Содержание к диссертации
Введение
1. Эксплуатационная надежность понтонов рвс и выявление возможных путей повышения их остойчивости
1.1. Анализ существующих методов классификации понтонов РВС 19
1.2. Исследование возможных путей повышения эксплуатационной надежности РВС с понтоном
Выводы по разделу 1 29
2. Влияние эффекта налипания хранимых продуктов на остойчивость понтонов РВС 30
2.1. Лабораторные исследования по налипанию нефти на металлическую поверхность 40
2.2. Лабораторные исследования налипания нефтепродуктов на металлическую поверхность 52
2.3. Лабораторные исследования по налипанию нефтепродуктов на пенополиуретановую поверхность
Выводы по разделу 2 61
3. Разработка методики расчета остойчивости понтона с учетом налипания нефтепродукта
3.1. Методика расчета плавающего покрытия 62
3.2. Расчет остойчивости плавающего покрытия 70
Выводы по разделу 3 81
4. Разработка конструкции понтона повышенной остойчивости
4.1 .Разработка успокоителей для понтонов РВС 82
4.2.Расчет остойчивости понтона с успокоителями 86
4.3. Экспериментальное обоснование остойчивости понтона 89
Выводы по разделу 4 93
Основные выводы 94
Список используемых источников
- Исследование возможных путей повышения эксплуатационной надежности РВС с понтоном
- Лабораторные исследования налипания нефтепродуктов на металлическую поверхность
- Лабораторные исследования по налипанию нефтепродуктов на пенополиуретановую поверхность
- Расчет остойчивости плавающего покрытия
Введение к работе
Во всем мире существует необходимость хранения нефти и продуктов нефтепереработки, что обусловлено неравномерностью их потребления, сезонностью водного транспорта для большинства районов страны, неравномерностью работы других видов транспорта, возможными срывами работы смежных предприятий и прочими причинами. Чем большее количество нефтепродуктов нужно хранить, тем больше их потери от испарения [107].
Борьба с потерями нефти и нефтепродуктов при их хранении предусматривается требованиями ГОСТ 1510-84 и закона "Об охране атмосферного воздуха". Одним из эффективных методов борьбы с потерями от испарения является использование конструкций резервуаров с плавающими понтонами, с плавающими экранами, при хранении в контакте в подземных соляных куполах [43]. Стальные резервуары в общем объеме хранилищ составляют более 80% [11], а доля потерь от испарения достигает 75%. Анализ показывает, что наиболее эффективным способом устранения потерь от испарения в стальных вертикальных резервуарах является использование понтонов и плавающих крыш [123].
Первые плавающие покрытия (ПП) РВС были собраны в 1927 г. в США И.Виггинсом. С середины 40-х гг. XX века началось широкое применение в США.
В нашей стране первые исследования по созданию резервуаров с понтонами были начаты в 50 - х гг. под руководством Н.Н.Константинова. Большой вклад в развитие использования плавающих покрытий внесли отечественные ученые и специалисты Ф.Ф. Абузова, А.З.Батталов, И.С.Бронштейн, В.А. Бунчук, СИ. Веревкин, Р.З. Гадельшин, В.Ф. Евтихин, С.Г. Едигаров, М.Г. Каравайченко, А.А. Коршак, Н.М.Фатхиев и другие, а также зарубежные ученые: И.Виггинс, А.Нельсон и др.[1,10,17-19,22,23,33,38-40,47-58,114].
Эффективность понтонов, как средства сокращения потерь, достигает 90%. При одинаковой степени герметичности затвора и при одинаковом температурном режиме и испаряемости нефтепродукта, в резервуаре с понтоном потери от испарения меньше, чем в резервуаре с плавающей крышей [7, 8, 111].
Из приведенных в литературе технических показателей резервуаров типа РВС с металлическими понтонами видно, что расход металла в указанных конструкциях заметно возрастает [23]. Так для резервуара вместимостью 5000м с понтоном расход металла увеличивается на 22%. Возможно использовать облегченные конструкции понтонов путем применения неметаллических материалов [20].
Как показала отечественная и зарубежная практика промышленного производства и эксплуатации понтонов из пенополиуретана (ППУ), этот материал обладает удачным сочетанием механических, технологических и других свойств. Сравнивая характеристики понтонов из ППУ, с понтонами из других неметаллических материалов, можно выделить простоту обслуживания, ремонта и достаточно надежную герметизацию [17]. В наше время имеется тенденция к увеличению использования понтонов из алюминия в резервуарах типа РВС. Как показала практика промышленного производства и эксплуатации понтонов из алюминия, этот тип плавающего покрытия обладает лучшими характеристиками по сравнению со стальными и пенополиуретановыми понтонами.
Процесс эксплуатации металлических понтонов показал возможность заклинивания, перекосов, что, в свою очередь, приводит к крупным авариям (падению понтонов на откачиваемый продукт с возникновением теплового эффекта, приводящего к пожарам). Поэтому актуальными являются вопросы дальнейшего совершенствования конструкции понтонов и норм обоснования достаточной их остойчивости.
Цель работы - повышение остойчивости понтонов РВС для нефти и
нефтепродуктов на основе конструктивных решений и с учетом веса налипшего нефтепродукта.
Основные задачи исследований:
Анализ существующих типов понтонов для РВС, позволяющий обосновать актуальность направления выполняемых исследований.
Изучение влияния процесса налипания нефти и нефтепродуктов на эксплуатационные характеристики металлических и пенополиуретановых понтонов.
