiều cao không được quá lớn để dễ dàng cho việc chữa cháy khi có sự cố xảy ra
+ Chiều cao không được quá nhỏ vì nếu chiều cao nhỏ thì đường kính D lớn sẽ làm tăng diện tích mặt thoáng của chất lỏng, lượng chất lỏng bốc hơi sẽ lớn làm giảm độ an toàn của công trình (gây ra áp lực dư lớn) và gây ô nhiễm môi trường.
+ Tổng khối lượng thép của thân bể và đáy bể phải là nhỏ nhất.
Ta dự định trước thân bể được hàn từ các tấm thép có kích thước 1500x6000mm và chiều dày đáy bể là 10mm. Ta sẽ tính toán theo các trường hợp sau để lựa chọn ra trường hợp tối ưu nhất: Trong tính toán sơ bộ ta tính chiều dày theo phương pháp 1foot (0,3m), phương pháp này chỉ áp dụng cho bể có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 60m (200ft)
Để tiết kiệm nguyên liệu và thuận lợi cho việc lắp ghép chế tạo vỏ bể chứa, ta chia vỏ thành nhiều modun và mỗi modun có khổ là 1,5m. Chiều dày của mỗi modun được xác định dựa vào ứng suất tĩnh lớn nhất mà mỗi modun phải chịu.
Để tính chiều dày của các modun, ta tính chiều dày chịu áp suất thủy tĩnh của mỗi modun và chiều dày thử áp suất thủy tĩnh, từ đó chọn lấy giá trị lớn hơn trong 2 giá trị đã tính, và từ đó chọn chiều dày của mỗi modun theo tiêu chuẩn.
Theo phương pháp này thì chiều dày thành bể được tính toán theo công thức sau:
+ Trong điều kiện thiết kế:
4,9. .( 0,3). 1 d
d
D H G
t CA
S
= − + (3.3)
+ Trong điều kiện thử áp lực:
4,9. .( 0,3). 2 t
t
D H G
t S
= − (3.4)
Trong đó:
D: đường kính bể [m]
H: khoảng cách từ đáy của mỗi tầng đến mặt thoáng chất lỏng [m]
G: trọng lượng riêng của chất lỏng (gồm 2 trường hợp là chất lỏng thiết kế và nước thử áp lực) [m]
CA: chiều dày ăn mòn cho phép lấy bằng 2mm (theo API650[1])
Sd, St: ứng suất cho phép trong điều kiện thiết kế và trong điều kiện thử áp lực [Mpa]
Kết quả tính toán như sau:
Bảng 3.2: Phương án 1: H = 20[m], D = 42 [m].
Modu n thứ n
Khoảng cách [mm]
Chiều cao
[mm] td
[mm] ttn [mm] tmax[mm] tc[mm] Khối lượng thép [T]
1 1500 1500 20.6 22.1 22.1 24 23.76
2 1500 3000 19.0 20.2 20.2 22 21.78
3 1500 4500 17.4 18.3 18.3 20 19.80
4 1500 6000 15.9 16.5 16.5 18 17.82
5 1500 7500 14.3 14.6 14.6 16 15.84
6 1500 9000 12.7 12.7 12.7 14 13.86
7 1500 10500 11.1 10.9 11.1 12 11.88
8 1500 12000 9.6 9.0 9.6 10 9.90
9 1500 13500 8.0 7.1 8.0 8 7.92
10 1500 15000 6.4 5.2 6.4 8 7.92
11 1500 16500 4.8 3.4 4.8 8 7.92
12 1500 18000 3.3 1.5 3.3 8 7.92
13 2000 20000 1.7 1,5 1.7 8 7.92
Tổng 176.18
Bảng 3.3 : Phương án 2: H = 25[m], D = 38 [m].
