Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние рсзсрвуаростроения в отечественной и зарубежной практике 18
L L Классификация вертикальных стальных резервуаров и материалов для их возведения 19
L1. 1. Конструктивные решения вертикальных резервуаров 19
1, L 2. Современные проектные решения надземной часта резервуаров большого объема 31
L 1. 3. Конструкции оснований, фундаментов и классификация методов уменьшения неравномерных осадок резервуаров большого объема , 37
1, h 4. Традиционные и нетрадиционные методы возведения стальных резервуаров 49
1. 2. Системный анализ аварийных ситуаций при эксплуатации резервуаров большого объема 54
1. 3. Классификация доминирующих причин разрушения резервуаров большого объема 65
1.4. Оценка эффективности существующих систем управления техническим состоянием сложных инженерных сооружений 68
Выводы по первой главе 71
Глава 2. Принципы повышения эксплуатационной надежности резервуаров большого объема 73
2. 1. Концептуальный принцип деформационного разделения работы корпуса, днища и плавающей крыши 73
2. 2. Принцип увеличения эксплуатационной надежности плаваю щей крыши и плавающих понтонов 79
2, 2. 1. Классификация плавающих покрытий 79
2. 2. 2. Новый принцип проектирования плавающих крыш 87
2.3. Принцип активного выбора деформаций грунта до монтажа рабочего днища резервуара 89
2. 4, Принцип увеличения несущей способности грунтового основания за счет активного горизонтального армирования грунта. 92
2. 5. Принцип автоматического управления напряженно-деформированным состоянием резервуара 96
Выводы по 2-й главе ЮО
Глпвл 3. Теоретические исследования новых конструктивных решений в резервуарах большого объема 102
3. 1. Предпосылки теоретических исследований 102
3, 2. Оценка напряженно-деформированного состояния цилиндрической оболочки и узла сопряжения стенки с окрайкой с оптимизацией его конструкции 104
3.2. 1. Обоснование алгоритма расчета цилиндрической оболочки и уторного узла РВС 104
3.2.2. Результаты численного эксперимента по моделированию работы нового уторного узла 138
3. 3. Комплексная оценка устойчивости корпуса резервуара большого объема при продольном сжатии 149
3.4. Оценка напряженно-деформированного состояния однодечной плавающей крыши в традиционном и новом исполнении 154
3. 5, Оценка эффективности типовых затворов и разработка новых магнитно-жидкостных и комбинированно-гибких затворов 167
3. 5. 1 Жесткие типовые уплотняющие затворы 169
3. 5. 2 Мягкие типовые уплотняющие затворы, 171
3. 5. 3 Комбинированные типовые затворы 177
3. 6. Теоретическая оценка повышения несущей способности грунтового основания армированного кольцевой преднапряжепной системой J 94
3,7. Оптимизация конструкции одиночного свайного и кольцевого фундамента с активным преднапряжеиием по грунту 203
Выводы по 3-й главе 209
Глава 4, Экспериментальное обоснование предложенных принципов повышения эксплуатационной надежности резервуаров большого объема 212
4. 1. Основные направлення экспериментальных исследований 212
4. 2. Аппаратура и методика экспериментальных исследований 212
4. 3. Экспериментальное исследование работы свайных фундаментов, преднапряжепных по грунту ь 219
4.4. Экспериментальное обоснование эффективности кольцевой системы, армирования грунтового основания РВС 232
4, 5. Экспериментальная оценка уровня остаточных и действующих кольцевых напряжений в вертикальной стенке резервуара 247
4. 6, Экспериментальная оценка напряженно-деформировного со- стояния, традиционного и нового узла сопряжения стенки ре зервуара с окрайками 253
4,7. Оценка напряженно-деформированного состояния гибкого, трансформируемого затвора для РВС большого объема 263
Выводы по 4-й главе 266
Глава 5. Аналитический метод расчета по деформациям грунтового основания армированного кольцевым преднапряженным элементом ,, 270
5. 1. Общие предпосылки расчета 270
5. 2. Обоснование расчетной схемы. 273
5, 3. Аналитический метод расчета армированного грунтового основания под РВС большого объема 278
5. 4. Результаты численного эксперимента по моделированию работы армированного грунтового основания 280
Выводы по 5-й главе 282
Глава 6, Рекомендации по возведению и эксплуатации РВС нового поко ления 283
6, L Рекомендации по устройству системы активного кольцевого армирования грунта 283
6. 2. Рекомендации по возведению надземной части корпуса РВС
нового поколения 285
6. 3. Рекомендации по активному преднапряжению системы кольцевого армирования грунта 289
6. 4. Рекомендации по устройству плавающей крыши и системы гибких трансформируемых затворов 291
6. 5. Рекомендации по эксплуатации РВС нового поколения 293
Выводы по 6-й главе 294
Глава 7. Технический мониторинг и система активного управления эксплуатационной надежностью резервуаров большого объема 295
7. 1. Анализ существующих систем автоматического управления... 295
7.2. Принципы организации мониторинга и систем управления техническим состоянием резервуаров большого объема 297
Оценка эффективности использования динамических экспертных систем управления в резервуаростроении 300
7- 4. Принципы построения системы автоматического управления эксплуатационной надежностью резервуаров большого объема 303
Выводы по 7-й главе 306
Глава 8. Технико-экономическое обоснование эффективности резервуа ров нового поколения 307
Выводы по 8-й главе 313
Заключение 314
Библиографический список
- Конструкции оснований, фундаментов и классификация методов уменьшения неравномерных осадок резервуаров большого объема
- Новый принцип проектирования плавающих крыш
- Обоснование алгоритма расчета цилиндрической оболочки и уторного узла РВС
- Экспериментальное обоснование эффективности кольцевой системы, армирования грунтового основания РВС
Введение к работе
В новом веке вопросам энергетической безопасности России уделяется все более серьезное внимание на всех уровнях законодательной и исполнительной власти. Особое ключевое место при этом занимает проблема повышения эффективности и безопасности хранения всей номенклатуры нефтепродуктов обладающих очень специфическими свойствами.
