Вертикальные цилиндрические резервуары низкого давления

Раздел 7

РЕЗЕРВУАРЫ НЕФТЕБАЗ

 

1. Классификация резервуаров отечественного производства и их назначение.

Резервуары являются одним из основных сооружений нефтебаз и пред­назначены для хранения нефтепродуктов и производства некоторых технологи­ческих операций. По материалу, из которого сооружены резервуары, различают металлические, железобетонные, каменные и земляные. Большое развитие получили резервуары, сооружаемые в горных выработках. Основным стро­ительным материалом для выработок является сама горная порода, в толще которой создается емкость.

По отношению к уровню земли резервуары могут быть:

Ö подземными, когда наивысший уровень нефтепродукта в резервуаре находится не менее чем на 0,2 м ниже наинизшей планировочной отметки при­легающей площадки (к подземным относятся также резервуары, имеющие обсыпку не менее чем на 0,2 м выше допускаемого наивысшего уровня нефте­продукта в резервуаре);

Ö наземными, когда днище резервуара находится на одном уровне или выше наинизшей планировочной отметки прилегающей площадки (в пре­делах 3 м от стенки резервуара).

Для полной сохранности качества и количества нефтепродуктов, облада­ющих различными физическими свойствами, разработано большое количество различных конструкций резервуаров. Выбор типа резервуара в каждом кон­кретном случае должен быть обоснован специальным технико-экономическим расчетом.

Емкости для хранения нефтепродуктов могут быть подразделены по следу­ющим признакам:

1) по материалу, из которого они изготовлены: металлические, железо­бетонные, каменные, земляные, синтетические, ледогрунтовые и горные в раз­личных горных породах, слагающих кору земного шара;

2) по величине избыточного давления: резервуары низкого давления, в ко­торых избыточное давление мало отличается от атмосферного (р_и 0,02МПа), и резервуары высокого давления (р_и > 0,02МПа);

3) по технологическим операциям: резервуары для хранения маловязких нефтей и нефтепродуктов, резервуары для хранения высоковязких нефтей и нефтепродуктов, резервуары-отстойники, резервуары-смесители, резервуары специальных конструкций для хранения нефтей и нефтепродуктов с высоким давлением насыщенных паров;

4) по конструкции: а) стальные резервуары (вертикальные цилиндриче­ские с коническими и сферическими крышами, горизонтальные цилиндрические с плоскими и пространственными днищами, каплевидные, шаровые, резерву­ары-цилиндроиды); б) железобетонные резервуары (вертикальные и горизон­тальные цилиндрические, прямоугольные и траншейные).

Нефтехранилища в горных выработках, сооружаемые в пластах каменной соли путем размыва и уплотнения пластических пород взрывом, шахтные и ледогрунтовые.

В зависимости от назначения резервуары разделяются на две группы. К первой группе относятся резервуары, предназначенные для хранения жидко­стей при избыточном давлении до 0,07 МПа включительно и температуре до 120° С. Такие резервуары проектируются и изготовляются согласно «Нормам и технологическим условиям проектирования и изготовления стальных кон­струкций и промышленных сооружений». Ко второй группе относятся резер­вуары, работающие под давлением более 0,07 МПа. Они проектируются и изго­товляются по специальным технологическим условиям. Эксплуатация этих конструкций находится под особым наблюдением специальной Государственной инспекции.

Нефтяные металлические резервуары имеют форму поверхностей вращения и подвергаются действию постоянного внутреннего давления, распределенного симметрично относительно оси вращения. Под действием внутреннего давления в стенках оболочки возникают напряжения растяжения и частично изгиба. Но вследствие малой толщины стенки по сравнению с радиусом кривизны оболочки при определении напряжений с достаточной для практических расче­тов точностью для резервуаров объемом до 10 000 м³ можно пренебречь изгибом стенок.

 

Требования, предъявляемые к конструкции резервуаров. Стали, применяемые для сооружения резервуаров.

Резервуары представляют собой сварную конструкцию из стальных листов. Наиболее распространенные размеры листов: 1000´2000 и 1250´2500 мм при толщине d £ 4 мм; 1500´6000 мм при толщине d ³ 4 мм. Листы для резервуаров изготовляются из полуспокойной и спокойной мартеновских сталей ВМСт.306 и ВМСт.Зсп (ГОСТ 380–71), удовлетворяющих следующим требованиям по механическим свойствам и химическому составу (группа В):

1) временное сопротивление 37 ¸ 46МПа;

2) предел текучести не менее 24МПа для первого разряда (при толщине проката 20 ¸ 41 мм);

3) верхние пределы содержания углерода – 0,22%, серы – 0,05%, фос­фора – 0,045% и кремния – 0,15%;

4) предельное содержание хрома, никеля и меди не более 0,3% (каждого элемента);

5) ударная вязкость при температуре -20 °С не менее 30 Дж/см².

