Введение к работе
Актуальность работы. 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 многофакторному комплексу внешних воздействий: статических, малоцикловых, снеговых, ветровых и гидравлических нагрузок, перепаду внешних температур и агрессивных рабочих сред, а также 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 Шухова В.Г., Раевского Г.В., Корниенко B.C., Сафаряна М.К., Иванцо-ва СМ., Поповского Б.В., Березина В.Л., Каравайченко М.Г., Астряб СМ., Шутова В.Е., Абузовой Ф.Ф., Галеева В.Б., Афанасьева В.А., Ар-зумян А.С., Овчинникова И.Г., Олькова Я.И., Денисовой А.П., Шейна А.А., Шимановского А.В., Бобрицкого С.А., Бабина Л.А.,Стулова Т.П., Лялина К.В., Суворова А.Ф., Тимошенко СП., Лессига Е.Н., Верёвкина С.Н., Коновалова П.А., Сотникова С.Н., Иванова Ю.К., Беленя Е.И., Власова В.З., Гумирова Н.Г., Беляева Б.Ф., Вострова В.К., Кондакова Г.П., Дидковского О.В., Ку-преишвили СМ., Гордона Э.Я., Тарасенко А.А. и др.
В настоящее время научными исследованиями и разработкой типовых решений в резервуаростроении активно занимаются ряд научно-исследовательских и проектных организаций, прежде всего: ВНИПИНефть, г.Москва, ЦНИИПСК им. Мельникова Проектстальконструкция, г.Москва, РУНиГ им. Губкина, г.Москва, ЦНИЛ «Госкомнефтепродукты РФ», г.Москва, ОАО ПИ «Нефтеспецстройпроект», г.Москва, ОАО ВНИИМонтажспецстрой, г.Москва, ТатНИПИНефть, г. Бугульма, ВНИИСПТНефть, г.Уфа.
Из зарубежных ученых проблемами повышения эксплуатационной надежности резервуаров занимались: Brooksbank D., Conrad Н., Currie I.G., Glad-men Т., Holroid R.J., King J.E., Orlik K.G., Palmer S., Runchal A.K., Wright R.N., Ziolko J.
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 результатам работ
С. Верёвкина и Е. Ржевского, около одного миллиона тонн в год. В настоящее время имеет место серьезная тенденция роста аварийных ситуаций в резервуар-ных 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. 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 ряде работ, позволил установить, что в более 70% случаев лавинообразные и необратимые аварии и отказы произошли в результате разрушения самой перенапряженной зоны резервуаров, находящейся в месте сопряжения вертикальной стенки с окрайкой, в основном из-за неравномерной осадки грунтового основания или из-за 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 Госгортехнадзора №76 от 9.06.2003 года в нормативные документы межотраслевого использования были введены в действие ПБ 03-605-03 «Правила устройства вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов», 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 исследования являются стальные вертикальные цилиндрические резервуары наземного типа для хранения нефти и нефтепродуктов.
Предметом исследования 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 по 2004 г., осуществлялись в соответствии: с целевой комплексной программой СМ СССР «Рациональное комплексное использование материально-сырьевых ресурсов в народном хозяйстве в период с 1990 по 2000 год» и государственной научно-техішческой программой «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и технологических катастроф» на период 1991 -2010 гг., утвержденной ГКНТ СССР 31.11.90 г. и в 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 конструированшо, расчету, проектированию, возведению и эксплуатации исследуемого объекта на основе применения новых нетрадиционных технических решений с обоснованием введения системы активного управления несущей способностью системообразующих РВС элементов.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы, обоснованы и поставлены следующие задачи:
проанализировать и обобщить все доминирующие причины отказов и аварий РВС;
разработать новые принципы повышения эксплуатационной 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 гибких 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 новых технологий;
разработать принципиально новую систему кольцевого армирования грунта с автоматическим управлением его несущей способностью на основе активного преднапряжения грунта;
разработать новый способ предварительного пластического деформирования грунтового основания до начала монтажа'металлоконструкций днища РВС с целью максимального уменьшения напряженно-деформированного состояния в днище резервуара;
— выполнить оптимизацию элементов сопряжения стенки и днища
резервуара, плавающей крыши, гибких затворов, а также новой систе
мы кольцевого армирования грунта с активным управлением его несу
щей способностью;
— разработать научные основы активной системы управления эксплуата
ционной надежностью крупноразмерных, стальных, вертикальных ре
зервуаров.
