Защитные ограждения для резервуарных парков

Резервуары и резервуарные парки являются важными сооружениями технологических установок добычи, переработки, хранения и транспортировки нефти и нефтепродуктов.

Причины разрушений вертикальных стальных резервуаров

Как правило, подобные объекты размещаются в непосредственной близости от потребителей — в промышленных зонах или пригородах. Однако в связи с интенсивным развитием градостроительного комплекса, особенно за последние десятилетия, многие из них оказались расположенными непосредственно в черте застройки ряда городов и населенных пунктов.

Размещение хранилищ резервуарных парков в черте города всегда сопряжено с риском неконтролируемого выброса горючего вещества и возникновением пожара, что может привести не только к серьезным экологическим последствиям, но и к гибели людей, если не предусмотрены адекватные опасности защитные мероприятия.

Многочисленные отказы и особенно квазимгновенные разрушения вертикальных стальных резервуаров (РВС) с нефтью и нефтепродуктами, произошедшие как в нашей стране, так и за рубежом, нередко приводили к чрезвычайным ситуациям, сопровождавшимся травмами и гибелью людей, значительными материальными потерями и нанесением большого ущерба окружающей природной среде. По статистике, общий материальный ущерб от таких аварий резервуаров превышает в 500 раз и более первичные затраты на их сооружение.

Ситуация усугубляется также тем, что перенос таких функционально значимых объектов теплоэнергетики резервуарных парков на безопасные расстояния относительно объектов инфраструктуры застройки промышленных объектов, поселений или объектов природы — практически труднореализуемая задача, обусловленная экономическими, технологическими и другими причинами.

Основными предпосылками разрушений РВС и в особенности возникновения квазимгновенных разрушений РВС являются:

• большой процент износа эксплуатируемых в настоящее время резервуаров (до 80% );
• неравномерные просадки под ними оснований;
• сложный характер нагружения конструкции;
• отсутствие надежного контроля качества сварных соединений в зоне сварного шва;
• коррозия металла в агрессивной среде;
• отступления от проектов;
• нарушения режимов эксплуатации и другие.

Отличительным признаком квазимгновенных разрушений РВС являются полная потеря целостности корпуса и выход в течение короткого промежутка времени на прилегающую территорию всей хранящейся в резервуаре жидкости. Образующийся при этом поток в виде волны прорыва характеризуется мощностью, большой скоростью течения и значительной разрушающей способностью.

Статистика разрушений РВС свидетельствует, что, несмотря на определенный прогресс, достигнутый в последние годы в резервуаростроении, гидродинамические аварии в резервуарных парках продолжают иметь место. В связи с этим есть основания считать, что вопросы обеспечения конструктивной надежности резервуаров остаются нерешенными. Кроме того, нормативные защитные сооружения, применяемые и в настоящее время, не способны удержать продукт в пределах защищаемой территории при квазимгновенном разрушении РВС. Поэтому при наличии крупных резервуаров и терминалов, расположенных в населенных пунктах, морских и речных портах, около объектов федерального значения, возникает острая необходимость в разработке мер защиты этих территорий от разлива продуктов в случае разрушения РВС.

По статистическим данным за последний полувековой период в России из 140 зарегистрированных случаев разрушений стальных резервуаров нормативные земляные обвалования выполнили свои функции только в 16,4% случаев. Произошло это вследствие того, что истечение жидкости происходило из частично заполненных резервуаров. В остальных случаях поток жидкости разрушал земляные обвалования или защитные ограждения, промывал или перехлестывал через них, разливаясь на огромной площади.

Характер взаимодействия волны прорыва, образовавшейся при разрушении РВС, с защитной стеной, выполненной из бетона, кирпича или камня, а также с земляным обвалованием, таков, что в 45,0% случаев аварий поток разрушал стену или размывал обвалование, выходя за пределы территории объекта, что приводило к катастрофическим последствиям с большим материальным ущербом (в 6 случаях отмечено нанесение значительного вреда водным объектам). В 38,6% случаев разрушений РВС поток продукта только промывал земляные дамбы или перехлестывал через них, не разливаясь за пределы территории производственного объекта. Как правило, такие гидродинамические аварии происходили при разрушении резервуаров небольших объемов (до 2000 м(3)) или при частичном (до 2/3 высоты) заполнении РВС больших объемов.

Угроза аварийного разлива нефтепродуктов может быть существенно снижена посредством замены существующих нормативных защитных сооружений на специальную ограждающую стену с отбойным козырьком, рассчитанную на гидродинамические нагрузки при квазимгновенном разрушении резервуара и выполняющую в замкнутом и значительном объеме роль аварийного резервуара.

Именно такое мероприятие было предложено для защиты участка автомагистрали Четвертого транспортного кольца, проектируемого в непосредственной близости от мазутохранилища одной из столичных ТЭЦ как компенсирующее, при вынужденных отступлениях от нормативных требований, в части сокращения между ними минимально допустимых расстояний.

Конструктивные особенности защитных ограждений

Математическое моделирование нагрузок, которыми обмениваются жидкость и стена ограждения в итоге квазимгновенного разрушения резервуара, решалось уравнениями механики и гидродинамики. Расчеты показали значительную величину удара волны, сравнимую со взрывами большой мощности. Стремительный разнонаправленный поток жидкости после натекания на преграду резко меняет направление скорости на вертикальное. Для удержания потока требуется отбойный козырек, препятствующий выбросу и растеканию за пределы ограждения.

