Основания и фундаменты под резервуары

В перечень исходных данных для проектирования основания и фундамента под резервуар должны входить данные инженерно-геологических изысканий (для районов распространения многолетнемерзлых грунтов – данные инженерно-геокриологических изысканий).

Материалы инженерно-геологических изысканий площадки строительства должны содержать следующие сведения о грунтах и грунтовых водах:

– литологические колонки;

– физико-механические характеристики грунтов (плотность грунтов ρ, удельное сцепление грунтов с, угол внутреннего трения φ, модуль деформации Е, коэффициент пористости е, показатель текучести IL и др.);

– расчетный уровень грунтовых вод.

В районах распространения многолетнемерзлых грунтов изыскания должны обеспечить получение сведений о составе, состоянии и свойствах мерзлых и оттаивающих грунтов, криогенных процессах и образованиях, включая прогнозы изменения инженерно-геокриологических условий проектируемых резервуаров с геологической средой.

Число геологических выработок (скважин) определяется площадью резервуара и должно быть не менее четырех (одна – в центре и три –
в районе стенки, т.е. 0,9–1,2 радиуса резервуара).

В дополнение к скважинам допускается исследование грунтов методом статического зондирования.

При проведении инженерных изысканий следует предусматривать исследование грунтов на глубину активной зоны (ориентировочно 0,4–0,7 диаметра резервуара) в центральной части резервуара и не менее 0,7 активной зоны – в области стенки резервуара; при свайных фундаментах – на глубину активной зоны ниже подошвы условного фундамента (острия свай).

В районах с повышенной сейсмической активностью необходимо предусмотреть проведение геофизических исследований грунтов основания резервуаров.

Грунты, деформационные характеристики которых обеспечивают допустимые осадки резервуаров, следует использовать в естественном состоянии как основание для резервуара.

Для грунтов, деформационные характеристики которых не обеспечивают допустимые осадки резервуаров, предусматривают инженерные мероприятия по их упрочнению либо устройство свайного фундамента.

Для просадочных грунтов предусматривают устранение просадочных свойств в пределах всей просадочной толщи или устройство свайных фундаментов, полностью прорезающих просадочную толщу.

При проектировании оснований резервуаров, возводимых на набухающих грунтах, в случае если расчетные деформации основания превышают предельные, предусматривают проведение следующих меро­приятий:

– полная или частичная замена слоя набухающего грунта ненабухающим;

– применение компенсирующих песчаных подушек;

– устройство свайных фундаментов.

При проектировании оснований резервуаров, возводимых на водонасыщенных пылевато-глинистых, биогенных грунтах и илах, в случае если расчетные деформации основания превышают допустимые, должно предусматриваться проведение следующих мероприятий:

– устройство свайных фундаментов;

– для биогенных грунтов и илов – полная или частичная замена их песком, щебнем, гравием и т. д.;

– предпостроечное уплотнение грунтов временной пригрузкой основания (допустимо проведение уплотнения грунтов временной нагрузкой в период гидроиспытания резервуаров по специальной программе).

При проектировании оснований резервуаров, возводимых на подрабатываемых территориях, в случае если расчетные деформации основания превышают допустимые, должно предусматриваться проведение следующих мероприятий:

– устройство сплошной железобетонной плиты со швом скольжения между днищем резервуара и верхом плиты;

– применение гибких соединений (компенсационных систем) в узлах подключения трубопроводов;

– устройство приспособлений для выравнивания резервуаров.

При проектировании оснований резервуаров, возводимых на закарстованных территориях, предусматривают проведение следующих мероприятий, исключающих возможность образования карстовых деформаций:

– заполнение карстовых полостей;

– прорезка карстовых пород глубокими фундаментами;

– закрепление закарстованных пород и (или) вышележащих грунтов.

Размещение резервуаров в зонах активных карстовых процессов не допускается.

При применении свайных фундаментов концы свай заглубляют в малосжимаемые грунты и обеспечивают требования к предельным деформациям резервуаров. Свайное основание может быть как под всей площадью резервуара – «свайное поле», так и «кольцевым» – под стенкой резервуара.

