Курсовая работа на тему «Расчет стенки резервуара на устойчивость»

ВВЕДЕНИЕ
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Климатическая характеристика района проектирования
1.2 Основания и фундаменты резервуаров на площадках с вечномерзлыми грунтами
1.3 Особенности строительства при отрицательных температурах
1.4 Критерии выбора технических решений
1.5 Диагностика системы термостабилизации грунтов основания РВС
1.6 Основные сведения о технологическом оборудовании
1.7 Основные сведения о технологии производства
1.8 Технологические решения
2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Определение геометрических параметров резервуаров
2.2 Определение толщины стенки резервуара
2.3 Расчет стенки резервуара на устойчивость
2.4 Расчет сопряжения стенки с днищем
2.5 Конструирование и основные положения расчета крыши
2.6 Расчет кольцевой балки настила
2.7 Расчет настила
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 63

 

ВВЕДЕНИЕ

Одна из основных задач при проектировании резервуара есть выбор его фундамента, предназначенного для передачи нагрузки к основанию.

В особенности актуально на сегодняшний день проектирование резервуаров в сложных геолого-климатических условиях.

Исходя из положения в пространстве цилиндрические резервуары разделяют на:

1)    резервуары вертикальные;

2)    резервуары горизонтальные.

Несмотря на большой выбор конструкций резервуаров самыми распространенными в нашей стране являются наземные цилиндрические вертикальные резервуары, которые в зависимости от назначения или условий эксплуатации делятся на следующие типы:

• типовые сварные РВС со стационарной крышей;
• с понтоном и плавающей крышей;
• резервуары, рассчитанные для эксплуатации в северных районах.

Резервуары делятся в зависимости от технологических операций на:

• резервуары для хранения маловязких нефтей и нефтепродуктов;
• резервуары для хранения высоковязких нефтей и нефтепродуктов;
• резервуары–отстойники;
• резервуары для хранения нефтей и нефтепродуктов с высоким содержанием насыщенных паров.

Цель работы – проектирование вертикального стального резервуара для хранения высоковязких нефтей со стационарной крышей в условиях сезонно-мерзлых грунтов, когда верхний слой грунта, находящийся под температурным воздействием резервуара, в теплое время года оказывается в талом состоянии, что приводит к необходимости поддержания грунта целый год в мерзлом состоянии во избежание неравномерной осадки, а также для предотвращения нарушения геометрии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выбор технологии строительства резервуара при заданных геолого-климатических условиях;
• расчет толщины стенки всех поясов стенки резервуара;
• расчет резервуара на прочность и устойчивость.

В работе проведен расчет резервуара вертикального стального объемом 50000 кубических метров в условиях сезонно-мерзлых грунтов в городе Омске.

 

1   ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Климатическая характеристика района проектирования

 

Характеристика приведена для города Омска согласно [1].

 

Основания и фундаменты резервуаров на площадках с вечномерзлыми грунтами

Принципы использования вечномерзлых грунтов в качестве основания.

При сооружении на вечномерзлых грунтах, исходя из технологических и конструктивных особенностей строений, инженерных условий и способов изменения у основания свойств грунтов используются на выбор следующие принципы применения их в качестве основания:

Принцип I – использование вечномерзлых грунтов основания в состоянии мерзлоты, которое сохраняется в течение всего периода строительства и эксплуатации;

Принцип II – использование вечномерзлых грунтов основания в уже оттаянном или оттаивающем состоянии (при условии оттаивания грунтов до начала строительства на расчетную глубину или при разрешении оттаивания в течение периода эксплуатации);

Первый принцип стоит применять в случае возможности сохранения грунтов в состоянии мерзлоты при экономических затратах на мероприятия, которые обеспечивают сохранение этого состояния. При строительстве на участках с твердомерзлыми грунтами и/или в районах с повышенной сейсмической активностью обычно принимают первый принцип.

Принцип II применяют при присутствии в основании малосжимаемых грунтов (например, скальных), у которых деформации при оттаивании не будут превышать предельных значений для строящегося сооружения, при прерывистом распространении грунтов, и в случаях, при которых невозможно обеспечение необходимого уровня надежности строительства ввиду инженерных условий участка и конструктивных и технических особенностей строения при сохранении основания грунтов в состоянии мерзлоты.

Выбор принципа применения вечномерзлых грунтов как основания строений, а также средств и способов, требуемых для обеспечения температурного режима грунтов, принятого в проекте, основывается на сравнении технико-экономических расчетов (ТЭР).

Устройство оснований и фундаментов при использовании вечномерзлых грунтов по принципу I

Используя вечномерзлые грунты как основания сооружений по первому принципу требуется предусматривать следующие условия для сохранения основания грунтов в мерзлом состоянии и гарантирования сохранения теплового расчетного режима:

• укладку охлаждающих каналов, труб в основании или использование вентилируемых фундаментов;
• расположение вентилируемых подполий или холодных первых этажей зданий;
• монтаж сезонно-действующих охлаждающих устройств (СОУ) парожидкостного или жидкостного типов.

Также необходимо осуществлять иные мероприятия для уменьшения или полного устранения на мерзлые грунты теплового воздействия.

Выбор одного или нескольких мероприятий основан на теплотехническом расчете с учетом технологических и конструктивных особенностей строения, экономической целесообразности и опыте местного строительства.

Вентилируемые подполья применяются в целях сохранения мерзлого состояния грунтов в основаниях промышленных и жилых сооружений, в том числе зданий с повышенными выделениями тепла. Теплотехнический расчет устанавливает необходимый тепловой режим холодного подполья.

Подполья согласно климатическим условиям, а именно снегозаносимости, а также теплотехническому расчету разрешается размещать закрытыми или открытыми, с вентилируемыми продухами в цоколе сооружения; при потребности устраиваются вытяжные или приточные трубы у продухов, при этом воздухозаборные отверстия располагают выше наибольшего уровня снегового покрова. Холодные первые этажи сооружений и закрытые холодные подполья строят при следующих условиях: ширина зданий составляет менее 15 метров; среднегодовая температура грунта менее минус двух градусов Цельсия.

Исходя из условий обеспечений вентилирования подполья выбирается его высота, но не менее 1,2 метров до низа выступающих конструкций от поверхности грунта; в случае размещения коммуникаций в подполье высота определяется по условиям свободного доступа к ним, но минимум 1,4 метров. Высоту разрешено понижать до 0,6 метров под отдельными участками шириной до 6 метров при условии, что в них отсутствуют фундаменты и коммуникации.

В подполье необходимо планировать поверхность грунта с уклонами в сторону наружных водосборов или отмосток, которые будут обеспечивать отвод воды беспрепятственно и иметь желательно твердое покрытие.

Холодные фундаменты и охлаждающие каналы или трубы разрешено устанавливать с побудительной или естественной вентиляцией. Преимущественно их применяют в целях сохранения в основании строений с полами мерзлого состояния, при сооружении инвентарных зданий, блочно-модульных зданий и поверхностных или малозаглубленных фундаментов на подушке.

Охлаждающие каналы, вентилируемые фундаменты и трубы укладывают выше уровня подземных вод, обычно на подсыпке из неморозоопасного грунта с уклонами в сторону объединительных коллекторов. Предусматривается укладка гидро- и теплоизоляции  в целях уменьшения под полами здания высоты подсыпки и теплопритока в грунт.

СОУ, как правило, применяют в комбинации с другими ОУ в целях сохранения основания грунтов в мерзлом состоянии, а также для повышения у опор линейных сооружений несущей способности в пластичномерзлых грунтах и устройства льдогрунтовых завес, восстановления теплового режима, который был нарушен при эксплуатации здания в его основании и для других целей.

Холодные подполья или иные виды ОУ при построении на пластичномерзлых грунтах фундаментов проектируют в условиях обеспечения необходимого понижения температуры грунтов при эксплуатации строения. В целях увеличения на фундаменты расчетных нагрузок и понижения сроков строительства необходимо предусмотреть предварительное охлаждение пластичномерзлых грунтов (с помощью СОУ, очисткой поверхности от снега) при условии, что постоянно действующие охлаждающие устройства впоследствии будут поддерживать температурный режим.