Разработка методики расчета остойчивости понтонов с учетом налипшего нефтепродукта.
Совершенствование конструкции понтонов с целью улучшения их остойчивости.
Методы решения задач. При решении поставленных задач использовались математические методы. Ряд результатов получен на основе практических экспериментов. Реализуя предложенные в работе алгоритмы использована технологическая информация, полученная в промышленных условиях.
Научная новизна.
Впервые установлены коэффициенты налипания нефтепродуктов на пенополиуретановые и металлические поверхности и получены зависимости этих коэффициентов от кинематической вязкости.
Впервые введены в расчет остойчивости понтонов коэффициенты налипания нефти и нефтепродуктов.
Установлены новые зависимости моментов нагруженного понтона с успокоителем от массы. Установлены расчетные выдерживаемые кренящие моменты плавающего понтона РВС - 5000, для алюминиевого понтона и понтона с успокоителем.
Экспериментально и теоретически выявлено, что выдерживаемые
кренящие моменты алюминиевого понтона с успокоителями больше, чем у алюминиевого понтона для РВС - 5000.
На защиту выносятся: зависимости коэффициента налипания на
металлические покрытия от кинематической вязкости нефти и
нефтепродуктов; зависимость коэффициента налипания на
пенополиуретановую поверхность от кинематической вязкости нефтепродуктов; оценка параметров расчета остойчивости понтонов с учетом налипания нефти и нефтепродуктов; влияние увеличенной массы на остойчивость понтона; способ улучшения остойчивости при использовании успокоителей.
Теоретическая ценность работы. В работе предложены зависимости коэффициентов налипания нефти и нефтепродуктов на металлические и пенополиуретановые поверхности от кинематической вязкости нефти и нефтепродуктов. Разработаны методика расчета остойчивости плавающих покрытий с учетом налипания нефти и нефтепродуктов, программное обеспечение, позволяющее улучшать характеристики плавучести и остойчивости понтонов.
Практическая ценность работы. Предложены конструкции успокоителей плавающего покрытия для вертикальных стальных резервуаров.
Научные результаты, полученные в работе, приняты к внедрению при проектировании вертикальных цилиндрических резервуаров с понтонами в ЗАО «Нефтемонтаждиагностика».
На разработанную конструкцию плавающего покрытия получен патент на изобретение № 2302365.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались:
на всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, посвященная 50-летию с начала подготовки специалистов трубопроводного транспорта в УНИ-УГНТУ «Трубопроводный транспорт нефти и газа» (Уфа, 2002);
- на всероссийской научно-технической конференции «Проектирование и
эксплуатация нефтегазового оборудования: проблемы и решения»
(Уфа, 2004);
на II Всероссийской учебно-научно-методической конференции «Реализация государственных образовательных стандартов при подготовке инженеров - механиков: проблемы и перспективы» (Уфа, 2004);
на международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт» (Уфа, 2005, 2006, 2007, 2008);
на 56-ой конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2005);
на заседаниях кафедры сооружение и ремонт газонефтепропроводов и газонефтехранилищ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ.
Введение содержит обоснование актуальности выбранной темы, общую характеристику диссертационной работы. Приведены научная новизна, практическая ценность, апробация работы и основные положения, выносимые на защиту. Сформулированы цель работы и основные задачи проведенных исследований.
Первый раздел посвящен анализу существующих типов понтонов[23].
Большие потери при хранении автомобильного и авиационного топлива, а также других нефтепродуктов потребовали разработки новых условий хранения. Перед резервуаростроением встала задача разработки новых типов хранилищ и более современных методов их изготовления и
монтажа. Появились горизонтальные, цилиндрические, каплевидные, сферические, вертикальные цилиндрические резервуары с различными покрытиями.
Определяющими факторами при выборе конструкции резервуара являются физические свойства хранимого продукта, климатические условия, в которых будет эксплуатироваться резервуар, прочностные показатели и химический состав металла резервуара, объем потерь продукта при хранении, свойства грунтов, а также сметная стоимость.
Легко испаряющиеся и горючие жидкости хранят, как правило, в стальных резервуарах. В объеме хранилищ они составляют более 80 % [11].
Безвозвратные потери приводят к снижению качества нефтепродуктов и пагубно воздействуют на окружающую среду и здоровье людей. Вследствие потерь от испарения даже одного процента легких углеводородов, входящих в состав бензина, его октановое число снижается. Поэтому предотвращение потерь нефти и нефтепродуктов при их хранении обязательно и предусматривается требованиям ГОСТ 1510-84.
Принято разделять плавающие покрытия (ПП) вертикальных цилиндрических стальных резервуаров на две основные группы - внутренние и наружные.
Наружные ПП, или плавающие крыши применяют в резервуарах, не имеющих стационарной крыши.
Внутренние ПП (понтоны) применяют в резервуарах со стационарной крышей. Отсутствие нагрузок от ветра и атмосферных осадков в таких резервуарах упрощает и облегчает конструкцию, снижает эксплуатационные затраты, позволяет обеспечить чистоту хранимых продуктов [12].
Для сокращения потерь нефтепродуктов в резервуарах при использовании всех типов плавающих покрытий реализуется принцип разделения объема газового пространства. Эффективность понтонов во многом зависит от конструкции уплотняющих затворов. Работоспособность
же понтонов, тесно связанная с их эффективностью, в значительной мере обусловлена конструкцией и материалами плавающего покрытия.