Modu n thứ n
Khoảng cách [mm]
Chiều cao
[mm] td [mm] ttn [mm] tmax[mm] tc[mm] Khối lượng thép [T]
1 1500 1500 23.1 23.1 23.1 26 29.11
2 1500 3000 21.7 23.4 23.4 24 26.87
3 1500 4500 20.2 21.7 21.7 22 24.63
4 1500 6000 18.8 20.0 20.0 20 22.39
5 1500 7500 17.4 18.3 18.3 20 22.39
6 1500 9000 16.0 16.6 16.6 18 20.15
7 1500 10500 14.5 14.9 14.9 16 17.91
8 1500 12000 13.1 13.2 13.2 14 15.67
9 1500 13500 11.7 11.5 11.7 12 13.43
10 1500 15000 10.3 9.8 10.3 12 13.43
11 1500 16500 8.8 8.1 8.8 10 11.19
12 1500 18000 7.4 6.4 7.4 8 8.95
13 1500 19500 6.0 4.7 6.0 8 8.95
14 1500 21000 4.6 3.0 4.6 8 8.95
15 1500 22500 3.1 1.4 3.1 8 8.95
16 2500 25000 1.7 1.4 1.7 8 8.95
Tổng 261.95
Bảng 3.4 : Phương án 3: H = 22,5 [m], D = 40 [m].
Modu n thứ n
Khoảng cách [mm]
Chiều cao [mm]
td [mm] ttn [mm] tmax[mm] tc[mm] Khối lượng thép [T]
1 1500 1500 22.0 23.7 23.7 26 23.45
2 1500 3000 20.5 21.9 21.9 24 23.33
3 1500 4500 19.0 20.1 20.1 22 23.33
4 1500 6000 17.5 18.4 18.4 20 21.21
5 1500 7500 16.0 16.6 16.6 18 19.09
6 1500 9000 14.5 14.8 14.8 16 16.97
7 1500 10500 13.0 13.0 13.0 14 14.85
8 1500 12000 11.5 11.2 11.5 12 12.73
9 1500 13500 10.0 9.4 10.0 10 10.60
10 1500 15000 8.5 7.7 8.5 10 10.60
11 1500 16500 7.0 5.9 7.0 8 8.48
12 1500 18000 5.5 4.1 5.5 8 8.48
13 1500 19500 4.0 2.3 4.0 8 8.48
14 1500 21000 2.5 0.5 2.5 8 8.48
15 1500 22500 1.0 0.5 1.0 8 8.48
Tổng 224.83
Từ những tính toán như trên nhận thấy trường hợp 3 (H =20 m, D = 42m) có tổng khối lượng thép là nhỏ nhất tuy nhiên đường kính D là tương đối lớn ứng với tăng diện tích mặt thoáng của chất lỏng và chất lỏng bốc hơi lớn làm tăng áp suất dư gây nguy hiểm và thiệt hại kinh tế. Vậy ta chọn kích thước bể theo phương án 2.
H = 22,5 [m]
D = 40 [m]
V = 25 000 [m3]
3.1.2. Tính đáy bể chứa:
Đáy bể tựa trên nền cát và chịu áp lực chất lỏng. Ứng suất tính toán trong đáy không đáng kể nên chiều dày của tấm đáy được chọn theo các yêu cầu của cấu tạo khi hàn và chống ăn mòn.
Phần chính của đáy (khu giữa), gồm các tấm thép có kích thước lấy theo các tấm thép định hình (1500 x 6000 m).
Phần viền ngoài (vành khăn) cần được tính toán cụ thể theo tiêu chuẩn API650[1].
Đường kính đáy phải lớn hơn đường kính bể tối thiểu là 100 mm.
Tính toán chiều dày đáy bể
Theo API 650[1] (phần 3.4.1) chiều dày tối thiểu của đáy bể chưa kể ăn mòn là 6 mm. Vậy chiều dày của đáy bể là:
tb = 6+CA = 6+2 =8 [mm]
Chọn tb = 10 [mm].