В местах, где вечномерзлый грунт не сливается со слоем сезонного промерзания-оттаивания, предусматривают меры по поднятию верхнего слоя вечномерзлого грунта до расчетного уровня или стабилизации путем предварительного промораживания у основания грунтов. Расчетом определяют глубину заложения фундаментов, но минимум 2 метра от верхнего слоя вечномерзлого грунта. Разрешается фундаменты закладывать в не мерзлом слое грунта тогда, когда закладка обоснована расчетом основания.

Используя вечномерзлые грунты как основания по первому принципу допускаются к применению столбчатые, свайные и иные фундаменты, включая фундаменты на искусственных (намывных и насыпных) основаниях. Способ устройства основания и тип фундамента следует устанавливать проектом исходя из инженерных условий строительства, технико-экономической целесообразности и конструктивных особенностей строения.

Необходимо, чтобы конструкции фундаментов удовлетворяли требованиям, которые предъявляются к материалу фундаментов по прочности согласно требованиям [2,3,4], а те элементы фундаментов, что находятся в слое сезонного оттаивания и промерзания грунта и выше, — еще требованиям по устойчивости к воздействию агрессивной среды, водонепроницаемости и морозостойкости согласно требованиям [2,3]. Деревянные и металлические конструкции в слое сезонного оттаивания и промерзания грунта должны защищаться от гниения и коррозии.

При строительстве в вечномерзлых грунтах свайных фундаментов допустимо применять виды и конструкции свай, предусмотренные [4], включая полые, буронабивные, сваи-оболочки и составные сваи из различных материалов.

Также в проекте указываются температурные условия пригодные для нагружения свай и способы их погружения. По методам погружения в грунт и условиям применимости сваи делятся на:

• буроопускные – полые и сплошные сваи, погружаемые свободно в скважины, у которых диаметр не менее чем на 5 сантиметров превышает наибольшее поперечное сечение, с наполнением свободного пространства растворами на выбор известково-песчаным, глинисто-песчаным, цементно-песчаным или иного состава, которые принимаются при обеспечении прочности смерзания грунта со сваей. Буроопускные сваи допустимы к применению в любых грунтах, где средняя температура по длине минус 0,5 градусов Цельсия и меньше;
• опускные – полые и сплошные сваи, свободно погружаемые или с пригрузом в оттаянный грунт на участке с диаметром, который берется до двух поперечных размеров сваи. Опускные сваи применяются в твердомерзлых грунтах глинистых и песчаных, которые содержат максимум 15 процентов крупнообломочных включений со средней температурой грунта по длине максимум минус 1,5 градуса Цельсия;
• бурообсадные – полые сваи-оболочки и сваи, которые погружаются в грунт через разбуривание полости сваи в забое грунта с периодическим осаживанием этой сваи. Бурообсадные сваи допускается применять при наличии межмерзлотных подземных вод и в случае устройства сварных фундаментов в сложных инженерных условиях.
• забивные (бурозабивные) – полые и сплошные сваи, которые рассчитаны на восприятие ударных нагрузок и погружаются забивкой в скважины (включая лидерные), с диаметром меньшим, чем наибольшее поперечное сечение сваи. Забивные сваи применяются в пластичномерзлых грунтах с крупнообломочными включениями до 10 процентов на основании пробных погружений на этой площадке;
• винтовые – полые сваи с одной/несколькими лопастями или винтом, которые погружаются путем завинчивания в скважины (например, лидерные), диаметр у которых меньше, чем наибольшее поперечное сечение ствола сваи. Винтовые сваи применяются в пластичномерзлых грунтах с крупнообломочными включениями до 10 процентов на основании пробных погружений на этой площадке.

Разрешено применять иные способы погружения свай при условии, что температура грунта не превысит допустимого значения, которое подтверждается теплотехническим расчетом и экспериментальными данными.

При установке свай расстояние между осями принимается равным: для бурообсадных и буроопускных свай – минимум два диаметра скважины, если диаметр скважины менее или равен одному метру и минимум диаметр скважины плюс один метр, если он равен или более одного метра; для забивных, бурозабивных и опускных свай — минимум три наибольших размера поперечного сечения сваи.

Исходя из нагрузок на фундаменты, размещения технологического оборудования и конструкции здания, число свай, способы установки ростверков и их размеры, размещение свай в плане определяются согласно требованиям [4], учитывая температурно-влажностные воздействия и несущую расчетную способность свай; не допускается по грунту укладывать ростверки, а также с зазором меньше 0,15 метров от поверхности, и меньше 0,5 метров для устоев мостов.

При проектировании сооружений на искусственных основаниях (насыпях или подсыпках) следует предусматривать устройство фундаментов мелкого заложения (столбчатые, ленточные, плитные, с вентилируемыми каналами и др.). Фундаменты следует закладывать в пределах высоты подсыпки, определяемой теплотехническим расчетом с учетом дополнительных мероприятий по сохранению мерзлого состояния грунтов оснований.

Подсыпка выполняется из крупнообломочного или неморозоопасного песчаного грунта, который укладывается уже после того, как деятельный слой промерзнет.  При устройстве подсыпок разрешено применять шлаки и иные отходы производства при условии, что они не подвергаются размоканию и растворению, разрушению и пучению.

Фундаменты и основания при строительстве фундаментов на подсыпках необходимо рассчитывать по деформациям и несущей способности, учитывая результаты прогнозных расчетов и требования.

• Устройство оснований и фундаментов при использовании вечномерзлых грунтов по принципу II

Для фундаментов и оснований сооружений и зданий, строящихся с использованием вечномерзлых грунтов по второму принципу, предусматривают проведение мероприятий по приспособлению конструкций сооружения к восприятию неравномерных деформаций основания или по уменьшению деформаций основания, которые назначаются из расчета по деформациям.

Мероприятия выбираются по технико-экономическому расчету.  В случае, когда расчетные осадки сооружения превышают допустимые по технологическим и архитектурным требованиям значения, а для сооружений по типовым проектам, — предельные деформации по условиям устойчивости и прочности, проводят мероприятия по уменьшению деформаций.

Исходя из расчета совместной работы сооружения и основания проводят мероприятия по приспособлению конструкций строения к неравномерным деформациям оттаивающего основания.

В случае уменьшения деформация основания предусматривается:

• повышение глубины заложения фундаментов, включая опирание на малосжимаемые при оттаивании (скальные) грунты и прорезку льдистых грунтов;
• замещение льдистых грунтов основания крупнообломочным, песчаным непросадочным при оттаивании или талым грунтом;
• уплотнение грунтов основания и искусственное предварительное оттаивание;
• ограничение глубины оттаивания мерзлых грунтов основания, включая стабилизацию верхней поверхности грунта при эксплуатации здания. [6]

По расчету основания на деформации также устанавливают глубину замены льдистых грунтов на малосжимаемые при оттаивании и глубину предварительного оттаивания.

Необходимо, чтобы контуры замены грунтов или участка оттаивания основания выходили за контуры сооружения не меньше чем на половину глубины предварительного оттаивания грунта.

Позволяется использовать меньшую площадь замены грунтов или предварительного оттаивания в плане и проводить локальное оттаивание грунтов под фундаментами при условии обоснования расчетом основания по устойчивости и деформациям.

Допустимо проводить оттаивание грунтов за счет различных источников тепла, включая способы парооттаивания и электрооттаивания. Но должна обеспечиваться степень уплотнения грунта оттаянного, установленная проектом.

В целях лимитирования глубины оттаивания грунтов у основания строения предусматривают установку теплоизолирующих экранов и подсыпок, а также увеличивают сопротивление полов первых этажей теплопередаче и иные мероприятия по сокращению влияния тепла сооружения на грунты, и стабилизацию верхней поверхности грунта ниже глубины заложения подошвы, регулируя температуры воздуха на технических этажах или подпольях.