Под непотопляемостью понтона резервуара понимают способность понтона сохранять плавучесть и остойчивость при затоплении отсеков и центральной части [36].
Остойчивость - это способность плавающего тела, выведенного из положения равновесия воздействием внешних сил, возвращаться в прежнее положение по прекращении этого воздействия [98]. Теория остойчивости изучает поведение тела в результате приложения пары сил (кренящего момента), плоскость действия которых вертикальна.
Вышеназванную вертикальную плоскость называют плоскостью наклонения, а линию пересечения двух ватерлиний, перпендикулярную к этой плоскости - осью наклонения.
Статическую остойчивость оценивают путем сопоставления кренящего момента и восстанавливающего момента, возникающего при равнообъемном отклонении тела от исходного положения равновесия.
Динамической остойчивостью называют способность плавающего тела воспринимать внезапно приложенные внешние динамические кренящие моменты не опрокидываясь [94].
Динамическую остойчивость оценивают путем сопоставления работы кренящего момента с работой восстанавливающего момента при наклонении тела от исходного положения равновесия до рассматриваемого.
Плоскость в которой лежит фигура, ограниченная ватерлинией как контуром, называют плоскостью плавания.
Преимуществами резервуаров с понтонами являются:
защита продукта и самого плавающего покрытия от атмосферных осадков как в зимнее, так и в летнее время;
значительное уменьшение потерь от испарения;
снижение ремонтных расходов, поскольку отпадает необходимость в
дренаже;
- легкость применения на действующих резервуарах.
Но в процессе эксплуатации установлено, что возможно заклинивание металлических понтонов, перекосы, что в свою очередь приводит к крупным авариям (падению понтонов на откачиваемый продукт с возникновением теплового эффекта, приводящего к пожарам) [23].
Перекосы, заклинивание и потопление понтонов в период эксплуатации могут возникнуть из-за отклонений от вертикали направляющих за счет неравномерной осадки оснований резервуаров, из-за отклонений верхнего слоя (депланация) стенки резервуара от первоначальной формы, а также из-за выноса нефти на понтон за счет ее вспенивания.
При перекачке на форсированных режимах нефть значительно нагревается, парциальное давление растворенных в ней газов повышается. При поступлении газонасыщенной нефти в резервуаре происходит разгазирование, нефть аэрируется и плотность ее значительно снижается, особенно в верхних слоях [20]. Это приводит к большему погружению понтона, к выносу нефти на понтон в виде пены или аэрированной жидкости, скорость разделения фаз в которой ниже скорости подачи нефти в резервуар [24].
Анализ состояния понтонов после их потопления показал, что имели место случаи «спокойного» погружения понтонов в нефть и случаи, когда понтон и направляющие стойки были значительно деформированы.
Проведен обзор научно технической литературы за 35 лет по проблеме использования плавающих покрытий.
Второй раздел посвящен исследованиям налипания нефти и нефтепродуктов на металлические и пенополиуретановые поверхности.
В этом направлении проводились научные исследования сотрудниками ИПТЭР И.С. Бронштейном и А.З. Батталовым.
Потери от налипания на внутреннюю поверхность оборудования при техническом обслуживании и ремонте резервуаров обусловлены физико-химическими и реологическими свойствами нефтей.
Известно, что липкость, клейкость - это способность высоковязкой жидкости или упруго-пластично-вязкого тела удерживаться на твердой поверхности в виде достаточно толстого слоя. Как видно из определения, величина потерь нефти от налипания зависит от ее вязкости и площади поверхности, на которой удерживается налипшая нефть. Следовательно, удельная величина потерь нефти от налипания (коэффициент налипания) -это масса налипшей нефти, приходящаяся на единицу площади тела. Для определения наличия корреляционной связи между коэффициентом налипания и вязкостью нефти были выполнены предварительные исследования (8 экспериментов). В качестве основного метода при исследовании был принят метод взвешивания металлической пластины (20 х 50 х 0,5 мм) до и после погружения в нефть с различной вязкостью. Коэффициент корреляции между коэффициентом налипания и вязкостью по полученным экспериментальным данным составил 0,842. Полученное значение коэффициента корреляции позволяет утверждать о наличии тесной связи между кинематической вязкостью и коэффициентом налипания нефти.
Исследовалось также влияние времени экспонирования металлической пластины в нефти на величину коэффициента налипания. Исследования показали, что увеличение времени экспонирования металлических пластин в нефтях не дает практически заметного возрастания коэффициента налипания. Проводились эксперименты по определению влияния на массу налипшей нефти неоднократных погружений металлических пластин в нефть. В результате установлено отсутствие такого влияния [10].
Таким образом, в результате предварительных экспериментальных исследований установлено, что из всех факторов, которые могли бы оказать
то или иное влияние на величину коэффициента налипания, корреляционная связь наблюдается только с вязкостью нефти.
Для получения зависимости коэффициента налипания от кинематической вязкости нефти были проведены эксперименты. Всего проведено 62 эксперимента.
Перед проведением экспериментов были собраны статистические данные о величинах и диапазоне изменений кинематической вязкости товарных нефтей и нефтепродуктов, перекачиваемых по магистральным нефтепродуктопроводам. В результате обработки статистических данных было получено 6 групп нефтей, отличающихся величиной вязкости.
Металлические пластины размером 20 х 50 х 0.5 мм в количестве 9 шт. маркировали и взвешивали на аналитических весах с точностью 0,0001 г.