Trong thiết kế bồn bể chứa, thông thường bề dày đáy bể lấy bằng bề dày tầng thân đầu tiên để đảm bảo sức chứa của bể. Như vậy, ta chọn chiều dày của đáy bể là 26(mm)
Tính toán chiều dày tấm vành khăn.
Chọn đáy có dạng hình vành khăn, chiều dày của tấm hình vành khăn là 10mm, thêm hệ số ăn mòn 2mm, vậy chiều dày đáy hình vành khăn là:
tb = 10+ 2 = 12 [mm]
chọn tb = 12 [mm]
Theo mục 3.3.2 của tiêu chuẩn API 650[1].
Khoảng cách giữa thành trong của bể và mối hàn chồng ≥ 600 mm.
Tấm vành khăn phải nhô ra khỏi ít nhất là 100 mm.
Trong trường hợp độ rộng của tấm vành khăn lớn hơn yêu cầu thì tính toán theo công thức sau:
0,5
215 ( . )
ta
H G (3.5)
Trong đó:
tba là chiều dày của tấm vành khăn.
H là chiều cao lớn nhất của mực chất lỏng chứa trong bể.
G là tỷ trọng chất lỏng chứa trong bể.
0,5 0,5
215 215×12
( . ) (20× 0,75) 666 ta
H G = =
[mm]
Chọn kích thước của tấm vành khăn sao cho phù hợp với kích thước của tấm thép sản xuất thực tế. Vì vậy chọn bề rộng của tấm vành khăn là 1500 mm, phần nhô ra phía ngoài bể là 200 mm.
Hình 3.1: Bố trí lắp ghép đáy bể chứa
3.1.3. Tính mái che bể chứa:
Theo tiêu chuẩn API 650 khi đường kính bể chứa bằng 40m nên ta chọn mái bể chứa dạng hình cầu (dạng mái dome).
Giống như chọn bề dày đáy bể, bề dày mái bể thường lấy bằng bề dày tầng thân trên cùng . Ta có chiều dày nhỏ nhất của mái là 8 mm, khi kể đến hệ số ăn mòn ta có chiều dày thực tế của mái là:
t = 8+CA = 8+2 = 10[mm] [1] ( Phần 3.10.6)
Giá trị chiều dày không được lớn hơn 13mm (theo API phần 3.10.4.1) Vậy ta chọn chiều dày của mái là: S = 10 mm
Ta sử dụng tấm che mái panel là nhôm tấm 5052 Khối lượng riêng = 2,7 g/cm3
Mô hình mái bể dome được xây dựng bằng phần mềm RFEM.
Đôi nét về phần mềm RFEM:
- RFEM là chương trình 3D mạnh về phân tích phần tử hữu hạn, giúp cho kỹ sư kết cấu đáp ứng được các yêu cầu của ngành xây dựng dân dụng hiện đại.
- Toàn bộ các chương trình RFEM được dựa trên hệ thống các module. Chương trình RFEM chính được sử dụng để xác định kết cấu, vật liệu và tải trọng cho hệ kết cấu phẳng và không gian bao gồm các tấm, tường, vỏ và các loại khác. Tạo ra hệ kết cấu phức hợp cũng như các mô hình rắn và các phần tử liên kết là hoàn toàn có thể được.
- RFEM cung cấp các biến dạng, nội lực và lực tương hỗ cũng như ứng suất tại các điểm tiếp xúc với đất. Các module bổ sung tạo điều kiện thuận lợi cho việc nhập dữ liệu bằng cách tạo ra hệ kết cấu cũng như các liên kết một cách tự động và thực hiện các phân tích và thiết kế sâu hơn.
Hình 3.2: Mái dome bể chứa.
Hình 3.3: Momen uốn tác dụng lên mái che.
Hình 3.4: Phương biến dạng của bể khi vượt quá tải trọng cho phép.
3.1.4. Tính mái nổi bể chứa.
Lựa chọn kết cấu mái nổi cho bể.
