автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Принципы формообразования и конструирования новой поплавковой плавающей крыши из рулонных заготовок

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПЛАВАЮЩИХ КРЫШ В ОТЕЧЕСТВЕННОМ И ЗАРУБЕЖНОМ РЕЗЕРВУАРОСТРОЕНИИ.

1.1. История создания, развития и классификация плавающих крыш.

1.2. Однодисковые плавающие крыши понтонного типа.

1.2.1. Однодисковая плавающая крыша с периферийным кольцевым понтоном и ^ пригрузом в центральной части настила.

1.2.2. Однодисковая плавающая крыша с периферийным кольцевым понтоном и ребрами жесткости.

1.2.3. Однодисковая плавающая крыша с периферийным кольцевым понтоном и вертикальными дугообразными пластинами.;.

1.2.4. Однодисковая плавающая крыша с периферийным кольцевым понтоном и нисходящими от него к центральному понтону ребрами жесткости.

1.2.5. Однодисковая плавающая крыша с периферийным кольцевым понтоном и восходящими от него к центральному понтону ребрами жесткости.

1.3. Однодисковые плавающие крыши поплавкового типа.

1.3.1. Однодисковая плавающая крыша f) с точечными поплавками по всей поверхности настила и периферийным кольцевым понтоном. ц 1.3.2. Однодисковая плавающая крыша с линейными поплавками и периферийным кольцевым понтоном.

1.3.3. Однодисковая плавающая крыша с периферийным кольцевым понтоном и с линейными поплавками в виде ортогональной сетки.

Выводы по первой главе, цель и задачи диссертационной работы.

ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ПЛАВАЮЩЕЙ КРЫШИ

ПОПЛАВКОВОГО ТИПА ИЗ РУЛОННЫХ ЗАГОТОВОК.

2.1. Современное состояние формообразования плавающих крыш из рулонных заготовок.

2.2. Принцип формообразования плавающей крыши поплавкового типа из рулонных заготовок.

2.3. Конструктивное моделирование формообразования

Ф плавающей крыши поплавкового типа.

2.3.1. Конструктивное моделирование формообразования плавающей крыши поплавкового типа с ортогональной сеткой поплавков без кольцевого понтона.

2.3.2. Конструктивное моделирование формообразования плавающей крыши поплавкового типа с треугольной сеткой поплавков без кольцевого понтона.

2.4. Конструктивное моделирование формообразования плавающей крыши поплавкового типа с распределенными поплавками и кольцевым понтоном из рулонных заготовок.

2.5. Определение соотношений геометрических параметров кольцевого понтона и линейных поплавков из условия формообразования.

2.5.1. Определение зависимости между размерами поплавков и их шагом из условия формообразования.

2.5.2. Определение зависимости между размерами кольцевого понтона и радиусом плавающей крыши г$■ из условия формообразования.

2.6. Конструктивное моделирование поплавковой плавающей крыши с распределенными поплавками из рулонных заготовок и кольцевого понтона из сборных элементов.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. КОНСТРУКЦИИ ПОПЛАВКОВЫХ ПЛАВАЮЩИХ

КРЫШ ИЗ РУЛОННЫХ ЗАГОТОВОК.

3.1. Плавающие крыши для вертикальных стальных резервуаров.

3.2. Конструкции поплавковой плавающей крыши из рулонных заготовок.

3.2.1. Поплавковая плавающая крыша с сеткой распределенных поплавков и отбортовкой.

3.2.2. Поплавковая плавающая крыша с сеткой ф поплавков и кольцевым понтоном.

3.3. Изготовление рулонных заготовок для поплавковой плавающей крыши с сеткой распределенных поплавков.

3.3.1. Изготовление рулонных заготовок для поплавковой плавающей крыши с сеткой поплавков и отбортовкой.

3.3.2. Изготовление рулонных заготовок для поплавковой плавающей крыши с сеткой поплавков и кольцевым понтоном.

3.4. Формообразование и монтаж поплавковой плавающей крыши с сеткой распределенных поплавков.

3.4.1. Формообразование и монтаж поплавковой плавающей крыши с сеткой распределенных поплавков для резервуара объемом до 10000 м

3.4.2. Формообразование и монтаж поплавковой плавающей крыши с сеткой распределенных поплавков для резервуара объемом более 10000 м

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НОВОЙ

КОНСТРУКЦИИ ПЛАВАЮЩЕЙ КРЫШИ

ПОПЛАВКОВОГО ТИПА ИЗ РУЛОННЫХ ЗАГОТОВОК.

4.1. Определение нагрузок и воздействий на плавающие крыши.

4.1.1. Постоянная нагрузка.

4.1.2. Снеговая нагрузка.

4.1.3. Ветровая нагрузка.