Самым распространенным типом резервуаров для хранения нефтепродуктов является вертикальный, стальной, цилиндрический резервуар (РВС), который в процессе эксплуатации подвергается много факторному комплексу внешних воздействий: статических, малоцикловых, снеговых, ветровых и гидравлических нагрузок, перепаду внешних температур и агрессивных рабочих сред, а так же неравномерным деформациям грунтового основания с локальным перенапряжением корпуса резервуара. Отсутствие системного подхода к учету многофакторности в проектировании, возведении и эксплуатации резервуаров особенно большого объема, свыше 50 тыс. м3, очень часто приводит к возникновению предаварийной, либо аварийной ситуации, снижению общей эксплуатационной надежности и резкому сокращению долговечности резервуаров.
Общие научные принципы проектирования, возведения и эксплуатации стальных вертикальных резервуаров сформулированы в работах отечественных ученых В.Г. Шухова, Г.В. Раевского, B.C. Корниенко, М.К. Сафаряна, СМ. Иванцова, Б.В. Поповского, В.Л. Березина, М.Г. Каравайченко, СМ. Астряб, В.Е. Шутова, Ф.Ф. Абузовой, В.Б. Галеева, В.А. Афанасьева, А.С. Арзумян, И.Г. Овчинникова, А.П. Денисовой, А.А. Шейна, А.В, Шима-новского, С.А. Бобрицкого, Л.А. Бабина, Т.П. Стулова, К.В. Лялина, А.Ф. Суворова, СП. Тимошенко, Е.Н. Лессига, С.Н. Верё вкина, С.Н. Сотникова, Ю.К. Иванова, Е.И. Беленя, В.З. Власова, М.Г.Гумирова, Г.П.Кандакова, СМ. Купреишвили и др. [250, 191,140, 200, 215, 182, 28, 130, 13, 5, 41, 18,11, 164, 57, 242, 246, 65, 21, 215, 219, 146, 37, 203, 122, 26, 38, 51, 144,220].
В настоящее время научными исследованиями и разработкой типовых решений в резервуаростроении активно занимаются ряд научно-исследовательских и проектных организаций: ВНИПИнефть, г. Москва, ЦНИИПроект-стальконструкция, г. Москва, РУНиГ им. Губкина, г. Москва, ЦНиЛ Госком-нефтепродукты РФ, г. Москва, ТатНИПИнефть г. Бугульма, ВНИИСПТ-нефть, г. Уфа.
Из зарубежных ученых проблемами повышения эксплуатационной надежности резервуаров занимались: D. Brooksbank, Н. Conrad, I.G. Currie, Т. Gladmen, RJ. Holroid, J.E. King, K.G. Orlik, S. Palmer, A.K. Runchal, R.N. Wright, J. Ziolko [268, 273, 276, 284, 289, 298, 308, 311,313, 320, 321].
Несмотря на то, что для решения проблемы повышения эксплуатационной надежности и долговечности РВС в мире привлекаются значительные научные силы, на практике до сегодняшнего дня имеют место огромные потери нефтепродуктов от испарения, которые достигают, по данным работ В.И. Верёвкина и Е. Л. Ржавского [37, 196], около одного миллиона тонн в год. В настоящее время имеет место серьезная тенденция роста аварийных ситуаций в резервуарных парках практически по всему миру, причем детальный анализ имеющейся статистической информации свидетельствует об экспоненциальной зависимости количества аварий от времени эксплуатации резервуаров, что сопровождается значительными финансовыми, материальными и экологическими потерями [7, 20, 137, 144, 196,200].
Детальный анализ результатов обследования нескольких сотен резервуаров объемом до 100 тыс. м3, эксплуатируемых начиная с 1966 года соответственно в Англии, Нидерландах, Японии, США и России, представленный в работах [8, 34, 137, 144, 197, 231, 313], позволил установить, что более чем в 70% случаев лавинообразные и необратимые аварии и отказы произошли в результате разрушения самой перенапряженной зоны резервуаров, находящейся в месте сопряжения вертикальной стенки с окрайками, в основном из-за неравномерной осадки грунтового основания или из-за неравномерной коррозии сварных швов, либо из-за перекосов и заклинивания плавающей крыши с последующим перенапряжением несущих и ограждающих конструкций обследуемого объекта.
Отказы и аварийные ситуации резервуаров продолжают нарастать и в настоящее время, даже несмотря на то, что постановлением Госгортехнадзо-pa АГ&56 от 27.03.2000 года Е нормативные документы межотраслевого использования были включены «Правила расчета и усіройства вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов» [I8SJ, разработанные Управлением по надзору в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, что вызывает большое беспокойство как со стороны Госгортехнадзора, так и всех заинтересованных организаций.
Несмотря на многочисленные работы в области проектирования, строительства и эксплуатации резервуаров, до настоящего времени целый ряд вопросов, связанных с конструированием, расчетом, возведением и безопасной эксплуатацией резервуаров, остается открытым.
Все это, безусловно, свидетельствует об актуальности рассматриваемой проблемы повышения эксплуатационной надежности резервуаров.
Объектом исследований являются стальные вертикальные цилиндрические резервуары наземного типа для хранения нефти и нефтепродуктов.