Обеспечивают приспособление конструкций строений к неравномерным деформациям следующими методами:

• устанавливая шарнирные сопряжения отдельных конструкций с учетом осуществимости рихтовки технологического оборудования и их выравнивания, увеличивая гибкость и податливость строения через разрезку его конструкций деформационными швами;
• увеличивая пространственную жесткость и прочность сооружения, которая достигается через строительство поэтажных армокирпичных и железобетонных поясов, сопряженных с перекрытиями, разрезая на отдельные отсеки протяженные здания длиной до ширины равной 1,5 ширины сооружения, усиливая армирование конструкций, располагая равномерно поперечные сквозные стены, путем замоноличивания элементов перекрытия и усиливая цокольно-фундаментную часть;

Применяя вечномерзлые грунты как основания по второму принципу обычно используют следующие фундаменты:

• ленточные, усиленные армопоясами, включая фундаменты в виде перекрестных жестких лент, которые перераспределяют и воспринимают усилия, вызванные неравномерной осадкой оттаивающего основания, для зданий, строящихся на оттаивающих грунтах, а по необходимости и плитные; разрешено использовать ленточные, столбчатые и другие фундаменты естественного основания на предварительно уплотненных и оттаянных грунтах, включая свайные, при обусловленности грунтовыми условиями;
• ленточные гибкие, столбчатые и отдельно находящиеся фундаменты под колонны, а по необходимости свайные для сооружений с гибкой конструктивной схемой.

Используют свайные фундаменты, столбчатые из свай-стоек, включая составные и буронабивные сваи, если в основании строений залегают малосжимаемые (скальные) при оттаивании грунты.

Сваи обычно погружают буроопускным методом в скважины, у которых диаметр как минимум на 15 сантиметров превышает у сваи максимальные размеры поперечного сечения, с замоноличиванием свободных промежутков цементно-песчаным, грунтовым или иным раствором. Согласно требованиям [7] производят установку свай-стоек в скальные грунты.

Особенности строительства при отрицательных температурах

При отрицательных температурах для сборки и сварки резервуаров требуется соблюдать специфические технологические условия, а также необходима специальная подготовка. Разрешается производить сборочно-сварочные работы при температуре до минус 20 градусов Цельсия при соблюдении той же технологии, что и при производстве работ летом. Кромки нужно тщательно очищать во избежание пористости шва. Листы толщиной, равной или более 5 необходимо собирать только при помощи сборочных приспособлений, при этом не допуская ударов по сварным соединениям и металлу молотками и кувалдами. [7]

Необходимо выполнять следующие требования, выполняя в зимних условиях работы по сборке резервуаров:

• размещение помещений для обогревания на монтажной площадке, которые будут находиться от резервуара на расстоянии 150-200 метров;
• устранение дефектов лишь при условиях, что температура будет не ниже 0 градуса Цельсия, а подогрев металла будет проводиться до 100-150 градусов Цельсия на расстоянии не менее чем на 100 миллиметров от шва в обе стороны;
• прокалку электродов;
• защиту от непогоды сварочного оборудования (закрытое помещение, навес);
• сварку таврового шва двухслойной сваркой обратноступенчатым способом одновременно с двух сторон;
• выполнение сварки шва при его длине: при ручной сварке — не более одного метра, при автоматической – не более 6 метров;
• хранение электродов на рабочем месте в термопеналах;
• выполнение стыковых соединений стенки резервуара одновременно с наружной и внутренней стороны. Необходимо, чтобы сварщик, который работает внутри, опережал сварщика, который работает снаружи, приблизительно на 300 миллиметров;
• непосредственно перед сваркой просушку увлажненных мест (нагрев до 100-150 градусов Цельсия).

Критерии выбора технических решений

Многолетнемерзлые грунты делятся на пластично-мерзлые и твердомерзлые. Первые не очень прочно сцементированы со льдом, вторые — прочнее. Температура пластично-мерзлых грунтов составляет: у глин — 1,5 °С, у супесей — 0,6 °С, у пылеватых песков — 0,3 °С, у средних и крупных песков от 0 до — 0,1 °С.

Толщина многолетнемерзлых грунтов бывает слоистая или непрерывная. При слоистой толщине талый грунт располагается в мерзлом. [8]

Многолетнемерзлые грунты иногда покрывают всю сплошь строительную площадку. В таком случае это называется сплошным распространением мерзлоты. Такая мерзлота бывает в виде отдельных линз, которые окружены талым грунтом.

Деятельным слоем мерзлоты называют верхний слой, который замерзает зимой и оттаивает к лету. При этом зимой иногда он смыкается, как бы сливаясь, с верхним уровнем многолетнемерзлого грунта. Поэтому такой вид мерзлоты называют сливающейся.

Несливающейся мерзлотой называют мерзлоту со слоем талого грунта, который располагается между многолетнемерзлым и деятельным слоями в холодное время. У деятельного слоя толщина зависит от вида грунтов и географического района. Талые грунты залегают ниже многолетнемерзлых.

Строительство и проектирование резервуаров на участках с многолетнемерзлыми грунтами как правило производится с применением грунтов по первому принципу.

Опыт эксплуатации и строительства по второму принципу на многолетнемерзлых суглинистых, глинистых и супесчаных грунтах с содержанием льда более 0,1 говорит о том, что все сооружения так или иначе, в той или иной степени деформировались. Следовательно, проектирование на многолетнемерзлых грунтах по принципу допущения оттаивания, то есть по второму принципу, допустимо при условии, что в основании есть не льдистые, скальные или иные малосжимаемые грунты, у которых деформации при оттаивании менее, чем предельно допустимые значения для строящегося здания.

У застраиваемой территории предусматривают лишь один принцип применения многолетнемерзлых грунтов как основания. Учитывают это условие обязательно и в дальнейшей реконструкции, расширении и размещении инвентарных (временных) зданий, а также при прокладке инженерно-технических сетей.

Выбирая технические решения по устройству оснований и фундаментов под резервуары на многолетнемерзлых грунтах главным критерием служит их надежность работа на весь период эксплуатации. Выбирая тип основания и фундамента следует обязательно учесть факторы, которые влияют на их устойчивость:

• внешние: влияние склоновых и эрозийных процессов, водотоков, разломов, сейсмических нагрузок и т.д., при которых есть вероятность разрушения основания или фундамента резервуара;
• геокриологические и геологические грунтовые условия в период изысканий;

Без значительных затрат на установку охлаждающих систем решить эти задачи позволяют технологические особенности сооружения резервуаров. Практикой строительства на мерзлых грунтах выработано несколько приемов, позволяющих искусственным путем поддерживать требуемую отрицательную температуру грунта и даже понизить ее в тех случаях, когда это необходимо. Для строительства резервуаров эффективнее использовать саморегулирующие охлаждающие устройства (СОУ), при помощи них образуются температурные заслоны, которые предохраняют мерзлый грунт от воздействия на него положительных температур продукта, находящегося в резервуаре, а также происходит искусственное охлаждение грунта за счет циркуляции газа или жидкости.

Укладывают трубы ОУ обычно в пределах устраиваемых прямо под резервуарами грунтовых подушек. Расстояние до охлаждающих труб от днища резервуара составляет, как правило, две трети высоты подушки. Трубы укладываются в направлении с севера на юг, а ОУ располагают в северной стороне резервуара в целях обеспечения наиболее благоприятных условий охлаждения жидкости, которая применяется как носитель холода. Конвективная циркуляция носителя большую часть года осуществляется путем его охлаждения наружным воздухом.

При этом в целях повышения эффективности охлаждения, особенно в период с температурой воздуха выше нулевой отметки, в этой системе охлаждения допустимо применять и принудительную циркуляцию, используя электрические холодильные установки.

Данная система по предохранению мерзлых грунтов от оттаивания под воздействием температур продукта выше нуля является достаточно эффективной, так как в ней процесс поддержания необходимой температуры мерзлого грунта допустимо полностью автоматизировать.

