Введение к работе
Актуальность темы исследований. Хранение легкоиспаряющихся и горючих жидкостей осуществляют, как правило, в вертикальных стальных резервуарах. В общем объеме хранения они составляют более 80%. Общеизвестно, что при хранении нефти и нефтепродуктов имеют место значительные потери от испарения. Ущерб, наносимый этими потерями, состоит не только в уменьшении топливных ресурсов и стоимости теряемых продуктов, но и в отрицательных экологических последствиях, которые являются результатом загрязнения окружающей среды нефтепродуктами. Поэтому борьба с потерями нефти и нефтепродуктов дает не только экономический эффект, но и жизненно важна для обеспечения охраны природы.
Для уменьшения потерь легких фракций от испарения как за рубежом, так и в нашей стране широко применяют резервуары с плавающими покрытиями, которые позволяют сократить потери от испарения на 80-99%.
Большой вклад в развитие и использование плавающих покрытий и сокращение потерь нефти и нефтепродуктов от испарения внесли отечественные ученые и специалисты Абузова Ф.Ф., Бабин Л.А., Батталов А.З., Бобровский С.А., Бронштейн И.С., Бунчук В.А., Веревкин С.И., Гадельшин Р.З., Евтихин В.Ф., Каравайченко М.Г., Константинов Н.Н., Коршак А.А., Лукьянова И.Э., Фатхиев Н.М., Чолоян Г.С., Юфин В.А. и другие, а также зарубежные ученые Viggins J., Nelson A. и другие.
Эффективность эксплуатации вертикальных стальных резервуаров с внутренними плавающими покрытиями зависит от многих факторов, одним из которых является сохранность нефтепродуктов и отсутствие потерь от испарения. В наше время наметилась тенденция к увеличению использования понтонов из алюминия. Однако, из приведенных в научно-технической литературе данных видно, что расход металла в конструкции понтонов заметно возрастает. Увеличивается масса и стоимость металлических понтонов. Имеется возможность использовать облегченные конструкции плавающих покрытий путем применения неметаллических материалов. Отечественная и зарубежная практика промышленного производства и эксплуатации покрытий из полиуретана показала, что этот материал обладает удачным сочетанием механических, технологических и других свойств. Сравнивая характеристики плавающих покрытий из полиуретана, с понтонами из других неметаллических материалов, можно выделить простоту изготовления, обслуживания, ремонта и достаточно надежную герметизацию.
Процесс эксплуатации существующих синтетических плавающих покрытий показал возможность их полного затопления. Отказы плавающих покрытий можно объяснить недостаточной изученностью свойств используемых материалов, несовершенством существующих конструктивных схем и методов расчета. Поэтому актуальным является совершенствование конструкции полимерных плавающих покрытий и методики их расчета.
Цель диссертационной работы: разработка методики расчета конструктивных и эксплуатационных параметров полиуретановых плавающих покрытий вертикальных стальных резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов с учетом коэффициентов нефтепоглощения и нефтенабухания.
Задачи исследований:
1. Обосновать эксплуатационные характеристики полимерных плавающих покрытий, определяющих эффективность эксплуатации резервуаров с защитными устройствами от испарения хранимого продукта.
2. Экспериментально исследовать влияние процесса нефтепоглощения и нефтенабухания на эксплуатационные характеристики полимерных плавающих покрытий.
3. Разработать конструкцию, технологию монтажа и эксплуатации полимерного плавающего покрытия для вертикальных стальных резервуаров.
4. Разработать методику расчета плавучести и остойчивости полимерного плавающего покрытия с учетом коэффициентов нефтепоглощения и нефтенабухания.
Идея работы: изменение величины плавучести, остойчивости и конструктивных параметров плавающего покрытия обосновывается влиянием процессов нефтепоглощения и нефтенабухания в период его эксплуатации.
Научная новизна работы:
1. Установлены коэффициенты нефтепоглощения и нефтенабухания для полиуретанового плавающего покрытия в пределах от 1,5 до 5,5% и от 2,0 до 6,5% соответственно.
2. Получены экспериментальные зависимости коэффициентов нефтепоглощения и нефтенабухания от времени хранения и плотности продуктов, хранящихся в вертикальных стальных резервуарах.
3. Определены закономерности влияния коэффициентов нефтепоглощения и нефтенабухания на плавучесть и остойчивость полиуретановых плавающих покрытий, которые позволяют усовершенствовать методику их расчета.