Так, для принятого в расчет резервуара РВС 20000 МЗ с высотой заполнения жидкостью до отметки 17,43 м воздействия волны прорыва на семиметровую защитную стену, отнесенную на расстояние 18 м от РВС, с 1,5-метровым козырьком, нагрузка на каждый погонный метр стены составила 72 тонны, и отдельно на козырек - более 12 тонн на пог. метр.

Расчетами проверены различные варианты конструкции стен. Наиболее эффективной формой защитной стены признана вертикальная конструкция с козырьком под 45 градусов, без наката по внутренней плоскости стены.

Случайное совпадение обстоятельств, в свою очередь, не могло ни повлиять на конструкцию защитных стен. На двух объектах резервуарных парков требовалась защитная стена, и в каждом из объектов были проблемные грунты: водонасыщенные суглинки с мелким песчаным наполнением.

В этих условиях задача удержания потока разлива, имеющего мощную ударную составляющую, выглядела неординарно. В решении одной из проектных организаций были задействованы мощные 2-метровой толщины ж/бетонные стены на столь же тяжелом, заглубленном основании с уложенными за стеной для сопротивления удару потока жидкости габионами. Проектировщики исходили из принципа противовеса. В условиях эксплуатации РВС, жестких требований безопасности объектов подобные конструкции весьма сложны в реализации, да и нагрузки от сооружения на водонасыщенные грунты могли вызвать непредвиденные процессы, влияющие на устойчивость РВС. И если взглянуть на экономическую составляющую бетонно-габионной конструкции, то проблемы, отягощенные высокой стоимостью, могут зашкаливать. К тому же расчеты на цифровых моделях показали, что жесткое основание защитных стен не влияет на устойчивость конструкции и не удерживает конструкцию от опрокидывания.

Ослабленность грунтов защищаемых объектов оказала решающее влияние на подход к проектированию конструкции стен.

Итак, возникли две задачи: подбор материала, способного выдержать удар, и обеспечение устойчивости конструкции на слабых грунтах.

Сталефибробетон в отличие от железобетона - материал, который на порядок успешнее работает на растяжение и изгиб, а также ударные нагрузки. Материал с такими характеристиками принципиально меняет подход к решению задачи.

Стена должна ловить волну, при этом работать как единое звено. Расчеты показали, что однозвенность защитной конструкции, ее монолитность, можно сказать однородность, принципиально меняют ее устойчивость. За счет сдвига части стены и включения в работу всей массы ограждения создается демпфирование ударной волны, гашение разрушительного импульса, а далее, после усмирения импульса, стена работает на удержание разлива жидкости.

Условно говоря, конструкция представляет собой сталефибробетонный пояс, уложенный по периметру РВС парка. Прямое указание на преимущества и применение сталефибробетона содержится в РТМ (рекомендации, разработанные лабораторией "Фибробетон" НИИжб, Москва, 2005 год). Высокая надежность стены достигается комбинированным армированием, включающим стальную фибру и объемное армирование из стальной арматуры. Пространственная форма защитной стены - сталефибробетонный пояс-трос, своеобразная двухконтурная оболочка, в которой объемное армирование - скелет и сталефибробетон - оболочка. Работает конструкция в безраздельном режиме, так как все объемное армирование погружено в фибробетон.

В поперечном разрезе стена представляет двутавровую балку, нижняя полка которой является основанием стены. В основании заложен "зуб" для увеличения сопротивления на сдвиг стены и удержания потока в случае подмыва грунта у основания. Верхняя полка балки является отбойным козырьком стены.

При возведении ограждающей стены сталефибробетон укладывается в непрерывном процессе бетонирования, обеспечивающем монолит конструкции. Непрерывность литья и виброуплотнение - важное условие придания прочности сталефибробетонной конструкции. Все эти трудоемкие процессы легко решаются применением технологии Экобетон, спецоборудования для укладки сталефибробетона под высоким давлением 14-25 атм. Технология не только прогрессивна, но и единственная, способная обеспечить не только безопасность строительства, но еще и промбезопасность действующего РВС парка предприятия.

Проблемы защиты окружающей среды и экологические требования к безопасности энергетических объектов принимают все более жесткие нормы. Для многих предприятий, выполнивших когда-то условия безопасности по СНиП, возникает необходимость пересмотра этих правил и переноса на защитные сооружения дополнительных мероприятий.

В целях экономии затрат может возникнуть задача реконструкции ограждающих стен парков РВС, которые, как правило, сооружались из блоков ФБС-60. Для ее решения с целью придания новых, более высоких характеристик устойчивости защитных конструкций старые стены можно усилить. Усиление стен можно выполнить, накрыв старые фрагментарные стены монолитной сталефибробетонной оболочкой. Но важно выбрать при усилении стен технологию нанесения оболочкового усиления, а также обеспечить безопасность строительства и безопасность действующего РВС парка предприятия.

Гамлет Аракелян, заслуженный строитель России, «Строительная газета» №49, 10.12.2010