Необходимо предусматривать надежное соединение в местах пересечения дополнительных армирующих элементов с охлаждающими трубами с помощью винтовых хомутов или иных конструкций для того, чтобы обеспечить их совместную работу.

Эксплуатационная надежность данной конструкции основания резервуаров, несмотря на ее простоту, очень высока. Конструкция также обладает и достаточно высокой экономической эффективностью, так как для охлаждающей системы допустимо применение синтетических труб, которые обладают хорошей устойчивостью к агрессивным средам и повышенными механическими параметрами.

Использование изложенной конструкции основания разрешает добиться значительных технико-экономических показателей и целиком убрать расход бетона и металла на устройство фундаментов и оснований под резервуары.

Диагностика системы термостабилизации грунтов основания РВС

В первую очередь при эксплуатации диагностика систем термостабилизации выполняется мероприятиями инженерно-геокриологического мониторинга и контактными теплофизическими измерениями. Мониторинг включает:

• мониторинг температур грунтов оснований;
• определение температур окружающего воздуха;
• в конденсаторной части устройств замер температур элементов;
• зрительный контроль работоспособности устройств;
• определение скорости ветра – в целях оценивания процессов теплообмена между окружающим воздухом и устройствами.

Наблюдения проводятся для прогнозирования и оценки температурного состояния осматриваемого грунтового основания и получения заключения о работоспособности систем термостабилизации, а также моделирования процессов в программах MathCAD, Thermostab, FROST-DK и сравнения экспериментальных данных с расчетными. Результаты мониторинга систем предоставляются в виде отчета.

Однако реальные методы контроля работоспособности обладают несколькими ограничениями в отношении особых типов систем термостабилизации. А именно в отношении индивидуальных термостабилизаторов. Термометрическая труба (ТТ) в условиях полигона устанавливается для каждого термостабилизатора, при помощи нее ведется наблюдение за состоянием грунтов. Осуществляется прямой доступ к каждой экспериментальной установке в целях контактного определения температуры на конденсаторной части. Это позволяет составить наиболее полное представление о работоспособности индивидуальных термостабилизаторов.

Но на объектах со значительным числом термостабилизаторов данный метод контроля недопустим: отсутствует техническая возможность устанавливать термометрическую трубу для каждого ТК. Следовательно, устанавливается всего несколько ТТ на один объект, на котором установлено несколько сотен ТК, а это, безусловно, не позволяет судить о работоспособности всех термостабилизаторов. Замер температуры конденсаторных частей ТК контактным методом тоже не целесообразен, поскольку для этого требуется значительное время. Поэтому необходим новый метод обследования работоспособности систем термостабилизации.

В последнее время при анализе технологических процессов и технологическом обслуживании теплонагруженных систем, узлов и установок инфракрасную тепловизионную диагностику ужу несколько лет рассматривают как сложившийся практический метод, техническая целесообразность и экономическая эффективность которого неоспорима. Анализ теплофизических процессов (формирования аномалий температур, анализ потерь тепла, распределения температурных полей и т.д.) разрешает получить весьма полную информацию о прохождении теплофизических процессов в промышленности, природе, строительстве, энергетике, а также о состоянии объектов.

Именно поэтому использование тепловизора является более целесообразным для диагностики СТС.

На термоснимках протекает граница раздела температурных полей — температура на оребренной части работоспособных термостабилизаторов выше, чем температура наружного воздуха примерно на 2 градуса Цельсия и больше. Одновременно с этим у неработоспособного ТК температура на поверхности конденсаторной части почти не различается с температурой окружающего воздуха. Это основной критерий, определяющий работоспособность СОУ. В условиях полигона неработоспособность термостабилизатора тоже обосновывается значениями грунтовых температур в непосредственной близости от термостабилизатора.

Основные достоинства данного метода, позволяющие утверждать то, что тепловизионная диагностика является самым экономичным и современным методом диагностики систем термостабилизации:

• экономия времени и высокая производительность: нет потребности обходить каждый ТК, который часто располагается в труднодоступных местах, и определять температуру конденсаторной части;
• дистанционность: позволительно одновременно снимать несколько блоков конденсации и термостабилизаторов во время тепловизионной диагностики, а также осуществлять панорамные тепловизионные снимки объектов со значительными размерами в малопроходимых и труднодоступных местах;
• точность: у тепловизора-термографа она составляет 0,05 градусов Цельсия, а это позволяет качественнее оценить, как изменяется температура по длине конденсаторной части;
• информативность: тепловизор позволяет получать всю картину тепловых полей у исследуемых объектов, что делает возможным судить о работоспособности системы с достаточной точностью. Программный комплекс IRPreview позволяет строить термопрофили и гистограммы по полученной в любой точке термограммы температуре.

Дополнительное существенное превосходство тепловизионной съемки состоит в том, что при применении тепловизора уходит необходимость вмешиваться в систему, потому что тепловизионная съемка принадлежит бесконтактным неразрушающим методам контроля и осуществляется без прямого контакта с объектом исследования.

С помощью пакета программного обеспечения IRPreview можно проводить следующие математические обработки:

• разработки из записанных файлов базы данных (программа управляется путем нажатия левой кнопки мыши, тем самым активизируя на панели управления соответствующие позиции);
• определение температуры в нескольких областях или точках;
• монтаж изображения;
• нормализация, контрастирование и сглаживание полученного изображения;
• отбор разных цветовых палитр;
• построение термопрофиля вдоль направленной под любым углом прямой;
• разработка графика изменения в точке температуры от времени.

Описанный вид работ необходимо выполнять в следующем порядке для повышения информативности и качества тепловизионной диагностики:

• устанавливают на выбранном месте тепловизор, включают, затем настраивают и проводят съемку согласно инструкции по его эксплуатации;
• производят измерение температуры наружного воздуха (альтернативой является получение этих данных с метеостанции) в районе каждого из объектов тепловизионной съемки;
• производят измерение температур грунта в установленных на этом объекте термометрических скважинах;
• полученный материал, необходимый для последующей обработки термограмм, записывается в журнал, а затем заносится в компьютерный банк данных;
• в последнюю очередь в камеральных условиях занимаются комплексной обработкой обретенных фотоснимков, термоснимков и других сведений, используя программный комплекс.

Из результатов анализа тепловизионной диагностики объектов с системами температурной стабилизацией грунтов вырабатываются рекомендации и правила по проведению тепловизионной диагностики:

• рекомендуется дополнять фотографированием или визуальным осмотром инфракрасную съемку;
• поверхности, которые визируются под большим углом, кажутся холоднее. Снимая под большим углом удаленные объекты, они кажутся холоднее тех, что располагаются ближе. Так происходит по причине поглощения в атмосфере.
• оценивать тепловые аномалии рекомендуется, сравнивая с эталонной зоной и по перепаду температуры в зоне аномалии. Необходимо, чтобы эталонная зона выбиралась аналогично контролируемой и находилась в одинаковых с контролируемой условиях теплообмена.

Следовательно, тепловизионная диагностика – это более эффективный, самый современный и менее трудоемкий метод диагностики работоспособности систем термостабилизации. С помощью тепловизора получают тепловое изображение конденсаторного блока или оребренной поверхности термостабилизатора, подведенных к конденсатному блоку труб с теплоносителем, других бытовых и промышленных объектов, поверхности грунтов, воздушной среды. Далее, после анализа изображения на компьютере, принимают экспертное заключение о работоспособности системы термостабилизации мерзлых грунтов и необходимости проведения корректирующих действий.

По итогам выполнения необходимых работ по повышению работоспособности снимают повторно термограмму исследуемого объекта и проверяют качество выполненных работ.

Впервые методика тепловизионной диагностики была использована в промышленных масштабах на обследовании систем термостабилизации в феврале 2011 г. на Ванкорском месторождении.

Основные сведения о технологическом оборудовании

Строительство РВС объемом 50000 куб. метров назначено на Омской ЛПДС (линейной производственно-диспетчерской станции). Станция функционирует в составе Омского районного нефтепроводного управления (РНУ) АО «Транснефть – Западная Сибирь».

