Определение общей устойчивости вертикального резервуара для хранения нефти и нефтепродуктов

Д.М. Антоновский, И.С. Ладнер

(Журнал «Экспозиция Нефть Газ»)

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. 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), 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. В качестве грунтового основания принят слой текучей супеси мощностью 12,0 м со следующими нормативными физикомеханическими характеристиками: угол внутреннего трения ?н = 120; удельное сцепление cн = 0,015 МПа; удельный вес грунта ?н = 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 коэффициенты перехода от нормативных характеристик грунта основания к расчетным в соответствии с пунктом 2.16 СНиП 2.02.01-83: для угла внутреннего трения: k? = 1,15; для удельного сцепления: kc = 1,50. Коэффициент надежности по грунту принят равным 0,9 в соответствии с примечанием 1 пункта 2.2 СНиП 2.01.07- 85, (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.

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. Моделирование и расчеты устойчивости системы «резервуар – фундамент – грунтовое основание» производились в программном обеспечении GGU-Stability и HUESKER-Stability (сертифицированном в системе ГОСТ Р Госстандарта России). При расчете общей устойчивости минимальный коэффициент запаса сооружения принят равным 1,40. При расчете системы с указанными выше параметрами и коэффициентами общий коэффициент запаса конструкции составил 1,37.

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:

• • сырье: 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 (PVA) как более экономичный вариант. Для достижения коэффициента запаса 1,40 достаточно введения в фундамент (между слоями щебня и песка) плоской георешетки из поливинилалкоголя с расчетной прочностью 19,80 кН/м (что соответствует материалу типа Fortrac 40/40-30 M 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 стальных 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).