Для проведения экспериментов были созданы модели шести групп нефтей (см.выше), отличающихся величиной вязкости. Модели нефтей готовили на основе южноарланской нефти с вязкостью 39,31 мм7с при температуре 20С, добавляя менее вязкие нефти и керосин [10].
Расчеты показали, что для одной и той же группы нефтей необходимо выполнить не менее двух параллельных измерений. На каждой группе нефтей проведено по 3 серии экспериментов.
Как видно из полученных данных, удельная масса налипшей нефти на пластину увеличивается с возрастанием кинематической вязкости.
Используя для обработки табличных данных метод наименьших квадратов, получили зависимость величины коэффициента налипания нефти g„ от ее кинематической вязкости V.
Были также проведены 48 экспериментов по налипанию нефтепродуктов на металлическую поверхность. Для проверки связи коэффициента налипания с вязкостью нефтепродукта были выполнены предварительные исследования.
Из предположения наличия связи между коэффициентом налипания и
вязкостью был определен коэффициент корреляции по полученным экспериментальным данным, позволивший утверждать наличие тесной связи между кинематической вязкостью и величиной коэффициента налипания нефтепродуктов.
Были проведены эксперименты по определению влияния на массу налипшего нефтепродукта неоднократных погружений металлических пластин в нефтепродукт. Исследования велись при одной и той же температуре нефтепродукта. В результате установили отсутствие этого влияния.
Таким образом, в результате предварительных исследований определили, что из всех факторов, которые могли бы оказать то или иное влияние на величину коэффициента налипания, наибольшее влияние оказывает вязкость нефтепродуктов.
Разность двух взвешиваний соответствовала массе налипшего нефтепродукта.
Также были проведены исследования налипания нефтепродуктов на пенополиуретановые поверхности.
Эксперименты выполняли в том же порядке.
Перед проведением экспериментов были собраны статистические данные о возможных величинах кинематической вязкости нефтепродуктов, хранимых в РВС. Для проведения экспериментов были отобраны пробы нефтепродуктов на ЛПДС "Черкассы" и доставлены в ООО ИЦ "ИНТЕКО". Отобранные пробы были проанализированы и определены физико-химические свойства нефтепродуктов[83].
Образцы, покрытые латексом с различной степенью шероховатости, размерами 150 х 50 х 5 мм маркировали, взвешивали на аналитических весах с точностью 0,0001 г, затем пластины погружали в нефтепродукты. По истечении времени выдержки пластины вынимали и взвешивали повторно.
Разность двух взвешиваний соответствовала массе налипшего нефтепродукта.
Как видно из полученных данных, удельная масса налипшего нефтепродукта на образец увеличивается с возрастанием кинематической вязкости.
Используя для обработки табличных данных метод наименьших квадратов, получили зависимость величины коэффициента налипания нефтепродукта от кинематической вязкости нефтепродуктов.
Получен график зависимости коэффициента налипания нефтепродукта на поверхность, покрытую латексом.
Для полученной зависимости по результатам статистической обработки экспериментальных данных рассчитаны доверительные интервалы.
Полученные данные достаточно точно описывают зависимость коэффициента налипания нефтепродуктов от кинематической вязкости.
Для расчета потерь от налипания нефтепродукта на внутреннюю поверхность плавающего покрытия необходимо знать площадь внутренней поверхности. Эта площадь может быть определена путем натурных измерений или по чертежам оборудования.
Третий раздел посвящен разработке методики расчета плавающих покрытий с учетом налипания нефти и нефтепродуктов.
Выполнены исследования плавающих покрытий на плавучесть, остойчивость и непотопляемость. На основе численных экспериментов установлено, как необходимо модернизировать конструкции плавающих покрытий для улучшения характеристик остойчивости.
При расчетах рассматривались понтоны из пенополиуретана ППУ различной толщины для резервуаров различной вместимости с целью определения оптимальных конструктивных параметров понтонов.
Проводился численный эксперимент увеличения массы понтона за счет:
увеличения толщины плавающего покрытия;
дополнительного утяжеления понтона без увеличения его толщины, что возникает, например, в результате армирования. В последнем случае учитывалось возможное влияние аппликаты расположения дополнительного груза.
Результаты расчетов показывают, что с увеличением толщины и массы понтона плечо статической остойчивости увеличивается. Увеличение массы понтона за счет дополнительного его утяжеления мало влияет на плечо статической остойчивости, но способствует значительному увеличению восстанавливающего момента. Изменение положения аппликаты центра тяжести (при дополнительном утяжелении понтона) оказывает слабое воздействие на характеристики остойчивости плавающего покрытия. Следовательно, при помощи расположения утяжеляющей арматуры сверху, снизу или в середине материала понтона нельзя улучшить остойчивость последнего.
Показано, что при увеличении массы плавающего покрытия за счет увеличения его толщины, величины максимально выдерживаемых кренящих моментов растут. То же самое происходит при увеличении массы понтона за счет его дополнительного утяжеления. Но в последнем случае уменьшается угол заливания плавающего покрытия из-за увеличения осадки. Исправить положение можно, если увеличить высоту боковой стенки.
Если рассматривать пенополиуретановые понтоны без дополнительного утяжеления, то осадка составит от 0,005 м для покрытия толщиной 0,07 м до 0,03 м для покрытия толщиной 0,5 м (для понтона радиусом 11,125 м). Таким образом, плавучесть понтонов из ППУ обеспечена. Аналогично проверено условие плавучести для других радиусов понтонов. Доказано, что непотопляемость плавающих пенополиуретановых покрытий обеспечена даже в наихудшем случае полного заливания плавающего покрытия жидкостью с плотностью 700 кг/м (Приложение 2).