4.1.4. Силы трения уплотняющего затвора о стенку резервуара.

4.1.5. Выталкивающая сила жидкости (Архимедова сила).

4.2. Обоснование жизнеспособности поплавковой плавающей крыши из рулонных заготовок.

4.2.1. Расчет поплавковой плавающей крыши из рулонных заготовок на плавучесть при прямой посадке.

4.2.2. Оценка остойчивости поплавковой плавающей крыши из рулонных заготовок при прямой посадке.

4.2.3. Определение оптимальных параметров поплавковой плавающей крыши из рулонных заготовок из условия плавучести.

4.2.4. Расчет поплавковой плавающей крыши из рулонных заготовок на непотопляемость при прямой посадке.

4.2.5. Расчет поплавковой плавающей крыши из рулонных заготовок на плавучесть и непотопляемость при наличии крена

4.2.6. Оптимальные параметры плавающих крыш поплавкового типа из условия плавучести.

4.2.7. Проверка плавучести, остойчивости и непотопляемости плавающей крыши из рулонных заготовок для резервуара объемом 10000 м3.

4.2.8. Сравнение конструкции поплавковой плавающей крыши из рулонных заготовок с существующей конструкцией плавающей крышей понтонного типа.

4.3. Определение напряженно деформированного состояния поплавковой плавающей крыши из рулонных заготовок.

4.3.1. Проверка прочности плавающей крыши из рулонных заготовок.

Выводы по четвертой главе.

ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОБОСНОВАНИЕ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ПЛАВАЮЩЕЙ КРЫШИ

ПОПЛАВКОВОГО ТИПА.

5.1. Сравнительный анализ плавающей крыши поплавкового типа из рулонных заготовок с существующими плавающими крышами.

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 от стационарного покрытия резервуаров к плавающим крышам.

К 1930-м годам появились первые конструкции плавающих крыш, а в 1940-х годах плавающие крыши начали внедрять в практику резервуарострое-ния 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).

В настоящее время широкое распространение в мировой практике резер-вуаростроения для резервуаров вместимостью до 100-150 тыс. м и более получили однодисковые плавающие крыши понтонного типа, состоящие из одинарного настила и прикрепленных к нему по контуру понтонов. Однако серьезные недостатки этого типа крыш - недостаточная устойчивость формы, низкая жесткость центральной части, неравномерность распределения снеговой и ветровой нагрузок значительно снижают эксплуатационную надежность плавающих крыш понтонного типа.

С появлением плавающих крыш поплавкового типа, состоящих из настила с распределенными по его поверхности поплавками и небольшого кольцевого понтона, были решены несколько основополагающих задач - повышение жесткости центральной части, уменьшение неравномерности распределения снеговой нагрузки, повышение плавучести. Это привело к повышению эксплуатационной надежности этого типа крыш и их непотопляемости.

В зарубежной практике резервуаростроения распространение получили в основном поплавковые плавающие крыши типа «Байоруф». В нашей стране конструктивных решений плавающих крыш поплавкового типа нет.

Поэтому разработка отечественной плавающей крыши поплавкового типа на основе отечественного метода рулонирования является задачей актуальной и практически необходимой.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Анализ современного состояния конструктивных решений плавающих крыш показал, что наиболее распространенными в мировой практике резервуа-ростроения являются однодечные плавающие крыши понтонного и поплавкового типов. 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.

Плавающие крыши поплавкового типа практически лишены этих недостатков, и считаются непотопляемыми. Такие крыши используются в основном за рубежом, в России плавающих крыш поплавкового типа нет.

Поэтому создание отечественной конструкции поплавковой плавающей крыши на основе отечественного метода рулонирования - задача актуальная и практически необходимая.

Для решения этой проблемы был использован новый подход к конструированию и формообразованию проектной формы крыши из рулонных заготовок, теоретическому обоснованию ее плавучести, что позволило получить следующие результаты:

1. На основе метода конструктивного моделирования сформулированы принципы формообразования из рулонных заготовок пространственной формы поплавковой плавающей крыши, состоящей из настила, распределенных поплавков и кольцевого понтона. При этом экспериментально была доказана возможность создания четырех модификаций конструктивных решений поплавковых плавающих крыш: 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 крыш разработаны рекомендации, позволяющие использовать их на стадиях проектирования, изготовления и монтажа.

3. Предложенная конструкция поплавков позволила повысить по сравнению с плавающей крышей понтонного типа 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 из рулонных заготовок.

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

6. Научная новизна, приоритетность и практическая ценность выполненной работы подтверждена патентом России и использованием практических рекомендаций для конструирования и изготовления плавающей крыши поплавкового типа из рулонных заготовок для резервуара объемом V = 10000 м3 и ликвидации хлопунов на существующей плавающей крыше понтонного типа резервуара объемом V = 50000 м3 на нефтебазе ОАО «Саратовский НПЗ» г. Саратова.