Предметом исследований являются новые несущие и ограждающие конструкции РВС, новый класс кольцевых фундаментов преднапряженных по грунту, система активного кольцевого армирования грунта и система электронного управления эксплуатационной надежностью РВС.
Все теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором при выполнении настоящей работы с 1980 г. по 2004 г. осуществлялись в соответствии: с целевой комплексной программой СМ СССР «Рационально комплексное использование материально-сырьевых ресурсов Б народном хозяйстве в период с 1990 по 2000 год» и государственной научно-технической программой «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных техногенных катастроф» на период 1991-2010 гг. утвержденной ГКНТ СССР 31.11.90 пив соответствии с тематическими планами «Минэнерго», АК «Транснефтепродукт».
Целью диссертационной работы является разработка научных основ повышения общей эксплуатационной надежности стальных вертикальных цилиндрических резервуаров с увеличением уровня их безопасной эксплуатации за счет системного подхода к конструированию, расчету, проектированию, возведению и эксплуатации исследуемого объекта на основе применения новых нетрадиционных и прорывных технических решений с обоснованием введения системы активного управления несущей способностью системообразующих РВС элементов.
Задачи исследований:
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы, обоснованы и поставлены следующие задачи:
- проанализировать и обобщить вес доминирующие причины отказов и аварий РВС;
- разработать новые принципы повышения эксплутационной надежности РВС большого объема;
- разработать новую расчетную схему РВС учитывающую все особенности работы РВС большого объема в сложных грунтовых условиях и с учетом всего спектра статических и динамических нагрузок;
- разработать новую конструкцию плавающей крыши с полным отказом от использования направляющих стоек, являющихся главной причиной заклинивания последней;
- разработать новую конструкцию гибко-трансформируемых затворов с использованием магнитных жидкостей и абсолютно гибких материалов;
- разработать новые схемы сопряжения стенки и днища резервуара большого объема с целью уменьшения краевого эффекта;
- выполнить комплексную оценку устойчивости стенки резервуара большого объема;
- выполнить экспериментальную оценку уровня «остаточных» и «действующих» напряжений в корпусе обследуемых резервуаров;
- теоретически и экспериментально обосновать эффективность и целесообразность всех новых конструктивных решений направленных на коренную модернизацию РВС большого объема на уровне прорывных технологий;
-разработать принципиально новую систему кольцевого армирования грунта с автоматическим управлением его несущей способностью на основе активного преднапряжения грунта;
- разработать новый способ выбора деформаций грунтового основания до начала монтажа металлоконструкций днища РВС с целью максимального уменьшения напряженно-деформированного состояния днища резервуара;
- выполнить оптимизацию элементов сопряжения стенки и днища резервуара, плавающей крыши, гибких затворов, а также нового кольцевого фундамента и системы армирования грунта с активным управлением его несущей способностью;
- разработать научные основы проектирования активной системы управления эксплуатационной надежностью крупноразмерных резервуаров.
Методы исследований- Все задачи диссертационных исследований эффективно решены на основе практического применения методов математического планирования экспериментов, методов математического моделирования, методов оптимального проектирования, численных методов расчета и математической статистики. В исследовании работы реальных конструкций РВС использовались натурные, полунатурные и модельные эксперименты, а также методы компьютерного моделирования и методы численного эксперимента. Для теоретического анализа и графического моделирования в работе использовались математические пакеты рабочих программ для IBM-совместимых компьютеров, как отечественного, так и зарубежного исполнения.
Научная попизна диссертационной работы состоит в том, что впервые;
- сформулированы новые принципы повышения эксплуатационной надежности резервуаров большого объема;
- разработана принципиально новая расчетная схема РВС большого объема;
-разработана новая конструкция плавающей крыши в абсолютно гибком исполнении с полным устранением ее потенциального заклинивания, возможности испарения хранимого нефтепродукта и созданием эффективной системы удаления атмосферных осадков (снега, дождевой воды, льда) с минимальными энергозатратами;
-разработана новая система сопряжения вертикальной, цилиндрической стенки резервуара с окрайками РВС;
- разработан новый алгоритм расчета НДС корпуса резервуара при использовании предложенной схемы гибкого сопряжения стенки и днища РВС большого объема;
-разработана система магнитных, жидкостных и гибко-трансформируемых затворов для плавающей крыши РВС большого объема;
- теоретически и экспериментально обоснована эффективность и целесообразность всех новых конструктивных и технологических решений направленных на модернизацию РВС большого объема;
- выполнена экспериментальная оценка уровня «остаточных» и «действующих» напряжений в корпусе обследуемых резервуаров;
-разработан новый способ выбора деформаций у грунтового основания РВС до начала монтажа металлоконструкций рабочего днища и создана специальная оснастка для этого;
- разработана система кольцевого армирования грунта с автоматический управлением его несущей способностью на основе активного предна-пряжения грунта с многократным повышением его несущей способїюсти и уменьшением деформируемости грунта;
- определена эффективность системы вертикального армирования грунтового основания под РВС с предпапряжением по окружающему грунту;
- разработан аналитический метод расчета осадок грунта, армированного специальной кольцевой системой с активным преднапряжением грунта;
- выполнена эффективная оптимизация элементов сопряжения стенки и днища резервуара, плавающей крыши, гибких затворов, и новой системы кольцевого армирования грунта с активным управлением уровня предпапря-жения последнего;
Степень достоверности результатов проведенных исследований обусловлена использованием в работе - классических методов теории надежности, теории вероятности и методов математической статистики, а также методов математического планирования экспериментов основанных на много-факторном и дисперсионном анализе, и многократных проверках достоверности полученных результатов на основе широкого использования критериев Кохрена, Стыодента и Фишера.