Если применение указанных мероприятий не исключает возможность превышения предельных деформаций основания, то в случае нецелесообразности их применения предусматривают специальные устройства (компенсаторы) в узлах подключения трубопроводов, обеспечивающие прочность и надежность узлов при осадках резервуаров, а также устройство для выравнивания резервуаров.

При строительстве в районах распространения многолетнемерзлых грунтов при использовании грунтов основания по первому принципу
(с сохранением грунтов в мерзлом состоянии в период строительства и эксплуатации) предусматривают их защиту от воздействия положительных температур хранимого в резервуарах продукта. Это достигается устройством проветриваемого подполья «Высокий ростверк» или применением теплоизоляционных материалов в сочетании с принудительным охлаждением грунтов – «термостабилизацией».

Грунтовые подушки должны выполняться из послойно уплотненного при оптимальной влажности грунта, модуль деформации которого после уплотнения должен быть не менее 15 МПа, коэффициент уплотнения –
не менее 0,90. Уклон откоса грунтовой подушки следует выполнять не более 1:1,5.

Ширина горизонтальной части поверхности подушки за пределами окрайки должна быть:

0,7 м – для резервуаров объемом не более 1000 м³;

1,0 м – для резервуаров объемом более 1000 м³ и, независимо от объема, для площадок строительства с расчетной сейсмичностью 7 и более баллов.

Поверхность подушки за пределами периметра резервуара (горизонтальная и наклонная части) должна быть защищена отмосткой.

В качестве фундамента резервуара может быть использована грунтовая подушка (с железобетонным кольцом под стенкой и без него) либо железобетонная плита.

Для резервуаров объемом 2000–3000 м³ под стенкой резервуара устанавливают железобетонное фундаментное кольцо шириной не менее
0,8 м, для резервуаров объемом более 3000 м³ – шириной не менее
1 м. Толщина кольца принимается не менее 0,3 м.

Для площадок строительства с расчетной сейсмичностью 7 баллов и более фундаментное кольцо устраивают для всех резервуаров, независимо от объема, шириной не менее 1,5 м, а толщину кольца принимают не менее 0,4 м.

Фундаментное кольцо рассчитывают на основное, а для площадок строительства с сейсмичностью 7 баллов и более – также на особое сочетание нагрузок.

Под всем днищем резервуара должен быть предусмотрен гидроизолирующий слой, выполненный из песчаного грунта, пропитанного нефтяными вяжущими добавками, или из рулонных материалов. Применяемые песок и битум не должны содержать коррозионно-активных агентов.

При устройстве фундамента резервуара должно быть предусмотрено проведение мероприятий по отводу грунтовых вод и атмосферных осадков из-под днища резервуара.

 

РАСЧЕТ СТАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ

При расчете стальных резервуаров, несущие элементы которых представляют листовые конструкции, наиболее часто используют теорию тонкостенных оболочек. По форме к таким оболочкам относятся цилиндрические, конические, сферические и каплевидные конструкции. Однако, применяя широко распространенные положения и методы теории тонкостенных и безмоментных оболочек для расчета резервуаров, необходимо представлять особенности их конструкции и специфику работы.

Стальные резервуары представляют собой сложные сварные листовые конструкции, состоящие из листов разной толщины, соединенных между собой сварными швами встык или внахлест. В эксплуатационном режиме резервуары испытывают переменные нагрузки, что может представлять опасность в местах стыков и сопряжений, различных врезок, отверстий и пересечений, которые создают зоны концентрации напряжений и краевого эффекта, делают напряженно-деформированное состояние неравномерным. В результате увеличения деформаций в зонах концентраторов и дефектов могут возникать нежелательные пластические деформации. Ситуация усугубляется в том случае, если эксплуатационные нагрузки достигают максимальных значений в условиях низких температур, что может резко снизить несущую способность стали.

