VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Существующая во всем мире тенденция увеличения числа и размеров резервуарных конструкций приводит к повышению ответственности и опасности этих сооружений. Одним из возможных вариантов снижения риска аварий, уменьшения последствий, является применение конструктивных схем, предусматривающих возведение вокруг основного резервуара защитной стенки.

Одним из вариантов повышения надежности может быть резервуар из двух стенок типа «стакан в стакане». Наличие кольцевой защитной стенки резервуара позволяет удержать продукт, в случае аварии или нарушения герметичности основного внутреннего резервуара, приводит к уменьшению количества водного раствора пенообразующего средства, необходимого для тушения пожара. Аварийно вытекший нефтепродукт окажется в кольцевом зазоре, что сократит площадь его испарения, позволит избежать значительных экологических и материальных проблем ‑ нефтепродукт не окажется загрязненным и может быть перекачен в другую емкость. Наличие кольцевой защитной стенки резервуара позволяет сократить площадь обвалования, либо вообще избавиться от него, что дает возможность уменьшить расстояние между резервуарами, общую площадь парков со всеми последующими выгодами. Резервуар имеет двойное днище, что позволяет контролировать возможные течи жидкого топлива. Все это подтверждает о надежности и экологической безопасности вертикальных цилиндрических резервуаров с защитной стенкой [2].

В условиях нормальной работы дополнительный наружный корпус никак не используется и это в значительной мере снижает эффективность его устройства. В методических указаниях Днепропетровского ПГАСА «Возможная тематика для студенческих исследовательских работ» был предложен вариант включения дополнительного защитного корпуса в работу основного резервуара на восприятие внутреннего гидростатического давления или как дополнительный элемент, повышающий его устойчивость (рис. 1) [3, 4].

Внутренний и наружный резервуары заполнены продуктом и включены в работу. Внутренний резервуар испытывает гидростатическое давление с двух сторон, в результате чего происходит уравновешивание взаимно направленных сил. Стенка основного резервуара будет испытывать меньшие кольцевые напряжения, что позволит уменьшить ее толщину. В свою очередь уменьшение толщины стенки внутреннего резервуара позволит использовать при монтаже метод рулонирования. При данном методе производства резервуаров основные работы по монтажу и сварке элементов металлоконструкций осуществляются на заводе. На строительную площадку поставляются в виде свернутых в рулоны полотнищ стенка, днище резервуара, кровля - в виде укрупненных элементов, и производится только сварка стенки резервуара с днищем и сварка монтажного стыка стенки. Преимуществом данного метода является сокращение времени монтажа в 3 - 4 раза за счет сведения к минимуму сварочных работ на монтажной площадке, обеспечение высокой прочности и плотности сварных соединений за счет использования заводской автоматической сварки под слоем флюса.

Таким образом, общие затраты на сооружение резервуара, сроки возведения, повышаются качество сварных швов и надежность резервуаров по сравнению с полистовым методом монтажа. Метод рулонирования имеет свои ограничения для полотнищ из листов толщиной свыше 18 мм из-за большой жесткости. Кроме того в резервуарах емкостью более 5000 м3 с толщиной нижних поясов 10 мм и более возникают значительные остаточные деформации концов полотнищ корпусов от рулонирования, особенно у начальной кромки полотнища.

Высота стенки внешнего резервуара принимается из условия уменьшения напряжений нижних поясов стенки внутреннего резервуара. При этом высота наружной стенки составляет ½ высоты внутренней стенки. Расстояние между стенками 9,3 м. В качестве конструктивного решения днища принят вариант, когда стенки опираются на единый лист окраек (рис. 3) [5].

Для проверки работоспособности модели проводится численный расчет с использованием программного комплекса SCAD (версия 11.5). Конечно-элементная модель резервуара (рис. 2) с единым днищем определена как система с признаком 5 ‑ система общего вида, деформации которой и ее основные неизвестные представлены линейными перемещениями узловых точек вдоль осей Х, Y, Z и поворотами вокруг этих осей. Возможные перемещения узлов конечно-элементной расчетной схемы ограничены внешними связями в четырех диаметрально противоположных точках, запрещающими перемещения по направлениям уz, в двух точках и по направлениям хz в остальных двух точках. Коэффициент упругого основания С1=500000 кН/м3 (для кольцевого железобетонного фундамента резервуара). Все несущие конструкции из листовой стали смоделированы пластинчатыми элементами, что позволяет анализировать напряжения в поясах стенки резервуара. Конструкции щитовой кровли (опорные кольца, поперечные и радиальные ребра) смоделированы стержневыми элементами 5-го типа (пространственные стержни). Модель позволяет учитывать включение в работу всей конструкции при действии гидростатического давления.