Проверено выполнение условия остойчивости в случае попадания жидкости из резервуара на понтон.
Создана программа расчета остойчивости плавающего покрытия с учетом налипания нефтепродукта (Rachetl). Коэффициент налипания устанавливается из графиков, приведенных во 2 разделе.
Разработанная программа универсальна и применима для всех видов внутренних плавающих покрытий.
Четвертый раздел посвящен разработке улучшения конструкции понтонов с помощью успокоителей, положительно влияющих на характеристики остойчивости и тем самым повышающих эксплуатационную надежность резервуаров.
Проведен обзор исследований, на основе работ В.В. Семенова - Тян — Шанского из Ленинградского кораблестроительного института, предложившего кили для исследования остойчивости судна во время качки корабля [94].
На основе указанных разработок в диссертации представлена конструкция успокоителя. Успокоитель выполнен в форме труб Ду 50 мм длиной 2 - 8 м в зависимости от размера понтонов. Варьируя количеством труб, тем самым увеличивая площадь контакта, провели предварительный расчет, представленный в программе Excel, после чего данные были внесены в программу Rachetl.
В диссертации также представлен сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных. Из графиков видно, что простое увеличение массы без увеличения площади плавающего покрытия не столь эффективно, как с успокоителями.
Получены зависимости плеча статической остойчивости от угла наклона плавающего покрытия. Представлены три зависимости: для алюминиевого понтона, для понтона с увеличенной массой без увеличения
площади, для понтона с увеличенной площадью за счет успокоителей и массы, за счет успокоителей и продукта, находящегося в успокоителе.
Установлено, что для плавающих покрытий РВС-5000 без дополнительной нагрузки затопление понтона начинается при угле крена в 9 градусов. В зависимости от величины и места приложения нагрузки угол крена, при котором происходит затопление палубы, может быть меньше.
Таким образом, при значительных кренящих моментах понтоны с успокоителями более надежны в эксплуатации. При равных условиях алюминиевые понтоны с успокоителями выдерживают большие нагрузки, чем алюминиевые понтоны без успокоителей.
Исследование возможных путей повышения эксплуатационной надежности РВС с понтоном
В мире принято разделять плавающие покрытия (ПП) вертикальных цилиндрических стальных резервуаров на две основные группы - внутренние и наружные.
Наружные ПП, или плавающие крыши, применяют в резервуарах, не имеющих стационарной кровли.
Внутренние ПП (понтоны) применяют в резервуарах со стационарной кровлей. Отсутствие нагрузок от ветра и атмосферных осадков упрощает и облегчает конструкцию, снижает эксплуатационные затраты, позволяет обеспечить чистоту хранимых в таких резервуарах продуктов [4, 5, 12, 41, 120].
Внутренние ПП, в зависимости от наличия контакта их нижней поверхности с большей частью зеркала хранимого в резервуаре продукта, разделяют на понтоны и экраны[13, 46]. Понтоны, непосредственно контактируя с продуктом, практически исключают его испарение и образование паров продукта под их поверхностью. Под настилом экранов, поддерживаемых над поверхностью жидкости поплавками, присутствует значительное количество паров хранимой жидкости [23, 37].
Известные преимущества и недостатки различных схем внутренних ПП [14, 23], являются спорными. В таблице 1.1 представлены типы плавающих покрытий, их преимущества и недостатки. Так, низкая масса понтона, с точки зрения исследования остойчивости, является недостатком.
В литературе [23, 62] говорится о положительных свойствах жесткости при рассмотрении классификации плавающих покрытий. Однако, 30 - летний опыт работы фирмы Ultraflote Corporation (США) на мировом рынке опровергает это утверждение. Предлагая понтон гибкой конструкции компания гарантирует запас плавучести, непотопляемости не менее 300%.
Для сокращения потерь нефтепродуктов в резервуарах при использовании всех типов плавающих покрытий реализуется принцип разделения объема газового пространства[[63, 64, 66]. Эффективность понтонов во многом зависит от конструкции уплотняющих затворов. Работоспособность же понтонов, тесно связанная с их эффективностью, в значительной мере обусловлена конструкцией и материалами плавающего покрытия.
Классификация понтонов с основными конструктивными особенностями с учетом характеристик плавучести, остойчивости, непотопляемости, налипания для резервуаров типа РВС со стационарной крышей схематично представлена на рисунке 1.2.
Предложенная классификация плавающих покрытий разделила все виды понтонов на две большие группы в зависимости от материала, используемого в качестве основного, что определяет конструктивные особенности понтонов.
К первой и второй относятся стальные понтоны. Металлические понтоны, как более ранние по времени создания, отнесены к первой группе, которая в свою очередь подразделяется на три подгруппы:
1) с пустотелыми коробами, обеспечивающими плавучесть понтона и в случае нарушения герметичности части коробов;
2) с коробами, заполненными вспененным полимером, что позволяет экономить металл без понижения коэффициента запаса плавучести;
3) третья подгруппа включает алюминиевые понтоны, конструкции которых отличаются лишь формой и размером поплавков.
Ко второй группе отнесены синтетические понтоны. Группа включает три подгруппы. Известно несколько видов конструкций пластмассовых внутренних плавающих покрытий: с поплавками из пластмассы или пенопласта, с металлическими поплавками, на газовой подушке. Ко второй группе отнесены резинотканевые понтоны.