• Giới thiệu về mái nổi.
Một vấn đề thường gặp trong quá trình lưu trữ nhiên liệu ở các bể chứa nhất là những nhiên liệu như xăng dầu là so có tính bay hơi mạnh mẽ của các loại nhiên liệu này gây ra áp lực lên mái bể, một phần lên thành bể và nguy hiểm hơn đó là việc dễ phát sinh cháy nổ, hao phí nhiên liệu, ăn mòn các kết cấu đỡ mái bể. Hạn chế sự bay hơi này là một yếu tố quan trọng trong thiết kế các loại bể chứa nhiên liệu. Có rất nhiều biện pháp khác nhau nhằm hạn chế sự ăn mòn này như sử dụng bể chứa có thiết kế thêm phao nổi (kết cấu mái nổi). Một trong những biện pháp đơn giản dễ thực hiện là sử dụng mái nổi nhất là đối với bể chứa có đường kính lớn thì mái nổi càng tỏ rõ tính ưu việt của mình, do việc thi công đơn giản, giá thành rẻ hơn việc sử dụng các loại kết cấu mái khác.
Trên thực tế có rất nhiều loại mái nổi dùng cho bể chứa, với nhiều chủng loại khác nhau được làm từ các loại vật liệu khác như: thép, nhôm, nhựa… Tuỳ theo loại nhiên liệu chứa trong bể, đường kính bể và thời gian quay vòng sản phẩm mà lựa chọn mái nổi cho phù hợp.
• Các phương án mái nổi.
Hiện nay Việt Nam có nhiều chủng loại mái nổi khác nhau được sử dụng rộng rãi cho các loại bể khác nhau. Cũng có những loại bể chứa do đặc điểm có đường kính lớn, hiện nay trong nước chưa có khả năng sản xuất cũng như thi công được hoặc có thể sản xuất nhưng giá thành cao hơn nhiều so với loại mái nổi cùng chủng loại được chào hàng của các hãng nước ngoài .
Trên cơ sở phân tích các số liệu về nhiên liệu chứa trong bể, thời gian quay vòng nhiên liệu, đường kính bể…Tham khảo các loại mái nổi của các loại bể chứa tương tự hiện có tại Việt Nam hiện nay có hai phương án chính thường sử dụng như sau.
- Phương án I
Sử dụng mái nổi làm bằng vật liệu thép, hiện nay loại mái này thường được sử dụng cho các loại bể có kích thước trung bình và nhỏ. Loại mái này được tổ hợp từ các tấm thép và chủ yếu sử dụng các liên kết hàn trong kết cấu mái bể.
Ưu điểm: tính bền vững cao, nguyên vật liệu chế tạo sẵn có và có thể chế tạo trong nhà máy rồi đem lắp ráp tại công trường, do đó có chất lượng khá tốt.
Nhược điểm: trọng lượng mái rất lớn, với những loại bể có đường kính lớn thì việc sử dụng mái thép tỏ ra kém hiệu quả và một nhược điểm thường hay gặp trong khi vận hành đó là hiện tượng cong vênh dẫn tới việc lên xuống của bể gặp khó khăn.
- Phương án II
Sử dụng mái nhôm, đây là loại mái nổi hiện đại. Hiện nay mới được sử dụng ở một số công trình tại Việt Nam. Nó đang tỏ rõ tính ưu việt cũng như sự phù hợp trong việc vận hành.
Ưu điểm: trọng lượng của mái nhỏ, kết cấu hoạt động ổn định chính xác và việc thi công rất đơn giản do kết cấu chủ yếu sử dụng các liên kết bulông. Với những bể chứa có đường kính lớn thì loại mái này tỏ rõ sự ưu việt của mình.
Nhược điểm: với những loại mái có đường kính lớn thì không thể sản xuất trong nước.