7. Проведенные сравнения эксплуатационных характеристик предложенной и существующих плавающих крыш показали, что при одинаковой их металлоемкости плавающая крыша поплавкового типа из рулонных заготовок 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).

1. Ковельман Г.М. Творчество инженера Шухова. — М.: 1961.

2. Раевский Г.В. Изготовление стальных вертикальных цилиндрических резервуаров методом сворачивания. М, Л.: ГНТИНиГТЛ, 1952.

3. Сафарян М.К. Металлические резервуары и газгольдеры. — М,: Недра, 1987.-201 с.

4. ГОСТ 1510-76. Нефть и нефтепродукты. Упаковка, маркировка, транспортирование и хранение. М.: Изд-во стандартов, 1977.

5. Резервуары с плавающими крышами и понтонами. Обзор зарубежной литературы. М.: ВНИИОЭНГ, 1971. - 56 с.

6. Евтихин В.Ф., Федоров В.К. Хранение нефти и нефтепродуктов в резервуарах с плавающими крышами. М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1975. - 61 с.

7. Денисова А.П., Муртазин М.Р., Землянский А.А. Конструкции плавающих крыш для вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов: Тематический обзор. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2001, 58 с.

8. Суворов А.Ф., Лялин К.В. Сооружение крупных резервуаров. М.: Недра, 1979.-223с.

9. Применение цилиндрических резервуаров за рубежом. Обзоры зарубежной литературы. И.: ВНИИОЭНГ, 1976. - 54 с.

10. Денисова А.П. Плавающие крыши вертикальных стальных резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов. Обзор, информ. сер. «Транспорт и хранение нефти». М.: ВНИИОЭНГ, 1989. - 60 с.

11. А.с. 563469 СССР, МКИЗ Е04Н 7/02, В65Д 87/18. Плавающая крыша резервуара / Н.А. Ушаков, Ф.Н. Рабинович, Л.А. Волонихин // БИ. №24, 1977.-С.79.

12. Проект резервуара V = 150 тыс. м3. 10-340-81. М.: ЦНИИПСК, 1981.

13. Патент 2137689 Россия. МПК B65D88/34. Плавающая крыша резервуара / В.А. Кузнецов, A.M. Шаммазов, О.А. Макаренко, А.В. Кузнецова. 1999.

14. А.с. 537904 СССР. МКИЗ В66Д 87/18. Однодечная плавающая крыша / Б.В. Поповский, В.М. Никиреев, Н.А. Даниляк, Г.С. Чолонян, М.К. Сафа-рян, С.И. Зеревкин, М.И. Лукиенко, Ю.С. Летников // БИ. № 45, 1976.-С.69.

15. Евтихин В.Ф. Транспорт и хранение нефтепродуктов за рубежом. Тематический обзор. М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1977. - 67 с.

16. Евтихин В.Ф., Новое в проектировании, строительстве и эксплуатации резервуаров для нефти и нефтепродуктов. Тематические обзоры. М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1980. - 56 с.

17. Патент 1457006. Великобритании, МКИЗ EIT В65Д 87/18. 1976.

18. Патент 4036394. QUA, МКИЗ В65Д 87/20. 1977.

19. Патент 1395240 Великобритании, МКИЗ EIT В65Д 89/18. 1975.

20. Патент 1191461 Великобритании, МКИЗ EIT Е04Н 7/12. 1973.

21. Резервуарные металлоконструкции, изготавливаемые заводами ВПО «Со-юзстальконструкция»: Каталог. М.: Минмонтажспецстрой СССР, 1987.- 118 с.

22. Арзунян А.С., Афанасьев А.А., Прохоров А.Д. Сооружение нефтегазохра-нилищ. М.: Недра, 1986. - 330с.

23. Афанасьев В.А., Бобрицкий Н.В. Сооружение резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов. М.: Недра, 1981. — 191 с.

24. Билецкий С.М. Индустриальное изготовление негабаритных сварных листовых конструкций. Киев: Наукова думка, 1983. - 271 с.

25. Лессиг Е.Н., Лилеев А.Ф., Соколов А.Г. Листовые металлические конструкции. М.: Стройиздат, 1970. - 217 с.

26. Денисова А.П. Рулонируемое покрытие вертикальных металлических резервуаров // Экспресс-инф. / Серия Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. М.: ВНИИОЭНГ, 1986. Вып 3, С. 6-12.

27. Денисова А.П., Смольков А.П., Муртазин М.Р. Стационарные и плавающие крыши из рулонных заготовок // Новые решения в проектировании и строительстве металлических резервуаров: Международный коллоквиум. -Киев, Одесса, 2000. С. 30-31.

