Экспериментально-теоретическое исследование новой конструкции плавающего покрытия вертикальных резервуаров

Одним из специфических свойств нефти и нефтепродуктов является высокая испаряемость легких наиболее ценных фракций, что приводит к значительным потерям нефтепродуктов как по количественным, так и по качественным характеристикам. При хранении нефти и нефтепродуктов в резервуарах со стационарным покрытием, как показала статистика, величина потерь от испарения составляет около 2,5−3,0% всего количества хранимого продукта.

Наиболее эффективное средство сокращения потерь от испарения — это ликвидация воздушного пространства между поверхностью нефтепродукта и крышей резервуара, то есть переход к резервуарам со стационарным покрытием и понтоном и к резервуарам с плавающими крышами.

К 1930;м годам появились первые конструкции плавающих крыш, а в 1940;х годах плавающие крыши начали внедрять в практику резервуаростроения в массовом порядке. В нашей стране первые исследования по созданию плавающих крыш были начаты в 1950 году под руководством Н. Н. Константинова.

Над созданием конструкций плавающих крыш, теоретическому их обоснованию и внедрению в производство работали многочисленные зарубежные фирмы («Чиеда» (Япония), «Карл Шпетер» (ФРГ), «Де Врис Роббе» (Нидерланды), «Байоруф» (США), и др.), научно-исследовательские институты России (ВНИИМонтажспецстрой, ЦНИИПроектстальконструкция, НИИСварки им. О. Е. Патона, Коксохиммонтаж и др.), отечественные и зарубежные ученые (Б.В. Поповский, Е. Н. Лессиг, О. В. Дидковский, М. Г. Каравайченко, М.К. Са-фарян, Н. П. Мельников, I. Ziolko, М. Epstein, J. Buzek).

Выбор типа резервуара в зависимости от испаряемости продукта строго регламентируется стандартами. Легкоиспаряющиеся нефтепродукты должны храниться преимущественно в резервуарах с внешним (плавающая крыша) или внутренним (понтон) плавающим покрытием.

Одной из насущных проблем в резервуаростроении является проблема создания плавающего покрытия, обладающего эксплуатационной надежностью, долговечностью, минимальной массой, невысокой трудоемкостью изготовления и монтажа.

В настоящее время запатентовано огромное количество конструктивных решений, как плавающих крыш, так и понтонов. Однако каждое из решений, обладая тем или иным недостатком — невысокой плавучестьюневысокой жесткостью настиланевозможностью обеспечения нормального водоотвода с поверхностизначительной трудоемкостью изготовления и монтажабольшой массой и т. п. находит иногда только единичное применение в практике строительства.

В нашей стране эта проблема также не нашла пока должного решения. Специалисты интенсивно ведут поиски новых рациональных конструкций плавающих крыш и понтонов, отвечающих требованиям эксплуатационной надежности.

Поэтому задача создания отечественных конструкций плавающих покрытий вертикальных цилиндрических резервуаров остается актуальной и практически необходимой на современном этапе развития отечественного резервуаро-строения.

Целью диссертационной работы является разработка новой конструкции плавающего покрытия поплавкового типа для вертикальных цилиндрических резервуаров, экспериментально-теоретическое обоснованию его плавучести. Соподчиненной целью является разработка практических рекомендаций по конструированию, технологии изготовления и формообразованию плавающего покрытия.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— провести анализ конструктивных решений плавающих покрытий, технологий их изготовления и монтажа для определения актуального направления в создании рациональной конструкции отечественного плавающего покрытия;

— сформулировать принципы формообразования новых конструкций плавающих покрытий;

— разработать рекомендации по конструированию, технологии изготовления, формообразованию и монтажу плавающих покрытий;

— провести экспериментально-теоретическое обоснование новой конструкции плавающего покрытия из условия плавучести.

Достоверность полученных результатов, проведенных автором исследований по разработке новых конструкций плавающих покрытий, подтверждается:

• использованием метода конструктивного моделирования при создании новых конструкций плавающих покрытий поплавкового типа;

• получением патента РФ № 2 200 120 С2 Способ изготовления плавающей крыши/ Денисова А. П., Муртазин М. Р. // БИ. № 7. 2003;

• решением ряда тестовых задач по определению оптимальных из условия плавучести геометрических параметров поплавков для резервуаров объемом 10−50 тыс м с применением программного обеспечения;

Научную новизну диссертационной работы составляют:

• принципы формообразования и конструирования новых конструкций плавающих покрытий;

• модификации новых конструктивных решений плавающих покрытий;

• практические рекомендации по формообразованию, конструированию и технологии изготовления плавающего покрытия;

• экспериментально-теоретическое обоснование плавучести новой конструкции плавающего покрытия.

