CC BY
16
16 ДОБЫЧА-ОБОРУДОВАНИЕ
4/Н (04) СЕНТЯБРЬ 2009 г. ЭКСПОЗИЦИЯ НЕФТЬ ГАЗ
В настоящей статье рассматривается вопрос оценки общей устойчивости вертикального стального резервуара по первому предельному состоянию (по потере несущей способности).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ УСТОЙЧИВОСТИ
ВЕРТИКАЛЬНОГО РЕЗЕРВУАРА ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ
Д.М. АНТОНОВСКИМ И.С. ЛАДНЕР
Инженер, HUESKER Synthetic Moscow Россия HUESKER Synthetic GmbH Германия
Основными видами расчетов при проектировании вертикальных стальных резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов являются определение несущей способности оснований резервуаров, осадок оснований (в том числе и по периметру), величины крена (см. [2]). В настоящей статье рассматривается вопрос оценки общей устойчивости вертикального стального резервуара по первому предельному состоянию (по потере несущей способности), что также является одним из главных условий успешной эксплуатации подобных сооружений.
Для примера определим общую устойчивость вертикального стального резервуара типа РВС-1000 III класса ответственности (в соответствии с пунктом 1.2.6 Правил устройства вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов ПБ 03-605-03 [3]), рассчитанного на хранение до 1000 м3 нефтепродуктов плотностью до 10 кН/м3. Резервуар имеет форму цилиндра диаметром 10,5 м и высотой 12,0 м. Общий вес пустого резервуара составляет 337 кН, включая все конструктивные элементы. Толщина фундамента под резервуар составляет 90 см и включает щебеночный и песчаный слои, а также слой гидроизоляции [1].
В качестве грунтового основания принят слой текучей супеси мощностью 12,0 м со следующими нормативными физико-механическими характеристиками: угол внутреннего трения фн = 120; удельное сцепление сн = 0,015 МПа; удельный вес грунта Yн = 19,6 кН/м3. Расчетный уровень грунтовых вод находится на глубине 1,0 м от поверхности.
Для расчета основания по несущей способности (по первому предельному состоянию) принимаются следующие ко-
эффициенты перехода от нормативных характеристик грунта основания к расчетным в соответствии с пунктом 2.16 СНиП 2.02.01-83* [5]: для угла внутреннего трения: кф = 1,15; для удельного сцепления: кс = 1,50. Коэффициент надежности по грунту принят равным 0,9 в соответствии с примечанием 1 пункта 2.2 СНиП 2.01.0785* [4], (так как в данном случае уменьшение удельного веса грунта ухудшает условия работы конструкции).
В качестве расчетного состояния принято состояние полностью и равномерно заполненного по всему объему (объем 1000 м3) резервуара условным нефтепродуктом плотностью 10 кН/м3. При этом коэффициент надежности по нагрузке от собственного веса нефтепродукта принят равным 1,0 в соответствии с таблицей 3.4 СНиП 2.01.07-85* [4].
Вес стального резервуара (337 кН) для удобства расчетов переведен в равномерно распределенную нагрузку величиной 32,1 кН/м2, действующую на площадке длиной 10,5 м (диаметр резервуара) и шириной 1,0 м (в соответствии с расчетной моделью оценки устойчивости сооружения). Коэффициент надежности по нагрузке от собственного веса металлической конструкции составляет 1,05 в соответствии с таблицей 2.2 СНиП 2.01.07-85* [4].
Моделирование и расчеты устойчивости системы «резервуар - фундамент - грунтовое основание» производились в программном обеспечении ООи^аЬН^у и НиЕЭКЕК^аЬПКу (сертифицированном в системе ГОСТ Р Госстандарта России). Расчетная модель системы представлена на рис. 1.
При расчете общей устойчивости минимальный коэффициент запаса сооружения принят равным 1,40. При расчете системы ►
Рис. 1 Модель системы «резервуар-
фундамент - грунтовое основание» для определения общей устойчивости
Рис. 2 Общая устойчивость системы «резервуар - фундамент -грунтовое основание»
DETERMINING OF THE OVERALL STABILITY OF THE VERTICAL RESERVOIR FOR STORAGE OF OIL AND PETROLEUM PRODUCTS
The key types of calculations In designing of the vertical steel reservoirs for the storage of oil and petroleum products involve the determination of the load bearing capability for the reservoir bases, yielding of foundation (including along the perimeter), roll rate (ref.
[2]). This article is concerned with the evaluation of the overall stability of the vertical steel reservoir based on the first ultimate limit state (based on the bearing-capacity failure), which is also one of the main conditions for successful operation of such facilities.
As an example, let us determine the stability of the vertical steel reservoir, type PBC-1000, importance class III (as per Item 1.2.6 of the Regulations on Construction of the Vertical Cylindrical Steel Reservoirs for Oil and Petroleum Products, Safety Regulations 03-605-03
[3]), designed for the storage of up to 1000 m3 of petroleum products with a density of up to 10 kN/m3. The reservoir has the shape of a cylinder, 10.5 m in diameter and 12.0 m high. The total weight of the empty reservoir is 337 kN, including all the structural elements. The thickness of the foundation for the reservoir is 90 cm with crushed stone and sand layers as well as a damp-proofing layer [1].
A layer of fluid clay sand with thickness 12.0 m is assumed as the soil foundation, with the following normative physical and mechanical characteristics: angle of internal friction q>H = 120; specific cohesion ch = 0,015 MPa; unit weight of the soil yh = 19.6 kN/m3. Design level of the subterranean water is at a depth of 1.0 m from the surface.
To calculate the base by the load bearing capacity (in terms of the first ultimate limit state) the following coefficients for transfer from the normative characteristics of the base soil to the calculated ones in accordance with the Item 2.16 of the Construction Directives and Rules 2.02.01-83* [5] are assumed: for angle of internal friction: kq> = 1.15; for cohesion: kc = 1.50. The reliability factor in terms of soil is assumed to be equal to 0.9 in accordance with Note 1 for Item 2.2 of the Construction Directives and Rules 2.01.07-85* [4] (as in this case the reduction of the soil unit weight makes the operating conditions of the structure worse).
The condition of the completely and uniformly filled up reservoir throughout the whole volume (volume 1000 m3) with the conventional petroleum product, with unit weight 10 kN/m3 is assumed as the estimated one. At the same time the reliability factor in terms of load from the petroleum own product's weight is assumed to the equal 1.0 in accordance
ЭКСПОЗИЦИЯ НЕФТЬ ГАЗ 4/Н (04) СЕНТЯБРЬ 2009 г.
ДОБЫЧА-ОБОРУДОВАНИЕ 17
with Table 3.4 of the Construction Directives and Rules 2.01.07-85* [4].
For the sake of calculation the weight of the steel reservoir (337 kN) convenience has been transferred into an uniform load of 32.1 kN/m2, acting on area 10.5 m long (reservoir diameter) and 1.0 m width (in accordance with the design model for evaluating the stability of the structural competence). The reliability factor in terms of load under the metal structure's own weight equals 1.05 in accordance with Table 2.2 of the Construction Directives and Rules 2.01.07-85* [4].
The model and stability analyses of the system «Reservoir - Base plate - Soil Foundation» system were carried out using GGU-Stability and HUESKER-Stability Software (certified to the GOST R of the Russian Gosstandard System). The calculation model of the system is set out in Fig. 1.
In calculating of the overall stability, the minimum safety factor for the facility is assumed to be equal to 1.40. In calculating of the system using the above mentioned parameters and coefficients, the total margin of safety for the structure was 1.37 (see Fig. 2).
In order to achieve the required safety margin of 1.40, the simplest and most economical method is to introduce an additional holding force by using of geosynthetic reinforcement. In the meantime, the following requirements apply to the reinforcement material in this particular case:
• raw material: polyvinyl alcohol or aramid due to low elongation (up to 5% at breaking load) and 100% stability to the petroleum products resistance;
• the same characteristics of the geosynt-hetic material lengthwise and crosswise due to the equal distribution of the load on the soil foundation in all directions;
• type of geosynthetic material - preferably a flat geogrid due to minimum losses of strength in interaction with crushed stone. In the calculations was assumed the service life of the facility no less than 60 years, the initial raw material of the flat geogrids as polyvinyl alcohol (PVA) as the most economical option.
In order to achieve the safety margin of 1.40 it suffices to introduce into the foundation (between the layers of crushed stone and sand) a geogrid from polyvinyl alcohol with a design strength of 19.80 kN/m (which conforms to the material such as Fortrac 40/40-30 M with short term tensile strength lengthwise and crosswise equaling 40 kN/m given with the safety margin for the material amounting to 1.40 and all the reducing coefficients for its operating conditions).
The above calculations may be used as an example to prove the efficiency and cost-effectiveness of using geosynthetic materials in order to achieve the required stability of the vertical reservoirs for the storage of oil and petroleum products on the soils with load bearing capability below average without complete or partial replacement of soil or beefing up the foundation for the reservoir. This engineering solution for ensuring of the required safety margin is especially relevant for the physical and mechanical characteristics of the soil foundations which are worse considered (provided the reservoir is stable in terms of other types of stability loss), when reservoirs with a volume larger than the one considered are used or with a seismic impact (with restrictions on the seismicity coefficient given that the check for allowable value of the roll rate is passed).
с указанными выше параметрами и коэффициентами общий коэффициент запаса конструкции составил 1,37 (см. рис. 2).
Для достижения требуемого коэффициента запаса 1,40 наиболее простой и экономичный способ - введение дополнительного удерживающего усилия за счет геосинтетической арматуры. При этом применительно к данному конкретному случаю к армирующему материалу предъявляются следующие требования:
• сырьё: поливинилалкоголь или арамид ввиду низкого относительного удлинения (до 5% при разрывной нагрузке) и 100%-ной устойчивости к воздействию нефтепродуктов;
• одинаковые характеристики геосинтетического материала в продольном и поперечном направлениях ввиду одинакового распределения нагрузки на грунтовое основание по всем направлениям;
• вид геосинтетического материала
- предпочтительно плоская георешетка ввиду наименьших потерь прочности при взаимодействии со щебнем. В расчетах принимался срок службы сооружения - не менее 60 лет, исходное сырье плоской георешетки - поливинилалкоголь (РУА) как более экономичный вариант.
Для достижения коэффициента запаса 1,40 достаточно введения в фундамент (между слоями щебня и песка) плоской георешетки из поливинилалкоголя с расчет-
Рис. 3 Общая устойчивость системы
«резервуар - фундамент - грунтовое основание» с армированием плоской георешеткой типа Fortrac 40/40-30 М
ной прочностью 19,80 кН/м (что соответствует материалу типа Fortrac 40/40-30 М с кратковременной прочностью на разрыв в продольном и поперечном направлениях 40 кН/м с учетом коэффициента запаса на материал 1,40 и всех понижающих коэффициентов учета условий его работы).
На примере проведенных выше расчетов можно показать эффективность и экономичность применения геосинтетических материалов для достижения требуемой устойчивости вертикальных резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов на грунтах с несущей способностью ниже среднего без полной или частичной замены грунта или усиления фундамента под резервуар. Данное инженерное решение по обеспечению требуемого коэффициента запаса особенно актуально при физико-механических характеристиках грунтов основания хуже рассмотренных (при условии устойчивости резервуара по другим видам потери устойчивости), использовании резервуаров объемом больше рассмотренного или сейсмическом воздействии (с ограничениями по коэффициенту сейсмичности при условии соответствия проверке на допустимую величину крена сооружения).^
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:
1. Едигаров С.Г., Бобровский С.А. Проектирование и эксплуатация нефтебаз и газохранилищ. - М.: Недра, 1973. - 180 с.
2. Коновалов П.А. и др. Фундаменты стальных резервуаров и деформации их оснований/ П.А. Коновалов,
Р.А. Мангушев, С.Н. Сотников, А.А. Землянский, А.А. Тарасенко. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2009. - 336 с.
3. ПБ 03-605-03. Правила устройства вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. - М.: 2003.
4. СНиП 2.01.07-85*. Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия. - М.: 1985.
5. СНиП 2.02.01-83*. Строительные нормы и правила. Основания зданий и сооружений. - М.: 1995.
Н. HUESKER
Представительство
Huesker Synthetic GmbH в России:
125009 Москва,
ул. Тверская, д.16, стр. 1
Телефон:
+7 (495) 221-42-58 +7 (495) 221-42-61
Телефон/Факс:
+7 (499) 725-79-08
[email protected] www.huesker.ru
HUESKER Synthetic GmbH (Германия) на протяжении многих десятилетий разрабатывает, производит и реализует по всему миру геосинтетические материалы для различных отраслей строительства и промышленности.
В нефтегазовой отрасли геосинтетические материалы производства HUESKER Synthetic позволяют решать такие инженерные задачи, как балластировка и защита трубопроводов от механических повреждений, инженерная защита грунтов от водной и ветровой эрозии при подземной прокладке трубопроводов, возведение внутрипромысловых дорог и площадок на слабых основаниях, возведение подпорных стен и конструкций из армогрунта, гидроизоляция, инженерная защита и другие.
Насколько различны индивидуальные требования наших клиентов - настолько велик ассортимент выпускаемой нами продукции и сфер ее применения: геосинтетические ткани, плоские и пространственные георешетки, высокопрочные геооболочки, противоэрозионные георешетки, бентонитовые маты, геокомпозиты и нетканые материалы из полиэстера, поливинилалкоголя, ара-мида, полипропилена, полиамида и другого сырья согласно требованиям конкретных проектов.