28. Денисова А.П., Муртазин М.Р. Плавающие крыши с распределенными поплавками и понтонами для РВС // Актуальные проблемы современного строительства: Материалы Всероссийской XXX научно-технической конференции. Пенза: ПГАСА, 1999. С. 36-37.

29. Муртазин М.Р., Денисова А.П. Плавающие крыши вертикальных стальных резервуаров // Совершенствование конструктивных решений и методов расчета строительных конструкций: Межвуз. науч. сб. Саратов, 1999. С. 29-36.

30. Каравайченко М.Г., Бабин Л.А., Усманов P.M. Резервуары с плавающими крышами. М.: Недра, 1992. - 236 с.

31. Патент РФ № 2200120 С2. Способ изготовления плавающей крыши / А.П. Денисова, М.Р. Муртазин // БИ. № 7, 2003.

32. ВСН 311-89. Монтаж стальных вертикальных цилиндрических резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов объемом от 100 до 50000 м3. М.: Минмонтажспецстрой СССР, 1990.

33. Каравайченко М.Г., Бабин Л.А., Гадельшин Р.З., Шнейдер Г.Б. / Индустриальные методы монтажа резервуаров с плавающими крышами // Обзор, информ. Сер. Монтаж оборудования и трубопроводов.-1990. Вып 1.-38 с.

34. ПБ 03-381-00. Правила устройства вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. М.: Госгортехнадзор России, 2000.

35. Бобрицкий Н.В., Куренин Б.Н, Строительство объектов нефтяной и газовой промышленности. М.: Недра, 1983. - 223 с.

36. Поповский Б.В., Дикун В.Н. Изготовление и монтаж крупногабаритных листовых конструкций. М.: Стройиздат, 1983. - 110 с.

37. Галюк В.А. Эксплуатация и ремонт резервуаров большой вместимости. — М.: ВНИИОЭНГ, 1987.

38. Евтихин В.Ф., Каравайченко М.Г., Бабин Л.А., Шнейдер Г.Б. /Опыт сооружения и эксплуатации резервуаров // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. М.: изд. ЦНИИТЭНефтехим, 1990. - 67 с.

39. Каравайченко М.Г., Краснов В.И., Валитова Г.М. Модели отказов резервуаров с плавающей крышей // Современные машины и аппараты химических производств. Ташкент: ТПИ, 1983. С. 11-13.

40. РД-39-0147103-385-87. Правила технической эксплуатации резервуаров магистральных нефтепроводов. Уфа, 1988.

41. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, - 1986. - 96с.

42. Бабин JI.A., Каравайченко М.Г., Жданов Р.А. Основы теории и расчет плавающей крыши резервуара: Учеб. пособие; Нефт. ин-т, Уфа, 1990. - 88 с.

43. Каравайченко М.Г., Гадельшин Р.З. Методика оценки воздействия снеговой нагрузки на работоспособность резервуаров с плавающей крышей // ^ Совершенствование технологии и оборудования процессов переработки итранспорта нефти. Новополоцк: НПИ, 1989. С. 29.

44. Вертикальные цилиндрические стальные резервуары для нефти и нефтепродуктов. Информационный справочник. Самара - Саратов, 2002.

45. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для ВУЗов / Е.И. Бе-леня, В.А. Балдин, Г.С. Веденников и др.; Под общ. ред. Е.И. Беленя. 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1986 - 550 е., ил.

46. Ziolko I. Modelluntersuchugen der Windeinwirkung auf Stalbehalter mit Schwimmdach. Berlin: Der Stahlban 47 (1978), H. 11, S. 321 - 329.

47. Симиу Э., Сканлан P. Воздействие ветра на здания и сооружения: Пер. с англ; Под ред. Б.Е. Маслова. М.: Стройиздат, 1984. — 360 с.

48. Горлин С.М., Коренберг JI.H. Аэродинамические исследования моделей резервуаров большой емкости // Строительная механика и расчет сооружений, 1968.-№ 4. С. 11 13.

49. Palmer S.C. Desing of floating roofs on oil storage tanks to withstand wind load-ing-areview with recommendations Mimeche. Departament of Engineering, Cambridge University. 1986. p.p. 321 329.

50. Holroyd R.I. On the behavior of open topped oil storage tanks in high winds. Part. 1. Aerodynamic aspects. Journal of wind Engineering, and Industrial Aerodynamics, 1983, H. 12, p.p. 329 352.

51. Holroyd R.I. On the behavior of open topped oil storage tanks in high winds. Part. 11. Structural aspects. Journal of wind Engineering, and Industrial Aerodynamics, 1985, 18/ 1, p.p. 53-73.

52. СНиП П-23-81*. Стальные конструкции / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, - 1990. - 96 с.гir139