При понижении температуры (ниже -20 °С) стали ВМСт.Зпс и ВМСт.Зсп приобретают повышенную хрупкость и ударная вязкость падает ниже 30 Дж/см². Поэтому для резервуаров, эксплуатируемых при температуре ниже -20° С, следует применять специальные низколегированные марганцо­вистые стали с высокой ударной вязкостью. Например, по ГОСТ 5520–69 сталь 1072С обладает следующими пределом текучести (σ_т) и пределом прочности (σ_вр): σ_т = 37 МПа и σ_вр = 51 МПа для d = 4 ¸ 7 мм; σ_т = 34 МПа и σ_вр = 50 МПа для d = 8 ¸ 32 мм. Ударная вязкость этой стали 30 Дж/см² при температуре -40 °С и 24,5 Дж/см² при температуре -70 °С.

Для сварных резервуаров, работающих под давлением 0,8 ¸ 6 МПа, при температуре хранения нефтепродуктов 120 ¸ 450° С применяют стали марок 15К и 20К, которые по химическому составу и механическим свойствам удовлет­воряют требованиям ГОСТ 5520–69.

Сталь для сварных резервуаров должна поставляться с гарантией свари­ваемости. Во избежание образования трещин применять конверторную сталь не допускается.

 

 

Анализ экономической эффективности стальных резервуаров показы­вает, что сравнение технико-экономических показателей, например, по общему расходу металла, хотя и выявляет оптимальные конструкции по удельному расходу металла (в расчете на 1 м³ полезного объема), но не раскрывает всех сторон экономической эффек­тивности резервуаров различных типов. Широкая номенклатура резер­вуаров содержит большой перечень сооружений, не сопоставимых по своему назначению.

Например, не имеет смысла сравнивать между собой резервуары низ­кого и высокого давлений (обычные вертикальные резервуары со сфери­ческими крышами) по величине потерь нефтепродуктов от испарения, так как назначение их различно. Также нельзя просто сравнивать резервуары с плавающей крышей и резервуары с понтоном, так как резервуа­ры с плавающей крышей в среднем экономичнее резервуаров с понтоном на 20% из-за отсутствия лишней стационарной крыши, но каждый из них имеет свою рациональную область применения.

Существует немало случаев, когда по условиям эксплуатации не­обходимо применять резервуары с понтоном. Например, в районах с большими снеговыми осадками или в районах с песчаными бурями не­пригодны резервуары с плавающей крышей. Но в районах, где оба вида резервуаров эквивалентны по сокращению потерь, предпочтение следует отдавать резервуарам с плавающей крышей, которые имеют ряд пре­имуществ. Они более удобны для наблюдения во время эксплуатации, в пожаротушении и ремонте, при защите от коррозии.

Специфическая особенность нефтяных резервуаров в отличие от дру­гих строительных конструкций и сооружений заключается в том, что в них с точки зрения экономической эффективности значительно большее значение имеет не экономия стали или снижение себестоимости, а стои­мость сокращения потерь от испарения, которая несравненно выше. На­пример, если экономия стали или сметной стоимости составляет тысячи рублей, то экономия от сокращения потерь нефтепродукта составляет де­сятки или сотни тысяч рублей. Это следует из общего количества потерь нефти и нефтепродуктов, которое оценивается в пределах 5 ¸ 7 % от объ­ема добываемой нефти в стране и составляет миллионы тонн. С другой стороны, борьба с потерями нефти и нефтепродуктов с точки зрения ох­раны природы также имеет большое социальное значение. Таким образом, экономическая эффективность резервуаров должна выявляться и оцениваться путем комплексного анализа всех факторов с учетом приве­денных затрат, включающих эксплуатационные расходы и стоимость по­терь при хранении.

При упрощенном анализе экономической эффективности резервуаров различных типов следует сравнивать между собой в основном однотип­ные резервуары, но имеющие разные объемы. В этом случае следует сравнивать между собой удельные расходы или стоимости, приходящие­ся на 1 м³ объема. При комплексном анализе для более полного выявле­ния экономической эффективности стальных резервуаров учитывают все факторы, в том числе эксплуатационные расходы, включающие стои­мость сокращения потерь при хранении.

При анализе эффективности не отдельных резервуаров, а целых резервуарных парков учитывают, кроме того, стоимость территории, внутри парковых коммуникаций и других общепарковых расходов. Тогда более полно выявляется экономическая эффективность, как отдельных резер­вуаров, так и всего парка в целом.