Назначение ЛПДС – обеспечивать прием, хранение и дальнейший отпуск нефти. Линейно производственная диспетчерская станция обеспечивает транспорт нефти по магистральному нефтепроводу и ведет работы по прокладке нефтепродуктопроводов.

Размещают ЛДПС, как правило, на ограждаемой площадке, удаленной от крупных населенных пунктов и промышленных предприятий. Территория ЛПДС имеет планировку, исключающую попадание нефти из технологических трубопроводов при возможных авариях на пожароопасные объекты.

Основные сведения о технологии производства

Омская линейная производственно-диспетчерская станция владеет крупнейшим резервуарным парком в АО «Транснефть» объемом около 500 тыс. м³.

Соблюдение сверхплотного графика перекачки нефти обеспечивают 8 подпорных и 8 магистральных насосных агрегатов, турбопоршневая поверочная установка (ТПУ) 30-1775 и 5 узлов учета нефти (СИКН).

Эко-аналитическая лаборатория на станции работает в целях оценки воздействия на окружающую среду и регулярного контроля качества нефти.

Новейшие приемно-отпускные устройства и мощное насосное оборудование в короткие сроки обеспечивают перегрузку без простоя транспорта.

К резервуарам, которые предназначены для хранения нефти, существуют следующие требования:

1) герметичность;

2) долговечность;

3) несгораемость.

Элементы резервуаров должны изготовляться в заводских условиях и легко монтироваться на строительной площадке.

Основные расчетные характеристики проектируемого резервуара представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Основные эксплуатационные характеристики резервуара

Продолжение таблицы 1.1

Технологические решения

Проектируемый резервуар располагается на ЛПДС, на которой находятся основные технологические сооружения:

• вертикальный стальной цилиндрический резервуар объемом 50000 кубических метров;
• камеры пуска приема диагностических и очистных устройств с фильтрами-грязеуловителями и дренажной емкостью;
• МНС (магистральная насосная станция);
• ПНС (подпорная насосная станция), оборудованная фильтрами тонкой очистки;
• площадки предохранительных клапанов;
• площадка узла задвижек;
• узел учета нефтепродуктов;
• станция маслосистемы;
• трубопоршневая установка;
• дренажные емкости;
• лаборатория;
• операторная;
• здание операторной АНП;
• автоналивной пункт (АНП):
• площадка резервуаров резервного топлива;
• емкость аварийных проливов 2х25м3;
• заправочный пункт;
• емкость для дизельного топлива;
• дизельная электростанция;
• технологические трубопроводы.

Помимо этого, предполагаются следующие вспомогательные сооружения на территории ЛПДС:

• административный корпус;
• площадка для хранения аварийного запаса труб;
• вспомогательный корпус;
• для мойки автомашин открытая площадка;
• гараж ЛПДС;
• площадка на 12 единиц для автотранспорта;
• гараж на 24 единицы для аварийной техники;
• площадка материалов и оборудования госрезерва;

Технологические решения по пожаротушению

В данном разделе определены требования к противопожарной защите объектов, а также изложены рекомендации по проектным решениям в целях защиты от пожаров этих объектов.

Организуется пожарная защита на проектируемой площадке вследствие большого количества перекачиваемых и хранящихся нефтепродуктов, которые большей частью являются легковоспламеняющимися жидкостями (ЛВЖ).

Основными факторами, которые становятся причиной возникновения пожаров, являются:

• разряды молний в резервуары;
• возгорание насосов по перекачке горючих и легковоспламеняющихся жидкостей (ГЖ и ЛВЖ).

Требования, предъявляемые ко взятой в проекте системе пожарной защиты:

• возможность вести борьбу с пожарами при всех причинах их возникновения;
• уменьшение до минимума воздействия на окружающую среду;
• допустимость использования системы в продолжение длительного периода пожаротушения;
• защита основного оборудования;
• возможность вести борьбу с небольшими локальными пожарами;
• возможность сокращения до минимума времени пожара;
• эксплуатация передвижного и стационарного оборудования;
• сочетаемость нефтепродуктов с жидкостями, которые используются для тушения пожаров.

Системы пожарной защиты, рекомендуемые на площадке, включают следующие аспекты:

• меры, предотвращающие распространение пожаров, и их тушение;
• решение проблем пожарной защиты;
• при возникновении пожаров использование разработанного плана действий;
• применение оборудования пожаротушения.

Согласно разделу 5 [6] за расчетный взят один пожар.

Нормы по расходу воды на наружное пожаротушение основных сооружений и зданий назначены по [6,9], мощность подачи воды на охлаждение взрывопожароопасных сооружений и зданий, а также подачи раствора пенообразователя на тушение приняты в соответствии с требованиями [10].

Продолжительность тушения сооружений категорий Г и Д первой и второй степени огнестойкости 2 часа, остальных категорий ¾ 3 часа в соответствии с разделом 5 [6].

Расчетное время по тушению пожара для пожарной передвижной техники 15 минут, а для систем пенного автоматического пожаротушения – 10 минут.

При тушении автоматической системой расчетное время, за которое происходит охлаждение технологических резервуаров (горящего и соседних с ним), составляет 4 часа, а при тушении передвижной техникой – 6 часов в соответствии с разделом 8 [10].

В сети противопожарного водопровода свободные напоры при пожаре обязаны составлять:

• при охлаждении пожарной передвижной техникой ¾ по технической характеристике пожарных стволов, но не менее 40 метров;
• при охлаждении стационарной установкой – по технической характеристике кольца орошения, но не менее 10 метров уровня кольца орошения.

При пожаре у стационарных установок пожаротушения свободный напор в сети растворопроводов принят не более 60 метров и не менее 40 метров перед пеногенераторами типа ГПС или ГПСС, которые присоединены при помощи пожарных рукавов или установлены стационарно.

Категория системы противопожарного водоснабжения и насосной станции, подающей воду непосредственно в сеть противопожарного водопровода, по степени обеспеченности подачи воды — первая согласно разделам 7 и 10 [6].

Из условия необходимого напора и по подаче максимального расчетного расхода на пожаротушение принят тип пожарных насосов.

Категория надежности электроприводной арматуры, электроснабжения пожарных насосных станций, средств сигнализации и автоматики принята первой категории согласно требованиям [11,12].

Методом расчета определен объем воды в резервуарах ее противопожарного запаса.

При пожаре на площадке за расчетный расход принят самый большой расход на охлаждение и пожаротушение горящего резервуара и двух соседних с ним.

Наибольшее количество воды необходимо для охлаждения технологических резервуаров, оно определяется расчетом по интенсивности подачи воды, принимаемой в соответствии с разделом 8 [10]. Общий расход воды равен сумме расходов на охлаждение горящего резервуара и соседних в группе с ним и расходов, требуемых для охлаждения лафетными стволами дыхательной арматуры и кровли горящего резервуара и соседних с ним.

В противопожарных емкостях (после пожара) продолжительность восстановления водного неприкосновенного запаса насчитывает не более 96 часов в соответствии с разделом 8 [10]. Кроме этого, предполагается установка трех артезианских скважин, каждая производительностью 10 м³/час.

При выполнении газорезательных и газосварочных работ запрещается:

• допускать соприкасаться редукторам сварочного оборудования, кислородным баллонам со всякого рода маслами, промасленной ветошью и одеждой;
• отогревать вентили, замерзшие трубопроводы, редукторы и иные детали сварочных установок раскаленными предметами или открытым огнем;
• продувать горючими газами кислородные шланги и кислородом шланги для горючих газов, а также производить взаимозамену шлангов при работе.

Место, на котором предусматривается установка сварочного агрегата, компрессора, трансформатора, баллона с горючими газами и кислородом, необходимо очистить в радиусе 5 метров от сгораемых материалов.

Высотные работы производить с использованием предохранительных монтажных поясов, которые закрепляются за надежно закрепленные, не демонтируемые конструкции, оформляя наряд-допуск.