Третья подгруппа включает понтоны из вспененных полимеров, недостатком материала которых является низкий предел прочности. Для ликвидации этого недостатка разработаны конструкции, предусматривающие облицовывание матрицы из вспененного полимера листовым алюминием или стеклотекстолитовыми панелями, а также армирование стеклосеткой.
Коэффициенты запаса плавучести были определены по формуле (1.3), а коэффициенты непотопляемости - по формуле (1.4). В теории корабля запас плавучести выражают в процентах полного водоизмещения. В [39] запас плавучести плавающей крыши 3 рассматривают как разность между высотой наружной стенки Н и глубиной погружения То 3=Н-Т0 (1.2) Коэффициент запаса плавучести К определяют по формуле к=2-. (1.3) я
Под непотопляемостью плавающей крыши резервуара понимают способность крыши сохранять плавучесть и остойчивость при затоплении заданного числа отсеков и центральной части [40].
Последнее определение для понтонов не всегда применимо, так как не у всех понтонов имеются отсеки. Поэтому был введен коэффициент А, характеризующий непотопляемость, вычисляемый как отношение теоретического объема жидкости VTeop., принятой понтоном при нулевом запасе плавучести, к объему жидкости VpeaJL, которую понтон может реально принять на поверхность, в отсеки или поплавки: A = - (1.4) V рса і Очевидно, что при А 1 понтон никогда полностью не погрузится в жидкость, хранящуюся в резервуаре.
Остойчивость - это способность плавающего тела, выведенного из положения равновесия воздействием внешних сил, возвращаться в прежнее положение по прекращении этого воздействия [97]. Теория остойчивости изучает поведение тела в результате приложения пары сил (кренящего момента), плоскость действия которых вертикальна.
Вышеназванную плоскость называют плоскостью наклонения, а линию, проведенную через точки пересечения двух ватерлиний, перпендикулярную к этой плоскости - осью наклонения.
Ватерлиния -линия пересечения корпусом поверхности жидкости. Статическую остойчивость оценивают путем сопоставления кренящего момента и восстанавливающего момента, возникающего при равнообъемном отклонении тела от исходного положения равновесия.
Динамической остойчивостью называют способность плавающего тела воспринимать внезапно приложенные внешние динамические кренящие моменты, не опрокидываясь [85].
Динамическую остойчивость оценивают путем сопоставления работы кренящего момента с работой восстанавливающего момента при наклонении тела от исходного положения равновесия до рассматриваемого положения.
Лабораторные исследования налипания нефтепродуктов на металлическую поверхность
Целью настоящих исследований явилось определение зависимости величин коэффициента налипания от вязкости.
Для получения зависимости величины налипшего нефтепродукта (коэффициента налипания) было выполнено 36 экспериментов (таблица 2.8).
В процессе исследований выполнялись необходимые измерения, предусмотренные методикой. Результаты измерений записывались в журнал наблюдений. В качестве основного метода определения потерь нефтепродукта от налипания был принят метод взвешивания пенополиуретанового образца.
Для проверки связи коэффициента налипания (массы налипшего нефтепродукта на единицу поверхности) с вязкостью нефтепродукта были выполнены предварительные исследования.
По полученным экспериментальным данным и из предположения наличия связи между коэффициентом налипания и вязкостью был определен коэффициент корреляции по формуле (2.2). Последовательность расчетных операций определения коэффициента корреляции и результаты представлены в таблице 2.9.
Приведенное значение коэффициента корреляции г позволяет утверждать о наличии тесной связи между кинематической вязкостью и величиной коэффициента налипания нефтепродуктов.
Для выяснения влияния времени выдержки на величину коэффициента налипания нефтепродуктов на пенополиуретановые образцы выполнены предварительные эксперименты. Результаты показали, что увеличение времени выдержки пенополиуретановых образцов в нефтепродукте не дает заметного возрастания коэффициента налипания. Кроме того, были проведены эксперименты по определению влияния на массу налипшего нефтепродукта неоднократных погружений пенополиуретановых образцов в нефтепродукт.
Исследования велись при одной и той же температуре нефтепродукта. В результате установлено отсутствие этого влияния.
Таким образом, в результате предварительных исследований определили, что из всех факторов, которые могли бы оказать то или иное влияние на величину коэффициента налипания, наибольшее влияние оказывает вязкость нефтепродуктов.
На основании результатов предварительных исследований, приступили к экспериментальному определению зависимости коэффициента налипания от кинематической вязкости нефтепродуктов.
Эксперименты выполняли в следующем порядке. Перед проведением экспериментов были собраны статистические данные о возможных величинах кинематической вязкости нефтепродуктов, перекачиваемых по магистральным нефтепродуктопроводам. Для проведения экспериментов были отобраны пробы нефтепродуктов и доставлены в ООО ИЦ "ИНТЕКО". Отобранные пробы проанализированы и определены физико-химические свойства нефтепродуктов, представленные в таблице 2.10.
Ранее изготовленные образцы, покрытые латексом с различной степенью шероховатости с размерами 150 х 50 х 5 мм в количестве 5 шт. маркировали, взвешивали на аналитических весах с точностью 0,0001 г, затем пластины погружали в нефтепродукты. По истечении времени выдержки пластины вынимали и взвешивали повторно. Разность двух взвешиваний соответствовала массе налипшего нефтепродукта.