Кроме указанного достоверность полученных результатов обеспечена за счет:
- использования апробированных методов математического и физического моделирования, общей теории расчета цилиндрических оболочек и, классических методов оптимизации.
- сравнения результатов аналитических и численных расчетов НДС предложенных новых конструктивных и технологических решений с экспериментальными данными полученными в работе;
- эффективного использования современной теории управления сложными инженерными системами и экологически опасными объектами к которым относятся РВС для храпения нефтепродуктов.
Практическая ценность работы состоит:
- в разработке нового способа сопряжения стенки резервуара с окрайками и днищем, новой конструкции плавающей крыши без использования направляющих стек, а также принципиально новой системы кольцевого армирования грунта с пред напряжен и см и активным управлением его несущей способностью, что позволяет значительно уменьшить НДС крупноразмерных резервуаров и предотвратить потенциальную возможность наступления какой-либо аварийной ситуации;
- в создании новой кольцевой системы гибких и магнитно-жидкостных затворов позволяющих практически полностью устранить потенциальную возможность испарения хранимых нефтепродуктов;
- в организации активного мониторинга НДС корпуса резервуара позволяющего жестко контролировать уровень эксплуатационной надежности исследуемого объекта;
- в разработке системы автоматического управления эксплуатационной надежностью РВС, за счет максимальной стабилизации ожидаемых осадок грунта под резервуарами и создании практической возможности предотвращения потенциального разрушения экологически опасного объекта.
Реализация результатов работы произведена:
- при разработке долгосрочного стратегического плана развития, реконструкции, ремонта и переоснащения нефтеналивных резервуаров на Ба- лаковской нефтебазе с целью повышения их общей эксплуатационной надежности и предупреждения возможных аварийных ситуаций;
- при организации технического мониторинга напряженно-деформированного состояния резервуаров серии 7-02-102/62 на Балаковской нефтебазе;
- при модернизации и усилении существующей фундаментной плиты «Хранилища твердых радиоактивных отходов ЦОО» Балаковская АЭС на основе использования в проекте № А-139147 новых свай, преднапряженных по окружающему грунту;
- при создании фундамента под оборудование Балаковским изыскательским филиалом государственного унитарного предприятия «Атомэпер-гопроскт» на БалакоБСКОЙ АЭС в виде нового кольцевого фундамента с активным преднапряжением по ірукту;
- в учебном процессе Балакожжого института техники, технологии и управления при организации и проведении лабораторных работ и чтении курса лекции соответственно по следующим дисциплинам «Спецкурс но строительным конструкциям», «Листовые конструкции», «Обследование и испытание зданий и сооружений».
Основные положения выносимые па защиту:
- новые принципы повышения эксплуатационной надежности резервуаров большого объема;
- результаты экспериментальных и теоретических исследований свайных и кольцевых фундаментов преднапряженных по грунту с обоснованием повышения их несущей способности и оптимизацией основных технических характеристик и параметров;
- результаты экспериментальных и теоретических исследований работы системы кольцевого армирования грунта на основе активного преднапря-жения грунта с оптимизацией ее основных технических характеристик;
- результаты оценки в натурных условиях уровня «остаточных» и «действующих» напряжений в рабочем корпусе РВС;
-результаты разработки и экспериментально-теоретическое обоснование нового узла сопряжения стенки и днища РВС большого объема с оптимизацией его основных технических параметров и методов расчета;
- результаты разработки и экспериментально-теоретическое обоснование новых плавающих крыш и метода их расчета;
- результаты разработки и экспериментально-теоретическое обоснование новых систем магнитно-жидкостных и гибко-трансформируемых затворов, с методами их расчета;
- результаты разработки системы автоматического управления напряжено-деформированным состоянием и эксплуатационной надежностью РВС нового поколения;
- методы возведения и монтажа несущих и ограждающих конструкций РВС нового поколения;
- технико-экономическое обоснование эффективности резервуаров нового поколения.
Личный вклад автора заключается в формулировании цели и выборе направлений экспериментальных и теоретических исследований, непосредственном участии в выполнении работы на всех ее этапах, начиная от планирования, постановки и проведении всех экспериментов как в лабораторных, так и в полевых условиях и кончая идентификацией полученных математических моделей деформационного поведения объекта, и разработкой новых элементов, несущих и ограждающих конструкций РВС, узлов сопряжения, новой гибкой плавающей крыши, системы нетрадиционных затворов и активного кольцевого армирования грунта. Кроме отмеченного автор лично разработал новую конструкцию магнитоупругих датчиков позволяющих организовать активный мониторинг напряженно-деформированного состояния вертикальной стенки резервуара в зоне уторного узла, что в свою очередь позволило создать и апробировать активную систему электронного управления эксплуатационной надежностью исследуемых крупноразмерных резервуаров, относящихся к экологически опасным объектам.
Все выводы и полученные результаты, созданные алгоритмы управления объектом, результаты математического и экспериментального моделирования исследуемых явлений и процессов в несущих и ограждающих конструкциях РВС, разработка нового экспериментального оборудования и вся методология организации выполненных исследований принадлежит лично автору.