Практическое значение диссертационной работы заключается в разработке: новой конструкции плавающего покрытия, удовлетворяющего современным требованиям изготовления (как методом рулонирования, так и полистовой сборки) и эксплуатациипрактических рекомендаций по конструированию, технологии изготовления и формообразованию плавающего покрытияконструктивных решений по повышению жесткости центральной части существующих плавающих покрытий на примере плавающей крыши резервуара объемом 10 ООО м3 и рекомендаций по практическому их осуществлению на предприятии ОАО «Саратовский НПЗ» г. Саратова.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научных семинарах кафедры «Промышленное и гражданское строительство» Саратовского государственного технического университета, XXX и XXXI Всероссийских научно-технических конференциях Пензенской государственной архитектурно-строительной академии (Пенза, 1999, 2001), Международном коллоквиуме «Новые решения в проектировании и строительстве металлических резервуаров» (Одесса, 2000), Международной конференции «Перспективы развития резервуаростроения» (Саратов, 2002) II и III Международных научно-технических конференциях Приволжского дома знаний (Пенза, 2003, 2004), IV электронной заочная конференция Ижевского государственного технического университета (Ижевск, 2004), Международной конференции (Уфа, 2005), ЦНИИПСК (Москва, 2005).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 1 тематический обзор, 4 статьи, получен 1 патент на изобретение Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание диссертации изложено на 155 страницах машинописного текста и содержит 90 рисунков, 9 таблиц.

Список литературы

содержит 68 наименований отечественных и зарубежных источников.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

Анализ современного состояния конструктивных решений плавающих покрытий показал, что наиболее распространенными в мировой практике ре-зервуаростроения являются однодечные плавающие крыши понтонного и поплавкового типовпонтоны поплавкового типа. Плавающие крыши понтонного типа проще по конструкции и изготовлению, но характеризуются малой жесткостью настила и неравномерностью распределения временных нагрузок из-за большой ширины кольцевого понтона, что значительно снижает их эксплуатационную надежность. Поплавковые понтоны характеризуются более высокой эксплуатационной надежностью, чем поддонного типа, однако и они имеют ряд недостатков, основным из которых является несовершенство конструкций узлов сопряжения поплавков с настилом.

Поэтому создание отечественной конструкции поплавкового плавающего покрытия лишенного этих недостатков — задача актуальная и практически необходимая.

Для решения этой проблемы был использован новый подход к конструированию и формообразованию проектной формы плавающего покрытия, теоретическому обоснованию его плавучести, что позволило получить следующие результаты:

1. На основе метода конструктивного моделирования сформулированы принципы формообразования пространственной формы поплавковой плавающего покрытия, состоящего из настила, распределенных поплавков, кольцевого понтона или отбортовки. При этом экспериментально была доказана возможность создания четырех модификаций конструктивных решений поплавковых плавающих покрытий: с поплавками, распределенными по настилу в виде ортогональной и треугольной сеток, с отбортовкой или кольцевым понтоном по контуру.

2. Для возможности практического использования предложенных конструкций плавающих покрытий разработаны рекомендации, позволяющие использовать их на стадиях проектирования, изготовления и монтажа.

3. Предложенная конструкция поплавков позволила повысить по сравнению с существующими плавающими покрытиями не только плавучесть всей конструкции, но и жесткость центральной части настила, поэтому, представление ее в виде жесткого диска при расчете на плавучесть более корректно и полностью отвечает нормативным рекомендациям.

4. Ввиду отсутствия в нормативной литературе рекомендаций по распределению временных нагрузок по поверхности плавающих крыш поплавкового типа проведен анализ существующих в технической литературе рекомендаций и предложены схемы распределения снеговой и ветровой нагрузок на плавающую крышу поплавкового типа, что позволило провести оценку жизнеспособности предложенной конструкции плавающей крыши поплавкового типа.

5. На основе экспериментального конструирования и теоретических исследований плавучести и остойчивости поплавкового плавающего покрытия разработан алгоритм по определению оптимальных геометрических параметров и шага поплавков, ширины кольцевого понтона. Численные эксперименты позволили разработать варианты конструктивных решений поплавковых плавающих крыш и понтонов для резервуаров различных объемов, которые можно использовать при проектировании.

6. Впервые проведен эксперимент по определению плавучести и непотопляемости плавающей крыши на моделях, а также предложена методика определения размеров модели для возможности соблюдения условий подобия натурной конструкции.

7. Научная новизна, приоритетность и практическая ценность выполненной работы подтверждена патентом России и использованием практических рекомендаций для конструирования и изготовления плавающей крыши У поплавкового типа для резервуара объемом V= 10 000 м и ликвидации хлопунов на существующей плавающей крыше понтонного типа резервуара объемом V = 50 000 м на нефтебазе ОАО «Саратовский НПЗ» г. Саратова.

8. Проведенные сравнения эксплуатационных характеристик предложенной и существующих плавающих крыш показали, что при одинаковой их металлоемкости новая конструкция плавающей крыши поплавкового типа характеризуется более высокой надежностью конструктивного решения и стабильностью ее работы при воздействии неравномерно распределенных нагрузок за счет повышения плавучести (на 30%), жесткости и прочности (> 3 раза).