Запрещено:

• выполнение сварочных работ на период дождя, грозы, снегопада;
• оставление электрода в электрододержателе по окончании работ или на время перерыва;
• проведение работ в промасленной спецодежде и рукавицах, а также в одежде со следами иных горючих жидкостей;
• использование электродов без наличия на них сертификатов и с поврежденным, отсыревшим покрытием.

Во время перерывов в работе или по окончании рабочей смены аппаратуру необходимо выключать и убирать в специально отведенное место, сварочные аппараты отключать от электрической сети, шланги отсоединять и освобождать от газов и горючих жидкостей.

Проектом предусмотрено осуществление:

• пожаротушения резервуаров объемом 50000 куб. метров автоматической стационарной системой комбинированного пожаротушения пеной низкой кратности, которая обеспечивает подачу пены в нижний уровень резервуара под слой нефтепродукта и в верхний уровень резервуара через систему стационарных пенопроводов с пеносливами;
• охлаждения резервуаров объемом 50000 куб. метров автоматической стационарной системой охлаждения;
• тушения пожара МНС стационарной автоматической системой пожаротушения пеной высокой кратности.

Расчетное время тушения пожара нефтепродукта в резервуаре будет равно 30 минут.

Расчетная продолжительность охлаждения резервуаров 4 часа.

В состав автоматической установки комбинированного тушения пожара в резервуаре входят:

• пожарная сигнализация;
• пленкообразующий фторированный пенообразователь;
• насосная станция пожаротушения, рассчитанная на подачу воды для нужд наружного и внутреннего пожаротушения, охлаждения, а также на подачу раствора пенообразователя (в случае установки вблизи резервуаров блоков-дозаторов – воды) к горящему объекту;
• емкости, предназначенные для хранения нормативного запаса пенообразователя (баки-дозаторы);
• кольцевые сети противопожарного растворопровода и водопровода с пожарными гидрантами;
• устройства смешения и дозирования пенообразователя с водой (дозаторы);
• стационарная установка охлаждения резервуаров, которая в себя включает: расположенное в верхнем поясе стенок резервуара секционное горизонтальное кольцо орошения с распыляющими воду устройствами, соединяющие сеть противопожарного водопровода с кольцом орошения трубопроводы, устройства для подключения пожарной передвижной техники, запорные устройства;
• стационарная установка подслойного пожаротушения нефтепродукта в резервуаре, которая состоит из: системы внутренней разводки пенопроводов с пенными насадками, высоконапорных пеногенераторов типа ГПСС или ГПС, интегрированных с пеносливами из верхнего пояса резервуара, системы наружной разводки растворопроводов и пенопроводов, устройств для подключения передвижной техники, предохранительных мембран, обратных клапанов и запорных устройств.

Тушение пожара резервуаров объемом 50000 куб. метров предусмотрено проводить следующим образом — после поступления сигнала от датчиков на резервуарах двух или более шлейфов пожарной сигнализации включаются автоматически: рабочий насос 1Д250-125а с электродвигателем, который подает воду на тушение резервуаров (при отказе рабочего насоса). Насос подает воду в бак-дозатор, который совмещает в себе функции хранения и дозирования пенообразователя. [13]

Полученный шестипроцентный раствор пенообразователя попадает к пеногенераторам по системе трубопроводов. Пеногенераторы устанавливаются по 3 ввода в каждый технологический резервуар. Каждый ввод оснащен задвижками, обратным клапаном, пеносливами, предохранительными мембранами. Задвижки применяются в целях переключения подачи пены с нижнего на верхний уровень.

Пеногенераторы типа ГПСС или ГПС введены на каждой линии подачи пены в резервуар внутри обвалования.

На пути передвижения к пеногенераторам раствора пенообразователя с включением насосов одновременно открываются запорные устройства с электроприводом. Автоматически контролируется с помощью датчиков поступление раствора. Датчики устанавливаются после шаровых электроприводных кранов на подводящих трубопроводах.

Кроме основных баков-дозаторов, находящихся в насосной станции пожаротушения, предусматривается еще один промежуточный бак-дозатор, который располагается в помещении для электроприводной арматуры. Промежуточный бак-дозатор в момент запуска системы подготавливает раствор пенообразователя до подхода от основных баков-дозаторов.

Растворопроводы до помещения для электроприводной арматуры от насосной станции пожаротушения заполнены водой, а кольцевые

электроприводами к кольцевой сети противопожарного водопровода подключаются вводы. Секции оросительного полукольца, которые обращены к горящему резервуару, приходят в действие для охлаждения соседних с горящим резервуаров.

Секции включаются через автоматическое открытие задвижек, которые устанавливаются на каждом вводе. После включения необходимо отрегулировать подачу воды для охлаждения соседних резервуаров из расчета 0,3 литра в секунду на 1 метр длины окружности каждого резервуара. Для опорожнения от воды оросительного кольца и вводов предусматриваются спускные устройства по окончанию пожаротушения.

В работе предусмотрено устройство стальных молниеотводов. Металлоконструкции молниеотводов производятся индивидуально при привязке проекта совместно с конструкциями их фундаментов согласно климатическим, сейсмическим и инженерно-геологическим условиям площадки.

Электрохимическая защита от коррозии

В работе предусмотрено установить три станции катодной защиты мощностью по 5 киловатт и три диодно-резисторные блока. Предусмотрены глубинные анодные заземлители из электродов «Менделеевец-МГ» с коксовой (коксо-минеральной) засыпкой, устанавливая по два анода на установку катодной защиты (УКЗ). Глубина скважин составит 30 метров. Анодные линии будут прокладываются кабелем АВВГ-3х25 в земле и по кабельным эстакадам. Катодные линии будут прокладываться кабелем ВВГ 3х16 и ВВГ-3х25 также в земле и по эстакадам.

В целях осуществления контроля за защитой резервуаров от коррозии устанавливаются контрольно-измерительные пункты (КИП), вынесенные за пределы обвалования, а под днищем каждого резервуара устанавливаются по 5 электродов сравнения (ЭСН-МС2). От шины заземления резервуара предусматривается точка контроля потенциалов. Общее количество устанавливаемых КИП – 12 единиц.

В работе предусмотрено устройство 14 контрольно-измерительных пунктов для контроля за состоянием электрохимической защиты (ЭХЗ) подземных трубопроводов. КИП будут располагаться по трассам трубопроводов и выборочно у колодцев.

На сооружениях предполагаются выводы от КИП в преобразователи для их работы в автоматическом режиме в целях устойчивого поддержания защитного потенциала.

Предельные значения защитных поляризационных потенциалов должны составлять: минимальный – 0,85 вольт, максимальный – 1,15 вольт.

Все электромонтажные работы необходимо выполнять согласно требованиям [13,14].

2   РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Определение геометрических параметров резервуаров

Для изготовления стенки выбираем стальной лист с размерами в поставке согласно рекомендациям [15]. С целью получения правильной прямоугольной формы при дальнейших расчетах, учитывая обработку кромок листа, принимаются следующие его размеры [16]

Сначала выбираем высоту резервуара. Для этого используем рекомендации таблицы 11 [15] или таблицы 11 [17]. В соответствии с этими рекомендациями предпочтительная высота резервуара от 12 до 20 метров. Для резервуара объемом 50000 кубических метров принимаем номинальную высоту резервуара  метров.

Количество поясов в резервуаре:

Точная высота резервуара:

Предварительный радиус резервуара рассчитывается из формулы для объема цилиндра:

Периметр резервуара и число листов в поясе :

Предпочтительней округлять до целого число листов в поясе или выбирать последний лист равным половине длины листа.

Округляем число листов в поясе до . Тогда периметр резервуара будет равен:

а окончательный радиус:

Рассчитаем уточненный объем резервуара:

Определение толщины стенки резервуара

Рисунок 2.1 — Схема нагружения резервуара внутренним давлением

Расчетное сопротивление материала стенки резервуаров по пределу текучести, определяется по формуле:

где  – нормативное сопротивление растяжению (сжатию) металла стенки, которое равно минимальному значению предела текучести, принимаемому по техническим условиям на листовой прокат и государственным стандартам;

– коэффициент надежности по материалу по [18];

– коэффициент надежности по назначению. Для резервуаров объемом по строительному номиналу  и более принимается равным .