Với bể chứa dầu và xăng thể tích 25000 m3 là loại bể chứa lớn. Vì vậy việc lựa chọn kết cấu nổi bằng nhôm tỏ ra hiệu quả hơn cả.
Mô tả mái nổi bằng nhôm:
Mái nổi bằng nhôm sử dụng chủ yếu là kết cấu tấm vỏ được liên kết với nhau bằng các liên kết bulông và ốc vít. Mái nổi do được nâng đỡ bởi các ponton trụ dài đặt vuông góc với các ponton là hệ các dầm bằng nhôm, các poton được gắn với dầm bằng một đai nhôm, giữa các tấm nhôm được liên kết với nhau bằng chi tiết kẹp. Toàn bộ mái được đỡ bằng hệ thống chân đỡ.
Để đảm bảo sự thẳng đứng khi di chuyển lên xuống. Mái nổi sẽ có một hệ thống định hướng bằng cáp, theo đó di chuyển lên xuống, mái nổi sẽ trượt theo các sợi cáp này. Độ kín khít giữa mái và thành bể được đảm bảo bằng hệ thống đệm đặc biệt.
Tính toán mái nổi.
Hình 3.5: Kết cấu đặc trưng của mái nổi.
Float: phao
Tank shell: vỏ bể chứa Wiper seal: tấm chạy bịt kín Liquid level: mức chất lỏng
Primary rim plate: tấm biên chính Rim space: không gian biên Desk skin: tấm phủ bề mặt phao
Với đường kính bể chứa là 40m < 65m, ta sử dụng mới nổi 1 lớp.
Bảng 3.5: Các kết cấu mái nổi
STT Tên chi tiết Đặc điểm Vật liệu
1 Vành mái phao Thanh định hình cân xứng Hợp kim nhôm 6063-T5
2 Thanh đà sườn chính
hình chữ I 50 x 60mm 3mm web, 4mm
flange Hợp kim nhôm
6061-T6 3 Thanh định hình kẹp
tấm phủ phao 35 x30.5 deep Hợp kim nhôm
6061-T6
4 Chân chống 54mm O.D. x1.65mm Hợp kim nhôm
6061-T6
5 Phụ kiện nối góc Hợp kim nhôm
6061-T6
6 Phụ kiện nối thẳng Hợp kim nhôm
6061-T6
7 Ống lót chân chống Hợp kim nhôm
A356-T6
8 Tấm phủ bề mặt phao 2 mm x 1500mm Hợp kim nhôm 3003-H16
9 Ống phao theo tiêu
chuẩn 254mm O.D. x 1.3mm wall Hợp kim nhôm
3004
10 Ống phao 254mm x O.D 1.63mm wall Hợp kim nhôm
3004 11 Ống phao đặt biệt 254mm O.D x 1.63mm wall Hợp kim nhôm
3004 12 Nắp bịt đầu ống phao 2.0mm(non structural) Hợp kim nhôm
3004
13 Giá đỡ phao 50mm x 1mm Hợp kim nhôm
5052-H32
14 Cỏp chống tĩnh điện ỉ 3.0mm Thộp khụng rỉ
304
15 Cỏp chống xoắn ỉ 4.76mm Thộp khụng rỉ
304 16 Ốc kết nối sườn chính 5/16″ UNC Hex Bolts and nuts Thép không rỉ
304 17 Khoảng cách lỗ định vị
cho thanh kẹp tấm phủ mái phao
1/4″ UNC Hex head screws @
200mm spacing Thép không rỉ
316 18 Bề mặt bộ làm kín 1.2mm x 2438mm x 406mm Thép không rỉ
304
19 Vải chặn bay hơi 0.25mm fibreglass reinforced
Teflon Teflon
20 Vải chặn bay hơi
(0.25mm) Lớp bố bằng sợi tổng hợp và lớp
phủ bằng Urethane Urethane
Cấu trúc mái phao được thiết kế độc lập, do đó khi sửa hay bảo trì không cần tháo gỡ tấm phủ hay ống phao
Ta tính toán hệ mái phao theo lực đẩy acsimet Khối lượng của cả hệ mái phao được tính bằng:
M = m1 + m2 + m3 (3.6)
Trong đó
- Khối lượng của ống phao, kg, chọn 13 ống phao có chiều dài thay đổi từ 12000mm đến 38000mm
2 2
1
( )
4 . .