Для проверки работоспособности предложенной модели в расчетах приняты наиболее значимые нагрузки:

1) собственный вес (коэффициент надежности по нагрузке γf = 1,05);

2) гидростатическое давление дизельного топлива с плотностью ρ = 860 кг/м3 на внутренний и внешний резервуар (коэффициент надежности по нагрузке γf = 1,0);

3) избыточное давление паровоздушной смеси p = 2 кН/м2 на внутренний и внешний резервуар (коэффициент надежности по нагрузке γf = 1,2).

Итогом расчета модели резервуара с двойной стенкой на загружение из собственного веса, гидростатического и избыточного давления на внутренний и внешний резервуары является получение окончательных толщин стенок резервуара и картины напряженно-деформированного состояния. Результаты расчета рассматриваются по равнодействующей напряжений Sx. Напряжения для пластинчатых элементов выводятся вдоль оси Х. Окончательные толщины поясов внутреннего резервуара получилось уменьшить до конструктивного минимума ‑ 4 мм, при начальных значениях стенок: 1 пояс - 10 мм, 2 пояс - 8 мм, 3 пояс - 7 мм, 4 пояс - 6 мм, 5 ‑ 8 пояс - 5 мм. Толщина нижних поясов внешнего резервуара увеличились на небольшую величину: 1 пояс - 10 мм, 2 пояс - 8 мм, 3 пояс - 6 мм, 4, 5 пояс - 4 мм, при начальных значениях стенок 7, 6, 5, 4 мм соответственно.

Результаты перемещений образующих стенок резервуара от вертикали при гидростатическом и избыточном давлении в двух резервуарах в соответствии с предельными значениями отклонений образующих по РД 08-95-95 [1] представлены на рис. 4.

а)		б)
- предельные отклонения стенки по РД 08-95-95 - отклонения образующих стенки по результатам обследования, мм

а) ‑ схема отклонений стенки внутреннего резервуара от вертикали; б) ‑ схема отклонений стенки внешнего резервуара от вертикали

Рис.4. Перемещения образующих стенок резервуара от вертикали при воздействии комбинации нагрузок от гидростатического и избыточного давлений в двух резервуарах

При загружении обоих резервуаров стенка внутреннего испытывает меньшие кольцевые напряжения (рис. 5). Это позволяет добиться уменьшения толщины нижних поясов стенки корпуса.

Одной из особенностей расчетной модели является обязательное заполнение внутреннего и внешнего резервуаров. Разница между заполнением резервуаров должна быть контролируема и составлять не более 3 м. В противном случае, стенки резервуаров будут испытывать напряжения, превышающие расчетные, что приведет к аварии.

При загружении только внутреннего резервуара внешний резервуар не работает, а основной - растянут и испытывает напряжения в нижних четырех поясах превышающие допустимые (рис. 6, а). При загружении только внешнего резервуара, его стенки растянуты, а внутренний - сжат: в нижней части больше, в верхней - меньше (рис. 6, б).

В заключение необходимо отметить, что в настоящее время для резервуаров с двойной стенкой не существует разработанной и апробированной на практике комплексной аналитической методики расчета, учитывающей ряд расчетных и технологических параметров проектирования.

Для разработки указанной методики расчета, базирующейся на результатах численных исследований, предложена расчетная модель резервуара с двойной стенкой, реализованная в виде метода конечных элементов с использованием программного комплекса SCAD (версия 11.5). В рамках реализации 1 ‑ го этапа исследований произведен численный расчет и проанализированы результаты в изменении напряженно деформированного состояния стенок резервуара при различных загружениях. Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможном уменьшении толщины стенок резервуара, за счет уравновешивания взаимно направленных сил гидростатического давления. Дальнейшая реализация представленного решения резервуара в ходе полного факторного численного эксперимента позволит разработать комплексную аналитическую методику расчета и проектирования резервуара с двойной стенкой.

 

Литература

1 РД 08-95-95 Положение о системе технического диагностирования сварных вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов / утв. Госгортехнадзором России 25.07.1995, постановление № 38 / введ. в действие с 01.09.1995.

2 Демёхин, Ф. В. О проблеме тушения пожаров в резервуарах с кольцевой защитной стенкой [Электронный ресурс] / Ф. В. Демёхин, А. А. Таранцев // Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России. - 275 с.

3 Кондра, М.П. Опыт проектирования двухстенных резервуаров большой емкости [Электронный ресурс] / М. П Кондра, Н. Н Маньшин // Тезисы докладов «Совершенствование методов расчета, конструирования, сооружения и ремонта стальных резервуаров» Коллоквиум 3-5 сентября 2003. - С. 10-12.

4 Белоев, М. Особенности строительства резервуаров с двойным днищем и защитным корпусом [Электронный ресурс] / М. Болоев, И. Костадинов // Монтажные и специальные работы в строительстве.-1996.-№4.-С. 9-10.

5 Мущанов, В. Ф. Проблемы совершенствования проектирования двустенчатых резервуаров [Электронный ресурс] / В. ф. Мущанов // Металлические конструкции. / ДонНАБА - 2007.-Том 13. - 14 с.

Код для цитирования: Скопировать