Защищаемые научные положения:
1. Повышение эффективности хранения нефти и нефтепродуктов в вертикальных стальных резервуарах достигается путем использования полиуретановых плавающих покрытий на основе полимочевины с коэффициентами нефтепоглощения 1,5-5,5% и нефтенабухания 2,0-6,5%, которые, по сравнению с другими полимерными покрытиями и понтонами, позволяют оптимизировать эксплуатационные параметры предлагаемых покрытий и повысить срок их эксплуатации.
2. Основными параметрами, определяющими эксплуатационные характеристики полимерного плавающего покрытия, являются коэффициент запаса плавучести и остойчивость, при расчете которых необходимо учитывать выявленные зависимости коэффициентов нефтепоглощения и нефтенабухания от времени хранения и плотности хранимого продукта, которые позволят уточнить методику расчета полимерного покрытия.
Методика исследований. При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение данных по эксплуатации полимерных плавающих покрытий вертикальных стальных резервуаров, теоретический анализ методик расчета плавающих покрытий, планирование эксперимента и обработка опытных данных по определению коэффициентов нефтепоглощения и нефтенабухания полимерного материала.
Достоверность научных положений обоснована и подтверждена: теоретическими исследованиями и выводами аналитических зависимостей; результатами экспериментальных исследований; сопоставлением расчетных и экспериментальных данных с применением методов математической статистики и регрессионного анализа.
Практическое значение работы.
1. Обоснована возможность применения полиуретана на основе полимочевины, обладающего минимальными коэффициентами нефтепоглощения и нефтенабухания, в качестве основного материала для изготовления внутренних плавающих покрытий вертикальных стальных резервуаров, служащих для сокращения потерь нефти и нефтепродуктов от испарения.
2. Предложен способ предохранения нефти и нефтепродуктов от испарения при хранении в резервуарах (Патент №2374159 РФ).
3. Разработана конструкция полимерного плавающего покрытия, технология монтажа и эксплуатации в вертикальных стальных резервуарах (заявка на изобретение №2009123523/20).
4. Разработана компьютерная программа расчета полимерного плавающего покрытия с учетом влияния процессов нефтепоглощения и нефтенабухания полимерного материала.
Реализация результатов работы. Разработанная методика и программа расчета полимерного плавающего покрытия может быть применима на предприятиях нефтегазовой отрасли, осуществляющих хранение нефти и нефтепродуктов, при проектировании и реконструкции резервуаров типа РВС.
Научные и практические результаты работы могут быть использованы в учебном процессе СПГГИ(ТУ) при изучении дисциплины «Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» студентами специальности 130501.
Апробация работы. Основные положения, результаты экспериментальных исследований, выводы и рекомендации докладывались на: Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы рационального природопользования» (г. Санкт-Петербург, СПГГИ(ТУ), 2008 г.); Международной конференции «New developments in Geoscience, Geoengineering, Metallurgy and Mining Economics» (Германия, г. Фрайберг, 2008 г.); 14-ой Международной конференции «Transport and Sendimentation of Solid Particles» (г. Санкт-Петербург, СПГГИ(ТУ), 2008 г.); 6-ой и 7-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера» (г. Воркута, Воркутинский горный институт (филиал СПГГИ(ТУ)), 2008 и 2009 гг.); IX Международной молодежной научной конференции «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ-2009» (г. Ухта, УГТУ, 2009 г.); Международной научно-практической конференции «Геоэкология и рациональное природопользование: от науки к технике» (г. Белгород, БГТУ, 2009 г.); XII Международной конференции «Химия нефти и газа» (г. Томск, Институт химии нефти СО РАН, 2009 г.); IV Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-ем тысячелетии» (г. Томск, Институт химии нефти СО РАН, 2009 г.).
Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследований, разработке методики исследований и проведении лабораторных экспериментов, разработке конструкции полимерного плавающего покрытия для вертикальных стальных резервуаров, разработке методики и компьютерной программы расчета полимерного плавающего покрытия.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 1 статья в журнале, входящем в перечень журналов ВАК Минобрнауки России, получен 1 патент РФ и подана 1 заявка на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения общим объемом 120 страниц, содержит 10 таблиц, 23 рисунка и 1 приложение, а также список литературы из 104 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность начальнику отдела жестких пенополиуретанов ОАО «Полимерсинтез» Якутину С.Е. и коллективу ПТО нефтяного терминала ООО «РН-Архангельскнефтепродукт» за помощь в подготовке диссертационной работы.