np tp
d d
m π L
− ρ
= (3.7)
Với:
m1: khối lượng ống phao [kg]
dnp: đường kính ngoài của ống phao [m], dnp = 254 mm dtp: đường kính trong của ống phao [m], dtp = 1,63 mm L: tổng chiều dài của ống phao [m]
L = (12+37,5+36+23,5+33,5+29,5).2+38+(38+37+35+31,5+27+19).2 = 757 [m]
ρ : khối lượng riêng của vật liệu làm ống phao [kg/m3],
2700kg m/ 3
ρ =
m1 =
2 2 6
(254 (254 1,63) ).10
.757.2700 1325
4 − π
− − =
[kg]
- Khối lượng tấm phao, kg
2
2 .t .
4 dp
m π
ρ
= (3.8)
Với:
m2: khối lượng tấm phao [m]
dp: đường kính bề mặt bể lắp tấm phao [m], dp = 39,6 m t: chiều dầy tấm phao [m], t = 2mm
ρ : khối lượng riêng của vật liệu làm ống phao [kg/m3],
2700 kg m / 3
ρ =
m2 = 39,62
. .0, 002.2700 6651
4 π =
[kg]
- Khối lượng các chi tiết phụ, chọn m3 = 3000 [kg]
→ Vậy tổng khối lượng mái phao M = 3000+6651+1325 = 10976 [kg]
- Phao nổi trong môi trường xăng:
P = FA
⇔ 10.M = 10.n.V.d (3.9)
Trong đó:
d: khối lượng riêng của xăng, d = 750 [kg/m3] V: thể tích phần bên ngoài ống phao [m3]
n: tỷ lệ thể tích ngập trong chất lỏng của ống phao.
→ 10976 = 750.
2 6
254 .10 4 − π.757
.n
→ n = 0,35.
3.2. Kiểm tra ổn định của bể dưới tác dụng của tải trọng gió 3.2.1. Tải trọng tác dụng lên bể
Tải trọng gió tác dụng lên bể.
Tải trọng gió tác dụng lên thân bể được tính theo công thức sau:
Fgió = cn.Wo.k.D.H (3.24) Trong đó:
Cn hệ số khí động , cn = 0,5 W0 áp lực gió, w0 = 0,95 kN/m2 D đường kính bể, D = 40 m H chiều cao bể, H = 22,5 m
Thay số: Fgió = 0,3.0,93.40.22,5= 427,5 (kN) Moment gây lật do gió:
427,5.40 8550
2 2
gio gio
M =F H = =
(kN.m) (3.25)
Tải trọng thân bể và mái bể.
Ta có khối lượng của thân bể G = 224,83 ( tấn) Vậy tải trọng thân bể W1 = 2205,6 kN
Ta lấy tải trọng mái = 300 kN
Vậy tổng tải trọng mái và thân bể chứa là: W = 300 +2205,6 = 2505,6 kN 3.2.2. Kiểm tra lật của bể
Theo mục 3.11.2 - [1] việc kiểm tra được thực hiện theo công thức sau:
M
2 .
( )
3 2
≤ W D (3.26)
Trong đó:
M moment do gió gây ra
W tổng trọng lượng của thành bể không kể ăn mòn, cộng với trọng lượng bản thân của kết cấu mái khi bể không chứa dầu (xăng)
D đường kính của bể
Thay số:
2 2505,6.40
( ) 33675
3 2 =
(kNm) > 6840 (kNm) = Mgió
Kết luận: điều kiện chống lật đảm bảo, bể không cần neo giữ.