 

Шаровые резервуары

Для хранения нефтепродуктов с высоким давлением насыщенных паров и сжиженных газов получили широкое распространение шаровые резервуары, ра-ботающие под избыточным давлением. В соответствии с ГОСТ 9463—60 в шаровых резервуарах установлены следующие давления: 0,25; 0,6; 1,0 и 1,8 МПа. При давлении меныпе 0,2 МПа неэкономично применять шаровые резервуары, так как их вес при этом получается такой же, как каплевидных, а стоимость на 40— 50% выше из-за необходимости штамповки листов, усложнения обработки кромок и сборки. Материалом для шаровых резервуаров служит низколегированная сталь 09Г2С (ГОСТ 5058—65). Для индустриальных методов изготовления лепестков оболочки на заводах принят постоянный ряд диаметров шаровых резервуаров 9, 10,5, 12, 16 и 20 м, соответствующих номинальным объемам 300, 600, 900, 2000 и 4000 м3. Согласно правилам Госгортехнадзора шаровые резервуары отнесены к сосудам первого класса, для которых запас к пределу прочности должен быть не менее трех, а коэффициент прочности стыковых швов k = 0,85 -:- 0,95.

Оболочка сферического резервуара опирается на несколько колонн, при-вариваемых непосредственно к корпусу, которые передают давление на бетонный фундамент. Для большей жесткости колонны часто соединяют между собой системой растяжек (рис. 3.22).

Рис. 7.5. Шаровой резервуар.

1 – узел дыхательной арматуры; 2 – поплавковый указатель уровня; 3 – совмещенный узел (шлюзовая камера) для замера уровня, температуры нефтепродукта и отбора пробы; 4 – запорная арматура; а – приемный и раздаточный патрубки; е – дренажный кран.

 

Каплевидные резервуары

Рис. 7.6. Каплевидный резервуар.

1 – днище; 2 – корпус; 3 – лестница; 4 – площадка с оборудованием; 5 – опорное кольцо.

 

Основное назначение каплевидных резервуаров (рис. 7.6.) – хранение нефте-продуктов с высоким давлением насыщенных паров под избыточным давлением, что позволяет значительно сократить потери от испарения по сравнению с «атмосферными» резервуарами. Однако стоимость стандартного цилиндрического «атмосферного» резервуара значительно меньше каплевйдного такого же объема. Это объясняется сложностью сооружения каплевидной оболочки. Поэтому непременным условием широкого внедрения каплевидных резервуаров является его экономичность, которая определяется сравнением размеров дополнительной стоимости и экономией от сокращения потерь за период амортизащш. Поскольку стоимость металлоконструкций определяется в значительной мере ее собственной массой, на каплевидные резервуары должно затрачиваться возможно меньше металла. Это условие удается выполнить, используя способность безмоментных оболочек двойной кривизны, а также уравновешивать распределенные по их поверхности нагрузки растяжением (или сжатием), одновременно действующими в направлении главной кривизны.

 

Раздел 7

РЕЗЕРВУАРЫ НЕФТЕБАЗ

 

1. Классификация резервуаров отечественного производства и их назначение.

Резервуары являются одним из основных сооружений нефтебаз и пред­назначены для хранения нефтепродуктов и производства некоторых технологи­ческих операций. По материалу, из которого сооружены резервуары, различают металлические, железобетонные, каменные и земляные. Большое развитие получили резервуары, сооружаемые в горных выработках. Основным стро­ительным материалом для выработок является сама горная порода, в толще которой создается емкость.

По отношению к уровню земли резервуары могут быть:

Ö подземными, когда наивысший уровень нефтепродукта в резервуаре находится не менее чем на 0,2 м ниже наинизшей планировочной отметки при­легающей площадки (к подземным относятся также резервуары, имеющие обсыпку не менее чем на 0,2 м выше допускаемого наивысшего уровня нефте­продукта в резервуаре);

Ö наземными, когда днище резервуара находится на одном уровне или выше наинизшей планировочной отметки прилегающей площадки (в пре­делах 3 м от стенки резервуара).

Для полной сохранности качества и количества нефтепродуктов, облада­ющих различными физическими свойствами, разработано большое количество различных конструкций резервуаров. Выбор типа резервуара в каждом кон­кретном случае должен быть обоснован специальным технико-экономическим расчетом.