В настоящее время многие задачи расчета стальных резервуаров достаточно хорошо изучены, экспериментально проверены и предложенные решения обеспечивают достаточную для практических целей точность. К таким задачам можно отнести: расчет стенки резервуара на прочность и устойчивость; расчет сопряжения стенки резервуара с днищем; расчет основных типов покрытий резервуаров.

4.1. Расчет вертикальных цилиндрических резервуаров

 

Вертикальные цилиндрические резервуары (рис. 3) используют при избыточном давлении в паровоздушной зоне до 2 кПа и вакууме до 0,25 кПа.

 

Рисунок 3. Конструкция вертикального резервуара
с кольцевым фундаментом под стенкой:

1 – кольцевой кювет; 2 – кольцевой железобетонный фундамент;

3 – гидрофобный слой; 4 – песчаная подушка; 5– грунтовая подушка

 

Эти резервуары имеют плоские днища, изготовленные из стальных листов и стенки в виде ряда поясов, толщина которых увеличивается пропорционально росту давления жидкости по мере приближения к днищу. Тип крыши зависит как от вместимости резервуара, так и от величины внутреннего давления под крышей. На практике наиболее часто применяют конические, сферические и плавающие крыши. Реже используют висячие (шатровые), складчатые крыши.

Вместимость вертикальных цилиндрических резервуаров колеблется от 100 до 120000 м³ и увеличивается по мере разработки противопожар­ных мероприятий.

При определении оптимальных размеров резервуаров (высоты и диа­метра) за критерий оптимальности обычно принимают удельный расход стали, приходящийся на 1 м³ их полезного объема.

Суммарная масса резервуара складывается из масс днища, крыши и стенки. Она получается минимальной, если масса днища и крыши равна массе стенки.

В этом случае

, (5)

где – высота резервуара;

– удельный вес хранимой жидкости;

– расчетное сопротивление сварного шва;

m – коэффициент условий работы, m= 0,8;

n – коэффициент надежности по нагрузке от гидростатического

давления жидкости;

– сумма приведенных толщин крыши и днища, зависящих от

объема резервуара (табл. 2).

 

Таблица 2 - Приведенные толщины для резервуаров

, м^3
, см	0,9	1,2	1,4	1,6	1,7	1,8

 

На практике при выборе геометрических параметров резервуаров обычно используют рекомендации нормативных документов.

Например, правила безопасности ПБ 03-605-03 позволяют запроектировать резервуары с геометрическими размерами, которые предлагает заказчик. В приложении А правил безопасности приведены основные параметры резервуаров объемом от 100 до 50 000 м³, которые имеют предпочтительные размеры для изготовления и монтажа (табл. 3).

Геометрический объем резервуара определяется объемом внутреннего пространства резервуара на полную высоту стенки.

Полезный объем резервуара определяется объемом продукта при его заливе на проектный уровень.

Резервуары с геометрическим объемом более 50 000 м³ должны иметь полезный объем продукта не более 50 000 м³.

Геометрический объем резервуара определяется объемом внутреннего пространства резервуара на полную высоту стенки.

Полезный объем резервуара определяется объемом продукта при его заливе на проектный уровень.

Резервуары с геометрическим объемом более 50 000 м³ должны иметь полезный объем продукта не более 50 000 м³.

При назначении высоты стенки и диаметра резервуара учитывают условие кратности высоты резервуара ширине листов, а длины окружности – длине листов. Наиболее часто в резервуарах применяют листы размерами 1500 × 6000; 1800 × 8000; 2000 × 8000 мм. С учетом обработки кромок листов путем обрезки на гильотинных ножницах или строжкой на 10 мм на кромкострогательных станках высоту резервуаров следует принимать кратной 1490, 1790 или 1990 мм в зависимости от принятого типоразмера листов, а длину окружности – кратной соответственно 5990 или 7990 мм. При необходимости разрешается принимать длину окружности, кратной половине длины листов.