Методы исследования. Все задачи диссертационного исследования 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 и объектов 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 новизна 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 и возможности испарения хранимого нефтепродукта с созданием эффективной системы удаления атмосферных осадков (снега, дождевой воды, льда) с минимальными энергозатратами;
разработана новая система сопряжения стенки резервуара с окрайкой;
разработан новый алгоритм расчета НДС корпуса резервуара при использовании предложенной схемы гибкого сопряжения стенки и днища РВС большого объема;
разработана система магнитных 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 эффективная оптимизация элементов сопряжения стенки и днища резервуара, плавающей крыши, гибких затворов, и новой системы кольцевого армирования фунта с активным управлением уровня преднапряжения последнего;
разработан новый способ предварительного деформирования грунтового основания РВС до начала монтажа металлоконструкций рабочего днища и создана специальная оснастка для этого;
разработана система кольцевого армирования грунта с автоматическим управлением его несущей способностью на основе активного преднапряжения грунта с многократным повышением его несущей способности и уменьшением деформируемости грунта;
определена эффективность системы вертикального армирования грунтового основания под РВС с преднапряжением по окружающему грунту;
разработан аналитический метод расчета осадок грунта, армированного специальной кольцевой системой с активным преднапряжением грунта;
— разработана концептуальная основа организации активной системы
управления эксплуатационной надежностью крупноразмерных резервуаров;
— разработана элементная база для организации технического мониторин
га НДС корпуса резервуара большого объема.
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 многофакторном и дисперсионном анализе, и подтверждена многократными проверками полученных результатов на основе использования критериев Кохрена, Стьюдента 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.
Положения, выносимые на защиту:
новые принципы повышения эксплуатационной надежности резервуаров большого объема;
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 методик их расчета;
результаты оценки в натурных условиях уровня «остаточных» и «действующих» напряжений в рабочем корпусе РВС;
результаты разработки и экспериментально-теоретическое обоснование новых систем магнитно-жидкостных и трансформируемых затворов с методами их расчета;
— результаты разработки системы автоматического управления напря
женно-деформированным состоянием и эксплуатационной надежностью РВС
нового поколения;
— результаты экспериментальных и теоретических исследований
свайных и кольцевых фундаментов, преднапряженных по грунту, с обоснова
нием повышения их несущей способности и оптимизацией основных техниче
ских характеристик и параметров;
результаты экспериментальных и теоретических исследований работы системы кольцевого армирования грунта на основе активного преднапряжения грунта с оптимизацией ее основных технических характеристик;
методы возведения и монтажа несущих и ограждающих конструкций РВС нового поколения.
Практическое значение работы состоит :
в разработке нового способа сопряжения стенки резервуара с окрайками и днищем, новой конструкции плавающей крыши без использования направляющих стоек, а также принципиально новой системы кольцевого армирования грунта с преднапряжением 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 разработке и апробировании новых методик и алгоритмов аналитических и численных расчетов напряженно-деформированного состояния новых несущих и ограждающих конструкций РВС большого объема;
в экспериментальном обосновании новой системы активного кольцевого армирования грунта, которую можно широко использовать при строительстве на слабых грунтах не только РВС, но и высотных зданий, специальных сооружений, мостовых опор, реакторных отделений АЭС;
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 опасных объектов.
Внедрение результатов работы произведено:
- при разработке долгосрочного стратегического плана развития, рекон
струкции, ремонта и переоснащения нефтеналивных резервуаров на Балаков-
ской 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» Балаковской 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 «Атомэнергопро-ект» на Балаковской АЭС в виде нового кольцевого фундамента с активным преднапряжением по грунту;
в учебном процессе Балаковского института техники, технологии и управления при организации и проведении лабораторных работ и чтении курса лекций соответственно по следующим дисциплинам: «Спецкурс по строительным конструкциям», «Листовые конструкции», «Обследование и испытание зданий и сооружений».
Апробация работы. Основные положения работы доложены на: Международной конференции «Новые решения конструкций, технологии сооружения и ремонта стальных резервуаров» (Болгария, Варна, 2006); 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 недвижимость» (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 «Композит — 2004. Перспективные полимерные композиционные материалы. 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 «Совершенствование 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, подготовка кадров в строительстве» (Москва, 2003); ХХШ Российской школе «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 по проблемам свайного фундаментостроения (Москва, 1998); XVI Международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых тел» (Санкт-Петербург, 1998).
Публикации. Основные результаты работы изложены в 75 публикациях, в состав которых входят 3 монографии, 13 патентов и 3 авторских свидетельства на изобретения, из них 26 опубликованы в центральной печати.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, общих выводов, заключения, списка использованной литературы из 321 наименования и приложения. Работа содержит 318 страниц основного текста, в том числе 124 рисунка, 35таблиц, и 8 приложений на 47 страницах.
