Файл: Гофман-Захаров П.М. Проектирование и сооружение подземных резервуаров - нефтегазохранилищ.pdf

1-І

Рис. 20. Купольная часть кры­ ши подземного низкотемпера­ турного резервуара в Арзеве.

Нагрузки от купольной крыши передаются прямо на железобе­ тонное кольцо (рис. 21).

Было предусмотрено, что в период строительства и эксплуата­ ции хранилища пучение грунта будет происходить с перемеще­ нием в вертикальной плоскости кольца. Кроме того, из-за необ-

ходимости восприятия большой нагрузки от внутреннего давле­ ния в резервуаре сечение опорного железобетонного кольца по­ требовалось увеличить до 4,2X2,0 м. В этом случае нагрузка на грунт составила 483,4 кГ/м2. Расчетная несущая способность замороженного грунта была определена в 53 т/м2. В результате проведенных исследований на конкретных объектах величина несущей способности подверглась корректировке и составила 32 т/м2.

Грунт был ослаблен траншеями для замораживающих колонок и приямками, заполненными грунтовой водой, охлаждающим рас­ твором и раствором бентонитовой глины для бурения. Для луч­ шего восприятия возможных перемещений грунта при пучении кольцевую балку изготавливали из 12 отдельных секций-блоков длиной 12 м с разрывом между ними 1,2 м. Блоки бетонировали до замораживания грунта (для последующего скрепления с ар­ матурой бетонируемых разрывов блоки имеют выпуски арма­ туры). Важно, чтобы в процессе пучения не изменилось расстоя­ ние между блоками. Поэтому его фиксировали путем установки

Каждая секция хорошо воспринимала нагрузки от неравно­ мерных перемещений в результате вспучивания, которые заме­ рялись на всех 12 блоках. Когда было установлено, что переме­ щения прекратились, разрывы были забетонированы. Сдвижение ледогрунтовой стенки резервуара вызвало подвижку сегментов кольцевой балки на 9,4 мм на диаметр 44 м.

В верхней части бетонного кольца заделали под углом сплош­ ную анкерную плиту, к которой болтами крепили алюминиевую обшивку, для создания газонепроницаемого плотного затвора. Уплотнение обеспечивалось сплошной мягкой алюминиевой про­ кладкой.

Между кольцевой балкой и замороженным грунтом уплотне­ ние достигалось путем создания непрерывного кольцевого фар­ тука из пластинок нержавеющей стали, которые крепятся к балке. Нижняя часть фартука заводилась в мерзлый грунт и залива­ лась водой.

Для изоляции от замороженного грунта на железобетонное основание балки наносили слой оназота (14 см), покрытый свер­ ху слоем полиуретана толщиной 2,5 см.

Крыши такой конструкции оказались вполне работоспособ­ ными в условиях пучения грунтов. Крыша более жесткой кон­ струкции была бы разрушена.

Эти крыши были рассчитаны на внутреннее давление 950 мм вод. ст. плюс 25% перегрузки на повышенное давление при испы­ таниях, что в сумме составило 1237 кГ/м2, нагрузки от вакуума по расчету составляли 50 мм вод. ст. плюс 25% испытательной перегрузки. Если учитывать вес самой крыши, то максимальные

нагрузки на крышу снизу будут равны 1208 кГ/м2, а сверху — 181 кГ/м2.

Своеобразие конструкции крыш английских подземных храни­ лищ состоит в том, что оболочка-кровля не прикреплена к кар­ касу и сварные листы из алюминиевого сплава воспринимают внутреннее давление, а каркас воспринимает давление, направ­ ленное вниз. Алюминиевая оболочка изготовлена из листов ши­ риной 1,5 и толщиной 4,7 мм. Концы оболочки по периметру скреплены с заделанной в опорное кольцо конструкцией.

Купольный каркас собран из элементов, выполненных из алю­ миниевого сплава. Диаметр в плане — 43,7, радиус сферы — 51, подъем — 4,8 м.

Расположение ребер каркаса в плане напоминает схему рас­ положения ребер каркаса крыши хранилища в Арзеве, отличие состоит в том, что здесь в каждом направлении имеется 14 ребер, а не 12, как в Арзеве. Каркас выполнен из пустотелых элементов,

в эксплуатацию. .

Проектирование столь специфичного объекта, как ледогрунтовое хранилище сжиженных газов, предусматривает решение комплекса вопросов, обеспечивающих его эксплуатационную на­ дежность в течение заданного срока после завершения строи­ тельных работ, перечисленных в пп. а — е.

Однако технология создания хранилища СУГ существенно отличается от традиционных строительно-монтажных работ и нуждается в тщательном проектном обеспечении (проект органи­ зации строительства).

Под термином «проектные работы» следует понимать два со­ вершенно самостоятельных комплекса:

1. Проект готового хранилища, сданного в эксплуатацию, согласно п. е.

2. Проект производства работ по созданию ледогрунтового ограждения будущего хранилища (пп. а — д).