К основным конструкциям вертикальных резервуаров подгруппы «А» относятся:

– стенка резервуара;

– люки (патрубки) стенки и их составные части (обечайки, усиливающие накладки, фланцы);

– привариваемые к стенке листы днища;

– привариваемые к стенке усиливающие накладки колец жесткости, опор и кронштейнов трубопроводов, лестниц, площадок и др.;

– опорное кольцо жесткости и каркас стационарной кровли резервуара;

– кольцо жесткости на стенке резервуара с плавающей крышей.

К основным конструкциям вертикальных резервуаров подгруппы «Б» относятся:

– центральная часть днища;

– настил стационарных крыш;

– понтоны и плавающие крыши.

К вспомогательным конструкциям резервуаров относятся люки и патрубки на крыше резервуара, лестницы, площадки, ограждения.

Для конструкций резервуаров должна применяться сталь по ГОСТ 27772.

Для основных конструкций резервуара подгруппы «А» необходимо использовать сталь класса С345 по ГОСТ 27772 (09Г2С-12).

Для основных конструкций резервуара подгруппы «Б» должна применяться спокойная сталь С245, С255, С275, С285, С345 по ГОСТ 27772.

Для вспомогательных конструкций, наряду с перечисленными выше сталями, возможно применение стали С235 по ГОСТ 27772.

 

 

Таблица 3

 

 

 

Сварные швы соединений листов стенки вертикального резервуара должны быть плотнопрочными и соответствовать основному металлу по показателям стандартных механических характеристик: пределу текучести, временному сопротивлению, относительному удлинению, ударной вязкости, углу загиба.

Для улучшения коррозионной стойкости металл шва и основной металл по химическому составу должны быть близки друг к другу.

Стыковые сварные соединения деталей неодинаковой толщины при разнице, не превышающей значений, указанных в табл. 4.3, могут выполняться так же, как и деталей одинаковой толщины; конструктивные элементы разделки кромок и размеры сварочного шва следует выбирать по большей толщине.

 

Таблица 4 - Допускаемая разница толщины листов при стыковых соединениях

Толщина тонкой детали, мм	Допускаемая разница толщины, мм
До 4
Свыше 4 до 20
Свыше 20 до 30
Свыше 30

 

При разности в толщине свариваемых деталей выше значений, указанных в табл. 4, на детали, имеющей большую толщину, должен быть сделан скос под углом 15° с одной или с двух сторон до толщины тонкой детали. При этом конструкцию разделки кромок и размеры сварного шва следует выбирать по меньшей толщине.

Максимальные катеты угловых сварных швов не должны превышать 1,2 толщины более тонкой детали в соединении.

Для деталей толщиной 4–5 мм катет углового сварного шва должен быть равен 4 мм. Для деталей большей толщины катет углового шва определяется расчетом или конструктивно, но должен быть не менее 5 мм.

Заводские сварные соединения рулонных заготовок выполняются встык.

При сборке днища и крыши из рулонных заготовок допускается нахлесточное соединение со сваркой с одной стороны. При этом величина нахлестки должна быть не менее 30 мм. При полистовой сборке днища и крышы допускаются сварные соединения листов встык на подкладке.

Вертикальные сварные соединения стенки должны быть стыковыми с полным проплавлением по толщине листов (рис. 4). В прилегающих поясах они должны быть смещены относительно друг друга на расстояние не менее , где – наибольшая из толщин листов прилегающих поясов.

Рисунок 4. Вертикальные стыковые соединения стенки:

а – без разделки кромок; б – со скосом двух кромок; в – с двумя скосами кромок;
г – с криволинейными скосами кромок

Рисунок 5. Горизонтальные стыковые сварные соединения стенки:

а – без разделки кромок; б – с криволинейным скосом одной кромки верхнего листа;

в – с двумя скосами одной кромки верхнего листа;
г – соединение стенки с днищем; 1 – нижний пояс стенки; 2 – окрайка днища

 

Вертикальные соединения первого пояса стенки должны располагаться на расстоянии не менее 100 мм от стыков окраек днища.

Горизонтальные соединения листов должны выполняться двусторонними стыковыми швами с полным проплавлением (см. рис. 5).