Емкости для хранения нефтепродуктов могут быть подразделены по следу­ющим признакам:

1) по материалу, из которого они изготовлены: металлические, железо­бетонные, каменные, земляные, синтетические, ледогрунтовые и горные в раз­личных горных породах, слагающих кору земного шара;

2) по величине избыточного давления: резервуары низкого давления, в ко­торых избыточное давление мало отличается от атмосферного (р_и 0,02МПа), и резервуары высокого давления (р_и > 0,02МПа);

3) по технологическим операциям: резервуары для хранения маловязких нефтей и нефтепродуктов, резервуары для хранения высоковязких нефтей и нефтепродуктов, резервуары-отстойники, резервуары-смесители, резервуары специальных конструкций для хранения нефтей и нефтепродуктов с высоким давлением насыщенных паров;

4) по конструкции: а) стальные резервуары (вертикальные цилиндриче­ские с коническими и сферическими крышами, горизонтальные цилиндрические с плоскими и пространственными днищами, каплевидные, шаровые, резерву­ары-цилиндроиды); б) железобетонные резервуары (вертикальные и горизон­тальные цилиндрические, прямоугольные и траншейные).

Нефтехранилища в горных выработках, сооружаемые в пластах каменной соли путем размыва и уплотнения пластических пород взрывом, шахтные и ледогрунтовые.

В зависимости от назначения резервуары разделяются на две группы. К первой группе относятся резервуары, предназначенные для хранения жидко­стей при избыточном давлении до 0,07 МПа включительно и температуре до 120° С. Такие резервуары проектируются и изготовляются согласно «Нормам и технологическим условиям проектирования и изготовления стальных кон­струкций и промышленных сооружений». Ко второй группе относятся резер­вуары, работающие под давлением более 0,07 МПа. Они проектируются и изго­товляются по специальным технологическим условиям. Эксплуатация этих конструкций находится под особым наблюдением специальной Государственной инспекции.

Нефтяные металлические резервуары имеют форму поверхностей вращения и подвергаются действию постоянного внутреннего давления, распределенного симметрично относительно оси вращения. Под действием внутреннего давления в стенках оболочки возникают напряжения растяжения и частично изгиба. Но вследствие малой толщины стенки по сравнению с радиусом кривизны оболочки при определении напряжений с достаточной для практических расче­тов точностью для резервуаров объемом до 10 000 м³ можно пренебречь изгибом стенок.

 

Требования, предъявляемые к конструкции резервуаров. Стали, применяемые для сооружения резервуаров.

Резервуары представляют собой сварную конструкцию из стальных листов. Наиболее распространенные размеры листов: 1000´2000 и 1250´2500 мм при толщине d £ 4 мм; 1500´6000 мм при толщине d ³ 4 мм. Листы для резервуаров изготовляются из полуспокойной и спокойной мартеновских сталей ВМСт.306 и ВМСт.Зсп (ГОСТ 380–71), удовлетворяющих следующим требованиям по механическим свойствам и химическому составу (группа В):

1) временное сопротивление 37 ¸ 46МПа;

2) предел текучести не менее 24МПа для первого разряда (при толщине проката 20 ¸ 41 мм);

3) верхние пределы содержания углерода – 0,22%, серы – 0,05%, фос­фора – 0,045% и кремния – 0,15%;

4) предельное содержание хрома, никеля и меди не более 0,3% (каждого элемента);

5) ударная вязкость при температуре -20 °С не менее 30 Дж/см².

При понижении температуры (ниже -20 °С) стали ВМСт.Зпс и ВМСт.Зсп приобретают повышенную хрупкость и ударная вязкость падает ниже 30 Дж/см². Поэтому для резервуаров, эксплуатируемых при температуре ниже -20° С, следует применять специальные низколегированные марганцо­вистые стали с высокой ударной вязкостью. Например, по ГОСТ 5520–69 сталь 1072С обладает следующими пределом текучести (σ_т) и пределом прочности (σ_вр): σ_т = 37 МПа и σ_вр = 51 МПа для d = 4 ¸ 7 мм; σ_т = 34 МПа и σ_вр = 50 МПа для d = 8 ¸ 32 мм. Ударная вязкость этой стали 30 Дж/см² при температуре -40 °С и 24,5 Дж/см² при температуре -70 °С.

Для сварных резервуаров, работающих под давлением 0,8 ¸ 6 МПа, при температуре хранения нефтепродуктов 120 ¸ 450° С применяют стали марок 15К и 20К, которые по химическому составу и механическим свойствам удовлет­воряют требованиям ГОСТ 5520–69.

Сталь для сварных резервуаров должна поставляться с гарантией свари­ваемости. Во избежание образования трещин применять конверторную сталь не допускается.