Промерзание грунта характеризуется охлаждением его до тем­ пературы кристаллизации свободной влаги, кристаллизацией ее при температуре близкой к 0°, изменением теплофизических кон­ стант при переходе через границу промерзания, дальнейшим по­ нижением температуры мерзлого грунта, превращением части связанной влаги в лед и постепенным перемещением границы промерзания. Эти процессы характерны не только для строи­ тельного периода, когда создается лишь гарантийная мерзлотная завеса для безопасного заполнения хранилища; фазовые пере­ ходы в окружающем грунте еще длительное время продолжаются после сдачи объекта в эксплуатацию.

Таким образом, благодаря постоянной работе циркуляцион­ ной холодильной установки, обеспечивающей жизнеспособность хранилища, граница промерзания грунта продолжает переме­ щаться от его стенки к периферии зоны теплового возмущения.

Разнообразие теплофизических характеристик встречаемых горных пород и грунтов предопределяет весьма пестрый харак­ тер теплотехнических показателей ледогрунтовых хранилищ и особую сложность учета взаимодействия всех факторов для оценки скорости промерзания, интенсивности теплообмена, а сле­ довательно мощности и режима работы Циркуляционных холо­ дильных установок. Причем эти сложности характерны в равной мере как для строительного, так и для эксплуатационного пе­ риода.

Развитию и внедрению изотермического способа хранения сжи­ женных углеводородных газов в заглубленных ледогрунтовых емкостях в значительной мере препятствует слабая изученность нестационарного теплообмена и динамики промерзания грунта вокруг источников постоянного низкотемпературного возму­ щения.

Вопросы теплового взаимодействия между хранимой в заглуб­ ленной емкости низкотемпературной средой и окружающим ледопородным массивом относятся к одной из наиболее сложных об­ ластей математической физики, и решение их чрезвычайно за­ труднено.

Сложность аналитического исследования нестационарного ре­ жима тепло- и массопередачи определяется наличием в процессе фазовых превращений (вода — лед) и изменениями теплофизи­ ческих свойств окружающего грунта на границе раздела фаз. В-общем случае возникает трехмерная нелинейная задача тепло­ проводности с подвижной границей фаз.

При создании заглубленного ледогрунтового хранилища сжи­ женного газа встречаются с двумя основными вопросами, непо­ средственно влияющими на основные инженерные решения: переменный во.времени теплоприток к хранилищу как характе­ ристика, влияющая на выбор основных параметров циркуляцион-

ного холодильного цикла поддержания изотермического режима; динамика формирования ледопородной оболочки, как гермети­ зирующей и гидроизолирующей оболочки вокруг хранилища.

Для выявления приближенной картины данных процессов в последнее время получили распространение следующие ме­ тоды: наблюдения на объектах (натурный метод); физическое моделирование; численные решения дифференциальных уравне­ ний; электро- и гидротепловая аналогия.

Каждый из этих методов обладает своими специфическими по­ ложительными и отрицательными сторонами. Рассмотрим только те их стороны, которые имеют отношение к нашей задаче.

Так, натурными методами нельзя охватить все многообразие геометрических форм, характеристик грунтов, начальных и гра­ ничных условий теплообмена. Видимо, натурные методы можно использовать лишь для контроля и уточнения теоретических ре­ шений.

Физическое моделирование сопряжено с целым рядом техни­ ческих трудностей, как, например, измерение тепловых парамет­ ров, автоматическое снятие отсчетов, программирование и регу­ лирование температуры.

Если учесть, что для решения задач с учетом фазовых превра­ щений необходимо построить целый ряд моделей, станет ясно, насколько этот метод громоздок и неоперативен.

Использовать численные методы решения дифференциальных . уравнений в областях с большим числом расчетных точек не всегда удается, поскольку число параметров в алгоритме и коли­ чество вычислительных операций настолько велико, что приме­ нение современных ЭЦВМ становится нерациональным.

Наиболее эффективным для получения инженерных решений оказался метод гидродинамических аналогий, воплощенный в гидроинтеграторе системы В. С. Лукьянова. В настоящее время это единственное аналогичное устройство, с помощью которого можно получить решение для большинства вариантов исходных данных с учетом фазовых превращений, нелинейности и разно­ образных граничных и начальных условий.

Задача состояла в получении инженерных данных по неста­ ционарному теплообмену и функции от него — динамике, форми­ рования ледопородной оболочки вокруг хранилищ цилиндриче­ ской и полусферической конфигураций в условиях ряда перемен­ ных исходных параметров: размеров заглубленных хранилищ, температуры сжиженного газа, влажность грунта, тепло- и тем­ пературопроводности грунта, расчетной температуры воздуха, времени и др.

Поскольку задача в общем случае является трехмерной, необ­ ходимо путем некоторых допущений свести ее к более простой.

Если, например, предположить, что горные породы вокруг ре­ зервуара однородны и изотропны, а температура сжиженного газа одинакова по всему объему хранилища, то в силу сложив-