Для проектируемого резервуара  принимаем .

В стенке резервуара нормативное сопротивление стали, которое принимается по табл. 51* [18] в связи с отсутствием сертификатов на элементы конструкций, будет равно:

— для стали 09Г2С-12 (сталь класса С345)

Для вычисления предварительной толщины стенки каждого пояса воспользуемся формулой, где единственным изменяемым параметром, начиная со второго пояса, при переходе от нижнего пояса к верхнему оказывается координата нижней точки каждого пояса:

где  – номер пояса снизу вверх;

– ширина листа.

Проведя прочностные расчеты округляем основные геометрические размеры резервуара в большую сторону таким образом, чтобы при этом погрешность шла в запас прочности:

Для условий эксплуатации толщина листов стенки РВС определяется по формуле при ; ; :

Толщина второго пояса рассчитывается при ; :

Толщина третьего пояса:

Толщина четвертого пояса:

Толщина пятого пояса:

Толщина шестого пояса:

Толщина седьмого пояса:

Толщина восьмого пояса:

Толщина девятого пояса:

Толщина десятого пояса:

где  – коэффициент надежности по нагрузке гидростатического давления;

– коэффициент надежности по нагрузке от вакуума и избыточного давления;

– плотность нефти, кг/м³;

– радиус стенки резервуара, м;

– максимальный уровень взлива нефти в резервуаре, м;

– расстояние от днища до расчетного уровня, м;

, – нормативная величина избыточного давления;

– коэффициент условий работы,  для нижнего пояса,  для остальных поясов;

– расчетное сопротивление материала пояса стенки по пределу текучести, Па.

По предельным отклонениям на изготовление листа выбирают значение минусового допуска. Соответствующие по толщине листа предельные отклонения указаны в таблице 2.2.

Примем значение минусового допуска 0,5 мм.

Припуск на коррозию элементов резервуара равен 2 мм.

Таблица 2.2 – Предельные отклонения по толщине листа

Для условий эксплуатации минимальная толщина стенки увеличивается на величину минусового допуска на прокат, а затем округляется до ближайшего из сортаментного ряда значения листового проката. Рассчитанное значение сравнивается с минимальной конструктивной толщиной стенки , которая определяется по таблице 2.3. Принимаем , так как диаметр резервуара равен

Таблица 2.3 – Конструктивная величина толщины стенки

За номинальную толщину  каждого пояса стенки выбираем наибольшее из двух величин значение, которое округляется до ближайшего из сортаментного ряда значения листового проката.

где  – припуск на коррозию, мм;

– минусовой допуск на толщину листа, мм;

— значение минимальной конструктивной толщины стенки, мм.

Расчет стенки резервуара на устойчивость

Рисунок 2.2. Расчетная схема для расчета стенки резервуара на устойчивость

Расчетные осевые напряжения для РВС в первом поясе:

Во втором поясе:

Величины осевых напряжений в остальных поясах указаны в таблице 2.6.

где  – коэффициент надежности по нагрузке от собственного веса;

– коэффициент надежности по снеговой нагрузке;

– вес покрытия резервуара, Н;

– вес вышележащих поясов стенки, Н;

– полное расчетное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия, Н;

– вес покрытия резервуара, Н;

– расчетная толщина стенки i-го пояса резервуара, м.

Вес покрытия резервуара рассчитывается по таблице 2.4.

Таблица 2.4 – Нормативный удельный вес крыши на единицу площади

Для резервуара объемом   давление крыши .

.

Вес вышележащих поясов стенки резервуара рассчитывается из условия, что высота всех поясов равна ширине листа  и одинакова.

Вес стенки при расчете для всех поясов определим, используя формулу:

где  – номер последнего пояса при условии, что начало отсчета снизу;

– удельный вес стали.

Нормативная снеговая нагрузка на горизонтальную проекцию резервуара:

где  –  коэффициент перехода от веса снегового покрытия горизонтальной поверхности земли к снеговой нагрузке на трубопровод;

– нормативное значение веса снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли, которое выбирается по [19] для соответствующего снегового района Российской Федерации по таблице 2.5.

Город Омск находится в третьем снеговом районе, для которого нормативное значение веса снегового покрова  Коэффициент перехода от веса снегового покрытия для такого варианта крыши , в этом случае угол наклона поверхности крыши к горизонтальной плоскости .

Таблица 2.5 – Нормативные значение веса снегового покрова

На всю крышу вес снегового покрова будет равен:

 Определение нагрузки от вакуума.

На покрытие нормативная нагрузка от вакуума рассчитывается как:

Определение осевых критических напряжений.

Таблица 2.6 – Напряжения для расчета стенки резервуара на устойчивость.

Для вычисления коэффициента  требуется определить среднюю толщину стенки:

.

Рассчитываем отношение радиуса резервуара к средней толщине стенки:

По таблице 2.7 определяем коэффициент  методом линейной интерполяции.

Таблица 2.7 – Значение коэффициента

Вычисляем осевые критические напряжения для первого пояса по формуле:

.

Для второго пояса:

где  МПа –  модуль упругости стали;

– коэффициент, принимаемый по таблице 2.7.

Значения осевых критических напряжений для остальных поясов представлены в таблице 2.6

Определение кольцевых напряжений.

Рассчитываем ветровую нагрузку (давление) по формуле:

где  – нормативное значение ветрового давления для рассматриваемого района, принимаемое по таблице 2.8, кПа;

– коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте;

– аэродинамический коэффициент.

Омск относится ко II ветровому району, следовательно, по таблице выбираем

Коэффициент  для резервуаров высотой в диапазоне от 10 до 20 метров включительно.

Таблица 2.8 – Ветровые давления

Аэродинамический коэффициент  определяется по СП 20.13330.2011, используя таблицу 2.9.

Таблица 2.9 – Коэффициент

Вычисляем отношение:

.

По таблице 2.9 выбираем , используя метод линейной интерполяции.

При расчете на устойчивость кольцевые напряжения в стенке резервуара вычисляются по формуле:

 где  – нормативная ветровая нагрузка на резервуар, кПа;

 – коэффициент надежности по ветровой нагрузке;

– средняя арифметическая толщина стенки резервуара, м.

Критические кольцевые напряжения вычисляются по формуле:

Стенка проходит проверку устойчивости по формуле:

где  – расчетные осевые напряжения в стенке резервуара, МПа;

– расчетные кольцевые напряжения в стенке резервуара, МПа;

– критические осевые напряжения в стенке резервуара, МПа;

– критические кольцевые напряжения в стенке резервуара, МПа.

По минимальной толщине стенки пояса выбираются осевые напряжения, по средней толщине стенки – кольцевые напряжения.

По результатам расчета в таблице 2.6 условие устойчивости стенок резервуара выполняется.

Расчет сопряжения стенки с днищем

За счет стесненности радиальных деформаций стенки днищем в зоне их сопряжения возникают поперечная сила и изгибающий момент. Основная систе­ма сопряжения и расчетная схема показаны на рисунке 2.3.

а – исходная схема – совместная деформация стенки с днищем;

б – основная схема для расчета узла

Рисунок 2.3 — Узел сопряжения с днищем стенки резервуара:

Подразумевается, что полоски одинаковой ширины, которые вырезаются из днища и стенки, действуют как балки на упругом основании (гипотеза Винклера). Путем специального рассмотрения днища и стенки получили основную систему уравнений.

Все перемещения включают в себя два слагаемых, которые выражают перемещения соответственно стенки и днища:

и т. д.

Примем, что днище абсолютно жесткое на растяжение, а также не деформируется от внешней нагрузки, поперечной силы и момента в горизонтальной плоскости:

Цилиндрическая жесткость днища резервуара рассчитывается по формуле:

где  – толщина окраек днища, которая зависит от толщины стенки в нижнем поясе.