 

 

Анализ экономической эффективности стальных резервуаров показы­вает, что сравнение технико-экономических показателей, например, по общему расходу металла, хотя и выявляет оптимальные конструкции по удельному расходу металла (в расчете на 1 м³ полезного объема), но не раскрывает всех сторон экономической эффек­тивности резервуаров различных типов. Широкая номенклатура резер­вуаров содержит большой перечень сооружений, не сопоставимых по своему назначению.

Например, не имеет смысла сравнивать между собой резервуары низ­кого и высокого давлений (обычные вертикальные резервуары со сфери­ческими крышами) по величине потерь нефтепродуктов от испарения, так как назначение их различно. Также нельзя просто сравнивать резервуары с плавающей крышей и резервуары с понтоном, так как резервуа­ры с плавающей крышей в среднем экономичнее резервуаров с понтоном на 20% из-за отсутствия лишней стационарной крыши, но каждый из них имеет свою рациональную область применения.

Существует немало случаев, когда по условиям эксплуатации не­обходимо применять резервуары с понтоном. Например, в районах с большими снеговыми осадками или в районах с песчаными бурями не­пригодны резервуары с плавающей крышей. Но в районах, где оба вида резервуаров эквивалентны по сокращению потерь, предпочтение следует отдавать резервуарам с плавающей крышей, которые имеют ряд пре­имуществ. Они более удобны для наблюдения во время эксплуатации, в пожаротушении и ремонте, при защите от коррозии.

Специфическая особенность нефтяных резервуаров в отличие от дру­гих строительных конструкций и сооружений заключается в том, что в них с точки зрения экономической эффективности значительно большее значение имеет не экономия стали или снижение себестоимости, а стои­мость сокращения потерь от испарения, которая несравненно выше. На­пример, если экономия стали или сметной стоимости составляет тысячи рублей, то экономия от сокращения потерь нефтепродукта составляет де­сятки или сотни тысяч рублей. Это следует из общего количества потерь нефти и нефтепродуктов, которое оценивается в пределах 5 ¸ 7 % от объ­ема добываемой нефти в стране и составляет миллионы тонн. С другой стороны, борьба с потерями нефти и нефтепродуктов с точки зрения ох­раны природы также имеет большое социальное значение. Таким образом, экономическая эффективность резервуаров должна выявляться и оцениваться путем комплексного анализа всех факторов с учетом приве­денных затрат, включающих эксплуатационные расходы и стоимость по­терь при хранении.

При упрощенном анализе экономической эффективности резервуаров различных типов следует сравнивать между собой в основном однотип­ные резервуары, но имеющие разные объемы. В этом случае следует сравнивать между собой удельные расходы или стоимости, приходящие­ся на 1 м³ объема. При комплексном анализе для более полного выявле­ния экономической эффективности стальных резервуаров учитывают все факторы, в том числе эксплуатационные расходы, включающие стои­мость сокращения потерь при хранении.

При анализе эффективности не отдельных резервуаров, а целых резервуарных парков учитывают, кроме того, стоимость территории, внутри парковых коммуникаций и других общепарковых расходов. Тогда более полно выявляется экономическая эффективность, как отдельных резер­вуаров, так и всего парка в целом.

 

Вертикальные цилиндрические резервуары низкого давления

Избыточное давление в таких резервуарах мало отличается от атмосфер­ного, поэтому их корпус рассчитывается на гидростатическое давление, вызывающее растягивающее усилие, равное весу столба жидкости над рас­сматриваемым сечением.

Для восприятия ветровой нагрузки, превышающей 30 Па, корпус резер­вуара должен быть усилен кольцами жесткости. Покрытие резервуара кони­ческое с уклоном 1: 20. Вследствие трудоемкости изготовления и монтажа конической крышки, несущие конструкции которой состоят из ферм, прогонов, радиальных балок и связей, разработана и применяется кровля, собираемая из крупноразмерных щитов заводского изготовления. Щиты представляют собой каркас из прокатных двутавров и швеллеров, к которому приварен листовой настил толщиной 2,5 мм. В середине резервуара щиты опираются на оголовок центральной стойки. На рис. 7.1 представлена типовая конструкция резервуара со щитовой кровлей, рулонным корпусом и днищем. Днище резервуара свар­ное, расположено на песчаной подушке и имеет уклон от центра к периферии, равный 2%. Уклон днища необходим для стока и уда­ления подтоварной воды.

 

Рис. 7.1. Стальной цилиндрический резервуар со щитовой кровлей объемом 5000 м.куб.

1 - корпус; 2 - покрытие; 3 - опорная стойка; 4 - лестница: 5 — днище.