Результаты экспериментов по налипанию на пенополиуретановые образцы сведены в таблице 2.8. Как видно из полученных данных, удельная масса налипшего нефтепродукта на образец увеличивается с возрастанием кинематической вязкости.
Используя для обработки табличных данных метод наименьших квадратов, получили зависимость величины коэффициента налипания нефтепродукта от кинематической вязкости нефтепродуктов: g„/„ = 0.0252 + 0.00169 v. (2.13)
В приложении 3 приведена обработка экспериментальных данных. На рисуноке 2.3 приведен график полученной зависимости.
Для полученной зависимости по результатам статистической обработки экспериментальных данных рассчитаны (с вероятностью Р = 0,83) доверительные интервалы.
Полученная зависимость достаточно точно описывает зависимость коэффициента налипания нефтепродуктов от кинематической вязкости.
Для расчета потерь от налипания нефтепродукта на внутреннюю поверхность плавающего покрытия необходимо знать площадь внутренней поверхности. Эта площадь может быть определена путем натурных измерений или по чертежам оборудования. В этом случае количество налипшего нефтепродукта может быть рассчитано по формуле (2.11).
Лабораторные исследования по налипанию нефтепродуктов на пенополиуретановую поверхность
Для определения остойчивости плавающего покрытия необходимо подготовить исходные данные, после чего задать нормативные данные (радиус понтона, высоту покрытия, массу покрытия) и данные, полученные лабораторным путем (плотность жидкости, кинематическую вязкость) и найти по рисункам 2.1, 2.2 или 2.3 коэффициент налипания жидкости, а также аппликату центра тяжести.
При расчетах рассматривались понтоны из ППУ, толщиной 0,07м, 0,14м, 0,3м и 0,5м для резервуаров вместимостью 1000 м3, 2000 м3, 3000 м3, 5000 м3, "Ї "1 10000 м, 50000 м\ 100000 м с целью определения оптимальных конструктивных параметров понтонов (см. Приложение 2).
Проводилось математическое моделирование по увеличению массы понтона за счет: 1) увеличения толщины плавающего покрытия; 2) дополнительного утяжеления понтона без увеличения его толщины, что возникает, например, в результате армирования. В последнем случае учитывалось возможное влияние аппликаты расположения дополнительного груза.
Результаты расчетов по программе Rachetl показывают, что с увеличением толщины и массы плавающего покрытия плечо статической остойчивости увеличивается (рисунок 3.5). Увеличение массы понтона за счет дополнительного его утяжеления мало влияет на плечо статической остойчивости, но способствует значительному увеличению восстанавливающего момента, понижение центра тяжести увеличивает остойчивость. На рисунке 3.6 показан характер изменения предельных выдерживаемых статически приложенных кренящих моментов по опрокидыванию понтона Мм и заливанию понтона Мц, предельных выдерживаемых динамически приложенных кренящих моментов по опрокидыванию понтона Мм и заливанию понтона Мсц в зависимости от толщины понтона и его центра тяжести.
Предельный выдерживаемый динамически приложенный момент находится из условия равенства кренящего и восстанавливающего моментов.
Из графиков, представленных на рисунке 3.6 видно, что при увеличении массы плавающего покрытия (которая зависит от его толщины) величины предельных выдерживаемых кренящих моментов растут. То же самое происходит при увеличении массы понтона за счет его дополнительного утяжеления. Но в последнем случае уменьшается угол заливания плавающего покрытия из-за увеличения осадки. Исправить положение можно, если увеличить высоту боковой стенки. Как показывают расчеты, для понтона радиусом 11,125 м при высоте боковой стенки 0,5 м и массе 8000 кг угол заливания составляет 6, а при высоте боковой стенки 0,14 м угол заливания составит 0,5.
Рассмотрим вопрос непотопляемости плавающих покрытий из ППУ. Наихудший вариант - это заливание плавающего покрытия жидкостью, хранящейся в резервуаре. Бортик высотой 0,1 м задерживает следующий объем жидкости:
Тогда кренящий момент, возникающий при попадании жидкости на половину понтона М = 9,Wc х =0,3052Я3. (3.36) KJ? DfC С С помощью программы остойчивости рассчитали модель понтона из стали, алюминия и пенополиуретана с учетом налипшего нефтепродукта с плотностью 0.7 т/м .
В приложении 2 приведены результаты расчетов, выполненных по выше представленной методике. На рисунке 3.7 представлена зависимость выдерживаемого кренящего момента от кинематической вязкости нефтепродукта плотностью 0,7 т/м3 для пенополиуретанового(ППУ) понтона РВС-1000. Согласно расчетам налипший нефтепродукт составит 1% от общей массы понтона [42]. На рисунке 3.8 - зависимость выдерживаемых кренящих моментов от кинематической вязкости нефтепродукта плотностью 0,7 т/м3 стального понтона по проекту 704-1-57 РВС-5000 (согласно расчетам налипший нефтепродукт составил 0,014% от общей массы понтона). На рисунке 3.9 - зависимость выдерживаемых кренящих моментов от кинематической вязкости нефтепродукта плотностью 0,7 т/м3 стального экрана ЩЖИПСК РВС-5000 (согласно расчетам налипший нефтепродукт составил 0,02% от общей массы понтона). На рисунке 3.10 - зависимость выдерживаемых кренящих моментов от кинематической вязкости нефтепродукта плотностью 0,7 т/м3 экраны из алюминия "Vaconodeck" РВС-5000 (согласно расчетам налипший нефтепродукт составил 0,2% от общей1 массы понтона)[88,89].