Апробация работы: Основные положения работы доложены на: Международной конференции «Совершенствование проектирования строительства и эксплуатации металлических резервуаров» /Уфа, 2005/; Международном форуме «III тысячелетие - новый мир» /Москва, 2004/; Уральском научно-техническом семинаре «Механика и процессы управления», /Миасс, 2004/; II международной конференции «Строительство и недвижимое » /Прага, 2004/; III международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» /Пенза, 2004/; Межвузовской научно-технической конференции «Нелинейная динамика механических и биологических систем» /Саратов, 2004/; Международной научно-технической конференции «Перспективные полимерные композиционные материалы и альтернативные технологии. Переработка, применение и экология» /Саратов, 2004/; II научно-практической конференции «Современные аспекты организации неразрушающего контроля качества продукции на промышленных предприятиях» /Сиде, Турция, 2004/; IV Международной научно-технической конференции «Кибернетика и технологии XXI века» /Воронеж, 2004/; II международной научно-технической конференции «Со-вершенствование управления научно-техническим прогрессом в современных условиях» /Пенза, 2004/; IV Международной электронно-заочной конференции «Молодежь, студенчество и наука XXI века» /Ижевск, 2004/; Международной научно-практической конференции-выставке «Наука, инновации и подготовка кадров в строительстве» /Москва, 2003/; XXIII Российской школы «Наука и технологии» /Екатеринбург, 2003/; Межвузовской научно-практической конференции «Расчет и проектирование оснований и фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях» /Воронеж, 2002/; VI Всероссийской научно-практической конференции «Биосфера и человек, проблемы взаимодействия» /Пенза, 2002/; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» /Тула, 2001/; Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» /Пенза, 2001/; Межвузовской научно-технической конференции «Проблемы разработки новых технологий и оборудования для предприятий строительной, машиностроительной, химической и энергетической промышленности» /Саратов, 2000/; IV международной конференции но проблемам свайного фундамента-строения /Москва, 1998/; XVI Международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых тел» /Санкт-Петербург, 1998/. Кроме отмеченного, настоящая диссертационная работа апробирована на заседании научно-технического Совета ІДЇИИПСК им.Мельникова, г-Москва в 2005г,
Публикации. Основные результаты работы изложены в 15 публикациях, в состав которых входят 3 монографии, 13 патентов и 3 авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, общих выводов, заключения, списка использованной литературы из 321 наименований и приложения. Работа изложена на 318 страницах основного текста, содержит 124 рисунок, 35 таблиц и 8 приложений на 47 страницах.
Конструкции оснований, фундаментов и классификация методов уменьшения неравномерных осадок резервуаров большого объема
Стальные вертикальные резервуары большого объема возводят только на искусственных грунтовых основаниях состоящих из подсыпки, песчаной подушки и гидроизоляционного слоя, так как на основание передаются значительные нагрузки, достигающие от резервуаров средних объемов высотой 11=9--Л2 м интенсивности р=0Д2„.0Д4 МПа, а от резервуаров больших объемов высотой 11-18 м интенсивности р=0,І8...0Д9 МПа. В сущсствуіощей нормативной литературе рабочее давление заполненного резервуара на грунтовое основание определяется с использованием следующей формулы р = Нр + \ (1.1) СО где Н - высота столба хранимой жидкости и нефтепродуктов, м; р - плотность хранимого нефтепродукта, KH/MJ; Qp - общая масса резервуара большого объема, кН; со - рабочая площадь днища и окраек резервуара, м Сооружение искусственных оснований под резервуары большого объема является одним из наиболее важных этапов строительства, от качества выполнения которого зависят абсолютная величина и равномерность осадок резервуара и в целом его надежность.
Все существующие грунтовые основания и фундаменты под резервуары можно условно разбить на пять направлений (рис, 1,13 - 1.15). Переое направление (рис. 1.15, а, б) связано с созданием песчаных подушек различной мощности в основном под РВС малых и средних объемов.
Достоинства: - низкие стоимость и трудозатраты при создании песчаной подушки; - снижение краевых изгибающих моментов в стенке резервуара. Недостатки: . - низкая несущая способность; - высокая неоднородность песчаной подушки; - большая возможность потери прочности и устойчивости песчаной по душки. Второе направление (рис. 1Л5, в) связано с использованием железобетонных поверхностных кольцевых фундаментов под РВС средних и больших объемов.
Достоинства: - низкая материалоемкость кольцевых фундаментов; - повышение эксплуатационной надежности РВС за счет частичного уменьшения осадок в зоне вертикальной стенки.
Недостатки: - увеличение краевого момента вертикальной стенки резервуара из-за повышенной жесткости кольцевого фундамента; - возникновение воздушной прослойки под днищем в районе окрайки из-за частичного отрыва днища от песчаной подушки; - перенапряжение днища в зоне сопряжения с окрайками из-за отрыва днища от грунтового основания.
Третье направление (рис. 1.15, д, е) обусловлено применением плитных железобетонных фундаментов в однослойном или пространственном выполнении. Плитные фундаменты используются при строительстве РВС на слабых грунтах.
Достоинства: - частичное снижение неравномерных деформаций грунтового основания за счет жесткости плиты; - некоторое уменьшение осадки РВС за счет увеличения площади передачи нагрузки от объекта.
Недостатки: - высокая материалоемкость плитного фундамента; - высокая стоимость сплошной железобетонной плиты; - большие трудозатраты при возведении плиты.
Четвертое направление (рис. ].]53 г) связано с использованием свайных фундаментов при возведении РВС на слабых грунтах, подстилаемых слоем грунта с высокими прочностными характеристиками.
Достоинства: - некоторое уменьшение осадки возводимого резервуара только в слу чае нахождения под слоем слабого грунта несжимаемого грунтового основа ния; - частичное уплотнение грунта за счет внедрения свай. Недостатки: - высокие затраты труда и материала; - низкая эффективность при наличии в основании только слабых грун тов; - очень высокая стоимость, даже по сравнению с плитными фундамен тами. Пятое направление (рис. 1.15, ж) связано с использованием кольцевой шпунтовой стенки, применяемой для ограничения боковых перемещений и возможного выпора грунта в ходе эксплуатации резервуаров большого объема. Достоинства: - частичное уменьшение горизонтальной деформации загружаемого основания; - некоторое повышение предельной несущей способности грунта за счет изменения расчетной схемы. Недостатки: - низкая жесткость кольцевой шпунтовой стенки не позволяет эффективно уменьшить вертикальную осадку РВС и ее неравномерности; - очень высокие трудозатраты и стоимость выполняемых работ при низкой эффективности; - при слабых и средне сжимаемых грунтах шпунтовая стенка практически всегда опускается вместе с деформированным основанием, повышая тем самым суммарную осадку резервуара.
Таким образом, все существующие на сегодняшний день искусственные основания и специальные фундаменты не обладают достаточной эффективностью и необходимой несущей способностью, что требует принятия дополнительных мер по уменьшению абсолютных и неравномерных осадок, особенно при возведении резервуаров большого объема.
Новый принцип проектирования плавающих крыш
Основной частью понтона является эластичный ковер 4, изготовленный из резинотканевого материала, который крепится по периметру к кольцу жесткости, образованному сваренными между собой металлическими коробами. В нижнем поясе короба ложатся на опорные кронштейны, приваренные на высоте 1800 мм от днища резервуара, а ковер - на две кольцевые трубчатые опоры. Для герметизации кольцевого зазора между понтоном и стенкой резервуара предусматривается дисковый затвор 2 из обрезинениого бельтинга.
В 1964 г. был возведен первый резервуар РВС-10000 с неметаллическим понтоном из резинотканевого материала, а в 1968 г. РВС-20000. Для отвода статического электричества ковер и затвор были окрашены с внешней стороны электропроводящей алюминиевой краской. Технологические испытания и периодические технические осмотры понтонов показали, что они эффективны, прочны и работоспособны. Потери от испарения бензина в них снижены на 75% по сравнению с потерями в резервуарах такого же объема, но без понтона.
После десятилетней эксплуатации указанных плавающих крыш в РВС-10000 и РВС-20000 с этилированными бензинами не было обнаружено никаких дефектов в материале ковра и местах соединения его элементов, а провисание ковра осталось равномерным.
Более детальное изучение опыта проектирования и эксплуатации плавающих крыш из гибких синтетических материалов позволило автору выявить ряд серьезных недостатков: - невозможность отказа от направляющих стоек; - недостаточная эффективность дисковых затворов; - низкая плавучесть гибкой плавающей крыши, обусловленная только плавучестью кольцевого понтона;
- высокая возможность потенциального заклинивания гибкой пла вающей крыши по отношению к направляющим стойкам из-за неравномер ной снеговой нагрузки и неоднородного трения в затворах;
- невозможность эффективного снегоудаления за счет искусственного подогрева нефтепродуктов из-за низкого коэффициента теплопроводности синтетических и резинотканевых материалов.
В целях устранения всех вышеперечисленных недостатков автор разработал нетрадиционный принцип увеличения эксплуатационной надежности плавающих крыш за счет:
- комплексного увеличения гибкости плавающей крыши;
-устранения потенциальной возможности заклинивания плавающей крыши за счет удаления направляющих стоек;
-организации атмосферного мониторинга с созданием системы удаления осадков, характеризуемой минимальными энергетическими затратами;
-создания эффективной системы виброгашения для традиционных металлических однодисковых плавающих крыш с активным снижением низкочастотных колебаний плавающей крыши за счет максимального снижения жесткости ее настила;
-полной герметизации гибкой плавающей крыши за счет организации тройной системы "перехвата" испарившихся нефтепродуктов сначала магнитным, затем жидкостным и, наконец, гибко-трансформируемым затвором, позволяющим свести до минимума потери нефтепродуктов от испарения.
Один из вариантов конструктивного выполнения новой гибкой плавающей крыши представлен нарис, 2.12 [87, 106, 112]. 7Л77Г
Все конструктивные особенности, технологические, прочностные и технико-экономические показатели, подтверждающие эффективность предложенной абсолютно гибкой плавающей крыши, представлены в третьей главе настоящей работы.
Практическое использование нового принципа повышения эксплуатационной надежности плавающей крыши позволит:
- значительно повысить плавучесть новой абсолютно гибкой плавающей крыши за счет использования гибкого, цилиндрического и трансформи руемого затвора, создающего полную непотопляемость новой крыши при сохранении герметичности затвора и рабочей мембраны плавающей крыши;
- создать практическую возможность полного отказа от использования в РВС направляющих стоек, исключив при этом возможность какого-либо поворота плавающей крыши относительно корпуса резервуара и предотвратив одновременно любую вероятность заклинивания новой плавающей крыши при всех ожидаемых режимах ее эксплуатации;
- повысить общую надежность предложенной тройной системы затворов за счет комплексного и системного подхода к решению поставленных задач по перехвату испарившихся нефтепродуктов;
- создать эффективную систему удаления снега и льда с плавающей крыши за счет введения в гибкий эластичный ковер крыши токопроводящен сетки и токопроводящего наполнителя, позволяющего при организации мониторинга атмосферных явлений, циклично подогревать рабочий ковер плавающей крыши до температуры не выше +5...6 С с последующим удалением растаявшей снежной массы; - полностью устранить резонирующие низкочастотные колебания плавающей крыши за счет максимального увеличения се гибкости.
Таким образом, предлагаемый принцип конструирования плавающей крыши, по мнению автора, позволит выйти на новый уровень экологической безопасности и надежности нефтеналивных резервуаров.
Обоснование алгоритма расчета цилиндрической оболочки и уторного узла РВС
Практическое использование полученных постоянных интегрирования позволяет определить максимальные значения краевых изгибающих моментов и перерезывающих сил в зоне сопряжения стенки и днища.
Сравнение полученных значений Мх и Qx для резервуаров большого объема показывает, что учет переменности толщины стенки приводит лишь к некоторому уменьшению абсолютных значений Мх и Qs по сравнению с расчетом РВС с условно постоянной толщиной стенки. При этом уровень отличия указанных значений между собой не превышает 1%, что свидетельствует о высокой адекватности полученных результатов и возможности широкого использования полученных аналитических выражений в практических расчетах.
Даже беглый взгляд на полученные результаты свидетельствует о необходимости обязательного учета в проектировании РВС большого объема краевых изгибающих моментов. При этом максимальный момент после некоторых преобразований уравнения (3.20) можно определить по следующей формуле
Зная максимальный краевой момент в выделенной зоне, можно определить и соответствующие меридиональные напряжения по следующей формуле - Краевой момент в зоне сопряжения стенки и днища интенсивно убывает (рис. 3.5) соответственно по мере удаления рассматриваемой точки от днища по ниже приведенному закону
Общий анализ напряженно-деформированного состояния РВС большого объема с использованием полученных выражений и с учетом максимального краевой) изгибающего момента, кольцевых и меридиональных напряжений от гидростатической нагрузки, представленный в табл, ЗЛ, позволил выявить, что уторный узел сопряжения стенки и днища практически у всех типовых резервуаров большого объема работает не в упругой, а в пластической зоне деформирования металла, так как суммарное приведенное напряжение в материале стенки превышает допустимые значения расчетного сопротивления металла на 50 и более процентов, не выходя, однако, за пределы временной прочности металла. Указанное явление подтверждено и в работах
Вострова ВЛС [39] в случае использования для оценки НДС уторнпго узла американских стандартов APJ 650 [217, 254]. max Кроме того, следует отмстить, что представленный анализ не учитывает дополнительных напряжений, которые могут возникать в стенке от неравномерных осадок резервуара в ходе гидравлических испытаний и последующей эксплуатации, что еще более усугубляет рас Таким образом, полученный материал свидетельствует о необходимости разработки новых и нетрадиционных конструкций сопряжения стенки и днища резервуара с целью эффективного снижения Рис. 3.5. Эпюра убывания краевого сматриваемую ситуацию.
В настоящее время все существующие формы конструктивного выполнения опорных узлов можно условно разделить па 5 направлений (рпс.3.6): - опорный узел имеет традиционное тавровое соединение; - опорный узел усилен уголком; - опорный узел усилен швеллерным бандажом; - опорный узел выполнен с гибким параболообразным элементом; - опорный узел представлен гибкой торообразной оболочкой.
Для оценки эффективности рассматриваемых опорных узлов автором разработана и предложена следующая система критериев: - критерий максимальной прочности; -критерий максимальной подвижности (деформируемости);
Оценка напряженно-деформированного состояния РВС большого объема с учетом краевых мерїздиональньїх моментов п/п Объем РВС, маркаетапи ГОСТ илиТУ Радиус г» см Высота Н, см Толщина стенки 1с, см Кольцевое напряжение сг 2, МПа Краевой моменткНм Меридиональное па-пряжение сг МПа RyYc/Yn[3S7] Область работы металла Расчетное сопротивление по временному пределу прочности, МПа
Детальный анализ уторных узлов, представленных на рис. 3,6, соответственно по выделенным критериям позволил установить, что типовое тавровое исполнение указанного узла не проходит по условию прочности, так как работает в упругопластическом режиме с постоянным накоплением остаточных напряжений и пластических деформаций в материале стенки и днища, как показано в табл. 3.1, что очень часто приводит к возникновению аварийных ситуаций. По критерию необходимой подвижности тавровый уторный узел также не проходит вследствие жесткого защемления стенки в днище и создания благоприятных условий возникновения в стенке и днище максимальных меридиональных напряжений- По критерию минимальной материалоемкости тавровый узел проходит, так как в его конструкции полностью отсутствуют какие-либо дутолнитсльные элементы для обеспечения необходимой герметичности и работоспособности резервуара.
По критерию технологичности и стоимости тавровый узел также проходит, так как не требует каких-либо дутолнительных затрат времени, специального оборудования и дутолнитсльной рабочей силы.
Тавровый уторный узел, усиленный уголком либо швеллером (рис. 3,6, б, в), только усиливает концентрацию меридиональных напряжений в зоне сопряжения, что приводит на практике из-за отсутствия совместной работы элементов усиления и стенки, не к уменьшению а к увеличению краевых изгибающих моментов, что в целом уменьшает общую эксплуатационную надежность объекта.
Уторный узел в гибком параболообразном выполнении при всей своей привлекательности требует жесткой оптимизации своей конструкции, так как в зависимости от величины радиуса формообразования узла краевой момент в зоне сопряжения может как резко увеличиться, даже по сравнению с типовым тавровым соединением, так и уменьшиться при достижении необходимого уровня оптимизации. Определенной оптимизации требует в данном узле и установление наиболее эффективной толщины рабочей мембраны исследуемого гибкого Рис, 3.6сопряжения. Много вопросов имеется также и по оценке стоимости и технологичности устройства данного уторного узла. Очень непростой вопрос деформируемости рассматриваемого узла также требует тщательного экспериментального и теоретического исследования как в кольцевом, так и в меридиональном направлениях.
Уторный узел в гибком торообразном исполнении направлен на создание противодавления с внешней стороны рабочей стенки с целью максимального снижения краевых изгибающих моментов в узле. Конструкция данного узла предложена и теоретически обоснована в работе AT, Щербакова [248, 249]. Однако при внимательном анализе предложенной конструкции, представленной на (рис.3.6, д), можно увидеть невозможность практического использования предложенной конструкции уторного узла. Так как при полном заполнении резервуара давление у днища достигает 0,16 МПа, и если рабочий диаметр торпобразной оболочки будет равен, например, 80 см, то в то-рообразной оболочке от гидростатического давления возникнет подъемная сила, равная на участке шириной в 1см 1,28 кН. При этом вес рабочей стенки толщиной 2,6 см на выделенном участке шириной в I см для резервуара объемом 50 тыс. м3 составит всего 0,36 кН, что приведет на практике к всплытию и некоторому подъему всей цилиндрической стенки резервуара, так как подъемная сила в рассматриваемом случае в 3,5 раза превышает вес всей конструкции стенки, что, в свою очередь, поочередно разрушит сначала горообразную оболочку, а затем и сварной шов, соединяющий оболочку в верхней зоне с рабочей стенкой с одновременным нарушением ее герметичности и работоспособности в целом.
Экспериментальное обоснование эффективности кольцевой системы, армирования грунтового основания РВС
В качестве примера рассмотрим аналитический расчет уторного узла резервуара объемом 50 тыам3, радиусом R = 30,35 м, высотой стенки II = 17,88 ми толщиной стенки (стах = 2»б см, выполненный из стали 09Г2С с удельным весом нефтепродукта 9 кН/м .
На первом этапе для анализа напряженно-деформированного состояния в зоне краевого эффекта рассмотрены четыре варианта устройства утор-ных узлов, представленных на рис. 3.6, а, г.
Первый вариант принят в виде традиционного жесткого таврового узла сопряжения. Второй и последующие варианты представляют собой параболическое сопряжение стенки и днища дутолнительным гибким элементом с толщиной, равной толщине вертикальной стенки, и имеющим соответственно рабочий радиус, равный 1, 2 и 3 м. В ходе расчета с использованием сертифицированной программы «Лира» были определены характерные значения меридиональных изгибающих моментов, представленных на рис. 3.12, гН,м 3,0 і-1,5 ,3 1 г ,4 -40 -20 -10 10 20 М5 кНм/м Рис. 3,12. Зависимость меридиональных ., 1 л малыши краевой изгибающий изгибающих моментов от варианта В результате установлено, что предложенный узел сопряжения стенки с днищем только при R=l м имеет значительное уменьшение краевого, меридионального изгибающего момента, а следовательно и соответствующего напряжения, которое может изменяться в нашем случае от 38,09 кНм/м до 15,61кНм/м. При увеличении радиуса сопряжения макси сопряжения стенки с днищем: момент переходит, согласно полученным результатам, из от 1 -типовое жесткое тавровое сопряжение; 2-уторный узел в гибком параболическом ис- рицатеньнои зоны в положи тельную с одновременным уве пшшешш с радиусом R = 1 м; 3-R-2M;4-R = 3M личепием его абсолютной дели чины до 19,0 кНм/м соответственно при радиусе сопряжения, равном 3 м.
Таким образом, выполненные расчеты показывают, что наиболее эффективный и оптимальный радиус сопряжения стенки и днища в рассмотренном случае должен находиться в пределах одного метра. На втором этапе с целью оптимизации напряжешю-де-формированного состояния гибкого параболического элемента определим возникновение в нем растягивающих напряжений и напряжение изгиба в зависимости от начальной цилиндрической кривизны и заданной толщины элемента (рис. 3.10).При этом все полученные результаты для зтглядности представим в табличном виде с сохранением заданной последовательности и сценария всех выполненных расчетов (табл. 3,4).
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что с увеличением начальной кривизны (5) от пуля до 30 см при заданной толщине элемента сопряжения, растягивающие напряжения в нем интенсивно уменьшаются от 145,2 МПа до 12,6 МПа при сохранении напряжения изгиба в пределах 82,3 МПа (рис. ЗЛЗ).
Уменьшение толщины элемента сопряжения приводит, в свою очередь, к значительному уменьшению напряжений изгиба соответственно от 82,3 МПа до 50,6 МПа. Одновременно увеличение толщины исследуемого элемента от одного до 1,6 см приводит к снижению рассматриваемой области и растягивающих напряжений (а,) соответственно от 15,1 МПа до 9,20 МПа
с некоторым повышением напряжения изгиба от 50,6 МПа до 112,3 МПа7 что находится в пределах упругой работы исследуемого элемента (рис, 3 Л 4). При этом интенсивность увеличения напряжения от изгиба нелинейно и интенсивно снижается по мере увеличения толщины элемента сопряжения, особенно в пределах принятой толщины исследуемого элемента от 1,4 до 1,6 см, что отражено на рис. ЗЛ4 и имеет соответствующую аналогию и для суммарных, приведенных напряжении.
Так как в предложенном уторном узле под воздействием гидростатического давления в радиальном направлении будет перемещаться только вертикальная цилиндрическая стенка7 которая является, в свою очередь, катетом
Зависимость растягиваю- риа з.Н Зависимость напряжений щих напряжений (Сі) от начальной изгиба (а2) от рабочей толщины (t) кривизны (5) гибкого элемента гибкого элемента сопряжения сопряжения, при t =1,2 см прямоугольного треугольника, гипотенуза которого с учетом начальной кривизны имеет длину около 149 см3 в нашем случае при длине катета, равной одному метру, возникает эффект гидравлического усилителя, увеличивающий жесткость гибкого элемента сопряжения 3 (рис, 3.7) в связи с тем, что суммарные перемещения указанного элемента будут всегда меньше, чем возникающие перемещения вертикальной стенки I, за счет того, что длина катета в рассматриваемом треугольнике всегда меньше длины гипотенузы, имеющей начальную цилиндрическую кривизну. Поэтому в нашем случае реакцию к совокупного основания на единицу площади при прогибе, равном единице, можно определить по следующей формуле