Примем песчаное хорошо уплотненное основание, в этом случае коэффициент постели днища  а коэффициент деформации днища:

где – размер свисающей части окрайки днища.

Функции Крылова:

Значения единичных перемещений днища рассчитывают:

где  — давление в нижней точке резервуара.

Лишние неизвестные (  — изгибающий момент,  — поперечная сила) вычисляются из канонических уравнений методом сил:

где ; ;  – единичные перемещения от  и ;

и  – грузовые члены, которые зависят от внешних нагрузок, действующих на сопряжение.

Рисунок 2.4 — Расчетная схема для нахождения нормальных напряжений днища и стенки

Изгибающий момент:

Момент сопротивления изгибаемой стенки:

Напряжение в нижней точке первого пояса (таблица 2.6):

.

Проверка напряжений, учитывая краевой эффект:

Условие прочности выполняется.

На одновременное влияние момента и поперечной силы производят проверку прочности уг­лового шва, который прикрепляет к днищу стенку. Ввиду малости меридиональ­ное усилие не учитывают. Предварительно задают величину ка­тета шва в пределах . По границе сплавления и металлу шва проверяют прочность.

Рисунок 2.5 — Расчетная схема сварного шва, соединяющего стенку с днищем

Представим момент  как произведе­ние силы на плечо и распределим на два шва поперечную силу, получим условие прочности по металлу шва:

Условие прочности выполняется.

Конструирование и основные положения расчета крыши

В РВС объемом более 5000 куб. м целесообразнее использовать покрытия без центральной стойки в виде куполов. Они собираются из щитов, ук­рупненных в монтаж­ные блоки и изготовленных на заводе. Монтажные блоки опираются одним концом на центральное кольцо, которое поддерживается временной стойкой в период монтажа, а другим концом – на опорное кольцо, которое располагается по периметру стен­ки.

Щитовая крыша для РВС без центральной стойки состоит из распорной конструкции, а расчет представляет из себя решение од­нажды статически неопределимой системы. Радиальные балки двух щитов, диаметрально противоположных, идут за одну ломаную балку, которая опирается на стенку резервуара.

Радиус сферической крыши:

Высота купола:

Рисунок 2.6 — Расчетная схема главных балок каркаса сферической крыши

Вычисление нагрузок на главную балку:

Число страпильных балок:

Определение реакций опор.

Суммарная вертикальная сила  Общая внешняя нагрузка по вертикали:

Сумма моментов относительно правой опоры , тогда:

Чтобы определить максимальный изгибающий момент, находим производную и приравняем ее к нулю:

Рисунок 2.7 – Эпюра изгибающего момента главной балки в поперечных сечениях

Решая тригонометрическое уравнение находим угол :

Марка стали 09Г2С-12, следовательно, нормативное сопротивление .

Предельное состояние выражается из условия:

где  – коэффициент условий работы;

– момент сопротивления двутаврового прокатного сечения.

Определим из этого условия момент сопротивления  для двутавра:

Номер профиля двутавра выбираем по [20]. Момент сопротивления двутавра 70Б1

Расчет кольцевой балки настила

Требуется вычислить размер швеллера – поперечного сечения балки настила. Самая длинная балка настила является самой нагруженной, но при выполнении условия равномерной нагрузки на крышу.

Определяем длину балки, которая больше всех удаленной от центра:

где  – радиус наибольшего кольца балок настила;

– число главных балок.

Вычислим наибольший изгибающий момент:

Рисунок 2.8 — Расчетная схема балки настила

Размер поперечного сечения швеллера:

По [21] выбираем швеллер № 14У

Расчет настила

Рассчитываем настил по решению для прямоугольной пластины с шарнирными опорами по краям. На рисунке 2.9 представлена расчетная схема настила.

Для наибольшей пластины определяются размеры длины и ширины настила:

Находим отношение сторон листа настила

Рисунок 2.9 — Расчетная схема настила

По найденному отношению сторон листа выбираем значения  и  с помощью таблицы 2.10 методом линейной интерполяции.

Таблица 2.10 – Коэффициенты для расчета прямоугольной пластины

Получаем

Наибольший изгибающий момент:

Давление на пластину:

где  — давление от собственного веса с толщиной листа :

Максимальный прогиб в центре пластины:

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе рассчитан резервуар объемом 50000 кубических метров в сложных геолого-климатических условиях. Выбран принцип устройства фундамента при использовании многолетнемерзлых грунтов. Определены геометрические размеры резервуара: высота 20 метров, диаметр 58,5 метров, предусматривается 10 поясов.

Для этого в расчетной части решены задачи:

• выбор технологии строительства резервуара при заданных геолого-климатических условиях;
• расчет толщины стенки всех поясов стенки резервуара;
• расчет резервуара на прочность и устойчивость.

Технические решения, принятые в выпускной работе, являются современными и отвечают требованиям нормативно-технических документов в области проектирования резервуаров вертикальных стальных.

 

Список использованных источников

1. СП 131.13330.2012. Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99* / Минрегионразвития России. – М.: ОАО «ЦПП», 2012. – 109 с.
2. СП 28.13330.2012. Защита строительных конструкций от коррозии. Актуализированная редакция СНиП 2.03.11-85 / Минрегионразвития России. – М.: ОАО «Аналитик», 2012. – 94 с.
3. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84*. – М.: Минрегионразвития России, 2011. – 340 с.
4. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85*. – М.: Минрегионразвития России, 2011. – 90 с.
5. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83* / Минрегионразвития России. – М.: ОАО «ЦПП», 2011. – 132 с.
6. СП 31.13330.2012. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84. – М.: Минрегионразвития России, 2013. – 126 с.
7. СП 86.13330.2014. Свод правил. Магистральные трубопроводы. Актуализированная версия СНиП III-42-80* – М.: Министерство строительства и ЖКХ РФ, 2014. – 182 с.
8. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов: Учебное пособие / П.И. Тугунов, В.Ф. Новоселов, А.А. Коршак и др. – Уфа: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2002. – 655 с.
9. СП 30.13330.2012. Внутренний водопровод и канализация зданий. Актуализированная редакция СНиП 2.04.01-85*. – М.: ФАУ «ФЦС», 2012. – 60 с.
10. СНиП 2.11.03-93. Склады нефти и нефтепродуктов. Противопожарные нормы / Госстрой России. – М.: ГП ЦПП, 1993. – 24 с.
11. ВНТП 3-90. Нормы технологического проектирования разветвленных нефтепродуктопроводов. – М.: Госкомнефтепродукт, 1991. – 65 с.
12. НПБ-88-2001*. Установки пожаротушения и сигнализации. Нормы и правила проектирования. – М.: ГПС МВД РФ, 2002. – 45 с.
13. ГОСТ Р 51164-98. Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 1998. – 45 с.
14. ВСН 009-88. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Средства и установки электрохимзащиты. – М.: ВНИИСТа, 1990. – 35 с.
15. ПБ 03-605-03 Правила устройства вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. – М.: ГУП «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2003. – 76 с.
16. Вансович К.А. Проектирование нефтехранилищ: Учебное пособие / К.А. Вансович, М.В. Кучеренко. – Омск: ОмГТУ, 2010. – 140 с.
17. РД-16.01-60.30.00-КТН-026-1-04. Нормы проектирования стальных вертикальных резервуаров для хранения нефти объемом 1 000 – 50 000 куб. м. – М.: ОАО «АК «Транснефть», 2004. – 141 с.
18. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81* / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. – М.: Минрегион России, 2011. – 142 с.
19. СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, института ОАО «НИЦ «Строительство». – М.: Минрегион России, 2011. – 85 с.
20. ГОСТ 26020-83. Двутавры стальные горячекатаные с параллельными гранями полок. Сортамент. – М.: ИПК Изд-во станартов, 2011. – 216 с.
21. ГОСТ 8240-97. Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент. – Минск: Изд-во стандартов, 1997. – 9 с.