Использованы следующие обозначения: предельные выдерживаемые кренящие моменты МК - по опрокидыванию понтона: 1МК - по опрокидыванию понтона с налипшим нефтепродуктом, 2МК - по опрокидыванию понтона без учета налипшего нефтепродукта; МК1-по заливанию палубы: 1МК1 - по заливанию палубы с налипшим нефтепродуктом, 2МК1 - по заливанию палубы понтона без учета налипшего нефтепродукта. Предельные выдерживаемые динамически приложенные кренящие моменты MD - по опрокидыванию понтона: 1MD - по опрокидыванию понтона с налипшим нефтепродуктом, 2MD - по опрокидыванию понтона без учета налипшего нефтепродукта; MD1 - по заливанию понтона: 1MD1 - по заливанию понтона с налипшим нефтепродуктом, 2MD1 - по заливанию понтона без учета налипшего нефтепродукта.
Результаты расчетов показывают, что, чем больше диаметр понтона, а соответственно масса, тем меньше влияние налипшего нефтепродукта.
Сравнивая расчеты понтона РВС-5000 (приложение 3) радиусом 11,125м, высотой понтона в 5 см, массой 0,595 т и понтона с тем же радиусом, высотой в 11 см, массой 1,322т получили увеличение предельных статически приложенных кренящих моментов по опрокидыванию в 4 раза, по заливанию палубы в 4,8 раза, предельных динамически приложенных кренящих моментов по опрокидыванию в 3,8 раза, по заливанию в 4 раза.
Расчет остойчивости плавающего покрытия
Для определения остойчивости плавающего покрытия с успокоителями необходимо провести расчет по вышеуказанным формулам, расчет может быть выполнен с использованием программы Excel. Необходимо задать нормативные данные, расчетные данные и данные, полученные лабораторным путем (плотность жидкости, кинематическую вязкость), найти по рисунку 2.1, 2.2 или 2.3 коэффициент налипания жидкости, а также аппликату центра тяжести.
На рисунке 4.7 представлена зависимость предельных кренящих динамических и статических моментов от массы плавающего покрытия. МК , МКГ, MD , MD1 - динамические и статические моменты покрытия с успокоителями, с увеличенной площадью. МК, МК1, MD, MD1 динамические и статические моменты покрытия без успокоителей, но с увеличенной массой. Диаграммы начинаются из разных точек, т.к. при расчете покрытия с килями был учтен крепеж килей к понтону - стальной лист высотой 300 мм. Из диаграммы видно преимущество использования покрытия с успокоителями над обычной конструкцией понтона.
Сравнивая понтон массой в 4 т с увеличенной массой и с продуктом в успокоителе, получили результаты, показывающие превосходство понтона с успокоителем над понтоном с увеличенной массой MD1 в 2,3 раза, MD в 1,8раз, МК1 в 2раза, МК в 2раза. Металлоемкость понтона с успокоителями меньше аналогичного с увеличенной массой на 22%. Из вышеизложенного видно преимущество понтонов с успокоителем над обычным увеличением массы понтона.
Таким образом, при значительных кренящих моментах понтоны с успокоителями более надежны в эксплуатации. При равных условиях алюминиевые понтоны с успокоителями выдерживают большие нагрузки, чем алюминиевые понтоны без успокоителей.
Целью данного раздела работы является экспериментальное исследование плавающих покрытий резервуаров на остойчивость. Исследование остойчивости плавающих покрытий (ПП) производили на моделях плавающих покрытий стального резервуара вместимостью 5000 м3. Модели были выполнены в масштабе 1/30 натуральной величины. Модели выполнены из фанеры и обрезков труб. Модели герметизированы с помощью специальной замазки и окрашены [6].
Исследование остойчивости ПП проводили на специально созданной для этих целей установке (рисунок 4.9) [38].
Испытываемая модель 1 оборудована штангой 2, установленной в центре диска. Модель установлена на поверхность воды в емкости. На штанге закреплен креномер 4. За штангу закрепили нить, другой конец которой протянули через ролик 5, закрепленный за стойку 3, закрепили к чашке с грузом, успокоитель 6. Помещая на чашку груз весом Р, создали кренящий момент Мкр = PL, где L = 490 мм - длина шага. После крена модели ПП измеряли с помощью креномера угла 9.
При достижении угла крена а = 3,1 происходит резкое наклонение модели до а 35, после чего она притапливается на короткое время, затем возвращается в начальное положение с некоторым количеством воды на мембране[38].
Исследование остойчивости модели проводили при различных видах нагрузок: а) ПП без успокоителей; б) ПП с успокоителем.
Ранее было высказано предложение о том, что дополнительная масса и увеличение площади за счет успокоителей влияет на остойчивость покрытия. Экспериментально установлено (рисунок 4.10), что диаграмма статической остойчивости ПП с успокоителем проходит выше диаграммы статической остойчивости ПП без успокоителя.
Установлено, что для ПП РВС 5000 без дополнительной нагрузки затопление палубы начинается при угле крена 0 = 9. В зависимости от величины и места приложения нагрузки угол крена, при котором происходит затопление палубы, может быть меньше.
Таким образом, при значительных кренящих моментах понтоны с успокоителями более надежны в эксплуатации. При равных условиях алюминиевые понтоны с успокоителям выдерживают большие кренящие моменты, чем алюминиевые понтоны без успокоителей.
Похожие диссертации на Повышение остойчивости понтонов вертикальных стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов
