Фундамент -- это часть сооружения, передающая нагрузку от веса сооружения на грунты основания и распределяющая эту нагрузку на такую площадь основания, при которой давления по подошве не превышают расчетных. По форме в плане фундаменты бывают сплошные в виде плит под всем сооружением, ленточные--только под стены сооружения и столбчатые в виде отдельных опор. Выбор того или иного вида фундамента зависит от сопротивления грунта, который может служить основанием, сжатию, пучинистостью грунта при сезонных промерзаниях, глубины его залегания, очертания сооружения в плане, а также от величины нагрузки и схемы передачи ее на грунты основания.

Подушка фундамента должна быть сложена из крупно - и среднезернистых материалов - песка или песка со включениями щебня и гальки (пай-больший поперечник частиц не более 10 % от толщины подушки) обеспечивающих дренаж грунтовых вод и дающих небольшие, быстро заканчивающиеся равномерные осадки. Толщина песчаной подушки должна быть не менее 20 см, чтобы вода вследствие капиллярности не могла подняться до днища резервуара.

Подушку фундамента устраивают толщиной 20 - 25 см из зернистых материалов. Максимальный поперечник частиц не должен превышать 10 % от толщины подушки.

Цель работы: изучение проблемы протаивания фундаментов под резервуарами с нефтью, нахождение оптимального инженерного решения этой проблемы.

Актуальность: протаивание фундамента под резервуарами с нефтепродуктами является большой проблемой их хранения, так как это приводит к деформации фундамента, а это ведет в свою очередь к разрушению резервуара и дальнейшему разливу нефтепродуктов. Поэтому для каждого предприятия необходимо оптимальное решение этой проблемы.

Задачи:

1.1 Назначение резервуарных парков

Неотъемлемой частью системы нефте- и газопроводов являются резервуарные парки, которые служат для обеспечения основного технологического процесса -- надежной и бесперебойной перекачки нефти и газа.

Группу резервуаров, сосредоточенных в одном месте, называют резервуарными парками или нефтяным сборным пунктом (НСП).

Резервуарные парки бывают: промежуточные, технологические, товарные.

РП предназначены для создания запасов нефти с целью обеспечения бесперебойной работы промыслового трубопровода в случае прекращения или неравномерной поставки нефти с промысла, а также для приема нефти при аварийных или плановых остановках перекачки.

При последовательной перекачке разносортных нефтей резервуарные парки обеспечивают накопление партии каждой нефти в объеме, достаточном для перекачки.

Резервуарными парками в конце нефтепровода служат сырьевые парки нефтеперерабатывающих заводов, парки перевалочных нефтебаз или наливных пунктов.

Промысловые резервуары строят емкостью от 100 до 10 000 м³ и толщиной стенки - 4…10 мм, толщина крыши до 2,5 мм.

Технологическая характеристика резервуаров

В зависимости от объема и места расположения резервуары подразделяются на три класса:

* класс I -- особо опасные резервуары объемом 10 000 м³ и более, а также резервуары объемом 5000 м³ и более, расположенные непосредственно по берегам рек, крупных водоемов, а также в черте городской застройки;

* класс II -- резервуары повышенной опасности объемом от 5000 до 10 000 м³;

* класс III -- опасные резервуары объемом от 100 до 5000 м³.

* ГОСТ 1510 -- 76 "Нефть и нефтепродукты" установлены области применения различных резервуаров в зависимости от наименования классов, типов и групп нефтей.

* Для хранения сырых и обессоленных нефтей с давлением насыщенных паров до 200 мм.рт.ст. применяют горизонтальные резервуары низкого давления и вертикальные стальные резервуары со стационарной крышей без газовой обвязки с дыхательными клапанами.

* Для нефтей с давлением насыщенных паров выше 200 мм.рт.ст. разрешается применять горизонтальные стальные резервуары низкого давления, вертикальные стальные резервуары с плавающей крышей, понтоном или системой газовой обвязки.

Оборудование стальных резервуаров и их конструктивные схемы должны обеспечивать их правильную и безопасную эксплуатацию:

*накопление и опорожнение резервуаров;

*замер уровня нефти;

*отбор проб нефти;

*зачистку и ремонт резервуаров;

*отстой нефти и удаление подтоварной воды;

*поддержание давления в резервуаре в безопасных пределах.

Наибольшее распространение в системе нефтепроводов получили стальные резервуары, они бывают вертикальные (РВС) и горизонтальные (РГС).

Для сокращения потерь от испарения эти резервуары оборудуют:

- дыхательной арматурой (рабочими и предохранительными клапанами),

- системой газовой обвязки,

- понтонами или используют специальные конструкции с понтоном или плавающей крышей.

*Вертикальные стальные цилиндрические резервуары со стационарной крышей (РВС) представляют собой цилиндры, сваренные из стальных листов размером 1,5x6,0 м, толщиной 4 -- 25 мм с конической или сферической крышей.

На промыслах используют резервуары объемом до 10 000 м³.

Проектируемое сооружение следует рассматривать совместно с основанием, на котором оно покоится, так как под воздействием веса сооружения и других всевозможных эксплуатационных воздействий грунты основания испытывают дополнительное давление, деформируются (уплотняются, оседают) и в свою очередь оказывают воздействие на сооружение.

Основания под фундаменты бывают двух видов -- естественные и искусственные.

2.2.1 Естественные основания

К естественным относятся основания, грунты которых находятся под подошвой фундамента в их природном залегании.

В качестве естественных оснований могут быть использованы лишь грунты, обладающие достаточным сопротивлением сжатию (прочностью и плотностью), при условии, что их деформации (осадки) под действием нагрузки, передаваемой от сооружения через подошву фундамента, не будут превышать предельных значений.

Чтобы строящееся сооружение обладало необходимой устойчивостью и прочностью, грунты естественных оснований должны обладать следующими основными свойствами:

· малой и равномерной сжимаемостью, то есть большой плотностью, обеспечивающей малую и равномерную осадку сооружения;

· нерастворяемостью грунтовыми, дождевыми и талыми водами.

В процессе эксплуатации резервуара по мере уплотнения грунтов его основания происходит осадка фундамента. При этом если напряжения по подошве фундамента превышают расчетные сопротивления, грунты основания обычно получают неравномерные уплотнения, а фундаменты в отдельных точках -- различные по величине осадки. Эти осадки могут оказаться чрезмерно большими и спровоцировать либо потерю устойчивости надфундаментной части сооружения, либо наступление предельного состояния по прочности.

С целью выяснить степень влияния осадок на сооружение производится расчет оснований и фундаментов. Расчет основания заключается в вычислении давлений (напряжений) на грунты под подошвой фундамента и величин осадок грунтов основания, возможных при этих давлениях.

При получении недопустимых величин осадок принимают соответствующие меры с целью уменьшения напряжений и ограничению осадок до допускаемых пределов. Последнее может быть достигнуто уширением подошвы фундамента или переходом к искусственному основанию.

2.2.2 Естественные основания с подсыпкой

Часто для увеличения надежности конструкции и сохранении экономичности используют переходную конструкцию между естественными и искусственными основаниями: естественное основание с песчаной или грунтовой подушкой, выполняемой в виде подсыпки на основание.

Рис.1. Типовые основания РВС: а) насыпь; б) насыпь в сочетании с песчаной подушкой; в) железобетонное кольцо под стенкой; 1 - щебеночная или песчаная насыпь; 2 - основание; 3 - песчаная подушка; 4 - слабый грунт; 5 - железобетонное кольцо; 6- стенка РВС; 7 - днище РВС

Также применяют устройство бетонного кольца подстенку резервуара (См. рис.1.).

Подсыпка на основание выполняет следующие функции:

· распределить давление от металлоконструкций резервуара на основание;

· осуществить дренаж днища;

· обеспечить антикоррозийную защиту днища.

Для подсыпки используют следующие материалы:

· уплотненный крупный песок;

· щебень;

· гравий;

· гравийно-песчанную смесь.

Для обеспечения антикоррозийной защиты днища по верху подсыпки укладывают гидрофобный слой с добавлением вяжущих на основе нефтепродуктов.

Как правило применяется высота подсыпки 0,2 - 2,5 м. Эта величина зависит от результатов инженерно-геологических изысканий площадки строительства.

Поверхность подсыпки обычно устраивают так, чтобы она имела уклон от центра к периферии. Это обеспечивает компенсацию неравномерных осадок резервуара, а также облегчает приток хранимого продукта к откачивающим устройствам. На практике осадка днища резервуара может достигать 2 м, именно поэтому подъем центральной части днища может стать ключевым условием длительной работоспособности конструкции.

В случае если на площадке строительства на небольшую глубину (до 3 м) залегают слабые или пучинистые грунты (в районах с глубоким сезонным промерзанием грунтов), практикуется их замена с местным уплотнением песчаным или глинистым грунтом, часто привозным. При более обширном слое залегания слабых грунтов такой метод зачастую экономически неэффективен в силу возрастания текущих расходов на выравнивание резервуаров, установленных таким способом.

2.2.3 Искусственные основания

К искусственным основаниям относятся:

· искусственно упрочненные грунты основания (путем уплотнения, химического закрепления или забивки бетонных или песчаных свай);

· свайные основания и фундаменты глубокого заложения, передающие нагрузку от сооружения на более прочные грунты, залегающие на большей глубине от поверхности земли;

· прочее.

Виды искусственных оснований для разных видов слабых грунтов:

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

Для набухающих грунтов, 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 данных мероприятий не исключает возможность превышения предельных деформаций основания или 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».

Методики укрепление грунта основания:

При строительстве резервуаров на площадках, сложенных мощной толщей слабых грунтов, возникают значительные неравномерные осадки основания, что существенно влияет на дальнейшую эксплуатацию резервуаров. Поэтому при строительстве резервуаров на слабых грунтах применяют специальные подготовки основания.

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;

· 1,0 м. - 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.

Применяются разнообразные методы укрепления грунта основания (без его замены).

Метод предварительного наполнения резервуара:

В качестве одного из относительно часто применяемых методов уплотнения грунтов основания и улучшения их строительных свойств используется предварительное (иногда частичное) наполнение резервуара. Этот способ достаточно прост и дешев, так как полезная нагрузка резервуаров на основание значительно превышает нагрузку от веса строительных конструкций и может быть быстро приложена и снята.

При этом следует отметить, что применение такого метода при относительно малой стоимости сопряжено с определенными технологическими сложностями и занимает много времени, поэтому оно целесообразно при наличии существенного временного резерва.

Метод уплотнения основания глубинным водопонижением:

Метод глубинного водопонижения как средство уплотнения основания может быть успешно применен на площадках, на которых имеются слои грунтов, обладающих достаточно высокой водоотдачей. Этот метод особенно эффективен при строительстве резервуаров в условиях сурового климата, поскольку откачку воды можно осуществлять круглый год из слоев грунтов, расположенных ниже границы сезонного промерзания.

В состав водопонизительной установки входят колодцы-скважины, один из которых, как правило, располагается в центре основания, остальные -- по краю. Наибольшее понижение уровня подземных вод составило 8 м, откачка производилась до начала строительства и в период гидравлического испытания.

Метод уплотнения основания насыпью:

Основание резервуаров может быть уплотнено весом насыпи высотой в несколько метров. Далее нагрузка выдерживается несколько недель до начала монтажа.

Насыпь иногда выполняется переменной высоты в расчете на изменение толщины непрочного слоя грунты с тем, чтобы осадка поверхности была равномерной.

Метод уплотнения основания насыпью может дать положительный эффект, если создаваемый при этом пригруз в 1,5--2 раза превышает нагрузку от заполненного резервуара. Поэтому при подготовке оснований резервуаров больших размеров для этой цели потребуется использовать насыпи довольно значительной высоты (до 8--10 м), а период выдержки может составить несколько месяцев. При этом насыпь потребуется возводить на площади большей, чем площадь пятна застройки резервуара, с тем, чтобы основание под стенкой получило необходимое уплотнение. Таким образом, применение этого достаточно эффективного способа сопряжено с большим объемом земляных работ, что особенно затруднительно в районах с суровым климатом и продолжительным морозным периодом.

При развитии резервуаростроения часто методы уплотнения грунтов оснований резервуаров осуществляются в сочетании с вертикальным дренированием. Используются специальные механизмы и технологические приемы, позволяющие устраивать вертикальные дрены из картона и пластика, а также песчаные дрены-сваи в различных грунтовых условиях.

Метод уплотнения тяжелыми тромбовками:

При подготовке оснований из просадочных грунтов часто применялся метод уплотнения тяжелыми трамбовками. При таком методе большой груз сбрасывается на площадку с высоты в несколько десятков метров. 40 м. Такой метод подготовки оснований рассматривает как конкурентоспособный при строительстве группы крупных резервуаров.

Методы химического и термического закрепления грунта:

В опытном строительстве практиковалось закрепление грунтов оснований резервуаров инъекцированием в них химически активных веществ, в частности электрохимическое закрепление раствором хлористого кальция. Этот метод весьма дорог и его применение на площадках, сложенных слабыми грунтами на значительную глубину, по-видимому, малоперспективно.

Также применялся обжиг слабых пород грунта на значительну глубину (10 м и более). Поскольку термообжиг связан с расходом большого количества топлива (80--100 кг мазута на 1 п. м скважины), то при нынешних ценах на углеводородное сырье такой метод закрепления оснований является чрезмерно дорогим и его применение также нерационально.

2.3 Устройство фундаментов

3.3.2 Железобетонное кольцо по внешнему контуру стенки

Рис. 6: Усиление узла примыкания стенки к днищу: 1 - песчанная подсыпка; 2 - раскосы; 3 - железобетонное кольцо; 4 - стенка РВС; 5 - днище РВС; 6 - основание

При заполнении резервуаров больших объемов в месте примыкания стенок к днищу возникает узловой момент, достигающий значительной величины и влияющий на напряженно - деформированное состояние днища и основания под ним. Для уменьшения крутящего момента и увеличения жесткости узла «стенка--днище» предложено применять железобетонное кольцо, устроенное по внешнему контуру стенки резервуара совместно с металлическими ребрами жесткости в виде раскосов (См. рис.6). Число раскосов определяется конструктивно или расчетом в зависимости от объема резервуара.

2.3.4 Свайные фундаменты резервуаров в сейсмичных районах

Свайные фундаменты в сейсмических районах имеют такую же область применения, как и при отсутствии сейсмики. При их проектировании и расчете должны выполняться требования СП 50-102-3003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов», в частности раздела 12 «Особенности и проектирования свайных фундаментов в сейсмических районах» и приложения Д «Расчет свай на совместное действие вертикальной и горизонтальной сил и момента».

Нижние концы свай следует опирать на скальные грунты, крупнообломочные грунты, плотные и средней плотности песчаные грунты, твердые, полутвердые и тугопластичные глинистые грунты. Опирание нижних концов свай в сейсмических районах на рыхлые водонасыщенные пески, глинистые грунты мягкопластичной, текучепластичной и текучей консистенции не допускается.

Опирание свай на наклонные пласты скальных и крупнообломочных по род допускается в том случае, если устойчивость при сейсмических воздействиях массива грунта, расположенного на указанных породах, обеспечивается не за счет свайного фундамента и если при этом исключается возможность проскальзывания нижних концов свай.

Допускается опирание свай на плотные и средней плотности водонасыщенные пески, при этом их несущая способность, как правило, должна определяться по результатам полевых испытаний свай на имитированные сейсмические воздействия. Величина заглубления в грунт свай в сейсмических районах должна быть не менее 4 м, за исключением случаев их опирания на скальные грунты.

Набивные сваи в сейсмических районах следует устраивать в маловлажных устойчивых связных грунтах при диаметре свай не менее 40 см и отношении их длины к диаметру не более 25, при этом необходимо вести строгий контроль качества изготовления свай.

Как исключение допускается прорезание слоев водонасыщенньих грунтов с применением извлекаемых обсадных труб и глинистого раствора. В структурно-неустойчивых грунтах применять набивные сваи можно только с обсадными трубами, оставляемыми в грунте. Армирование набивных свай в сейсмических районах является обязательным, при этом процент армирования должен приниматься не менее 0,05.

Расчет свайных фундаментов на сейсмические воздействия производится по предельным состояниям первой группы и предусматривает:

· определение несущей способности свай по отношению к вертикальной нагрузке;

· проверку свай по сопротивлению материала на совместное действие расчетных усилий нормальной силы изгибающего момента и перерезывающей силы;

· проверку устойчивости свай по условию ограничения давления, передаваемого на грунт боковыми гранями сваи.

При проверке устойчивости грунта, окружающего сваю, расчетное значение угла внутреннего трения принимается уменьшенным на следующие величины:

· для сейсмичности 7 баллов на 2 градуса,

· для сейсмичности 8 баллов -- 4 градуса,

· для сейсмичности 9 баллов -- на 7 градусов.

Для фундаментов с высоким свайным ростверком расчетные значения сейсмических сил следует определять как для зданий или сооружений с гибкой нижней частью, увеличивая коэффициент динамичности в 1,5 раза в тех случаях, когда период собственных колебаний основного тона составляет 0,4 и более.

При соответствующем технико-экономическом обосновании возможно применение свайных фундаментов с промежуточной подушкой из сыпучих материалов -- щебня, гравия, крупного песка. При этом практически исключается передача на сваю горизонтальных нагрузок от колеблющегося сооружения, поэтому расчет на горизонтальные сейсмические нагрузки не производится, а конструкция свай принимается такой же, как и для несейсмических районов.

Фундаментный блок, установленный на промежуточную подушку, рассчитывается как ростверк обычного свайного фундамента в соответствии с нормами проектирования бетонных и железобетонных конструкций. Для увеличения площади контакта рекомендуется устраивать на сваях железобетонные оголовки.

Свайные фундаменты с промежуточной подушкой, применяемые в сейсмических районах, должны также отвечать требованиям расчета по деформациям. Промежуточная подушка должна отсыпаться слоями не более 20 см с уплотнением до объемного веса не менее 1,9 тс/куб. м. Толщина промежуточной подушки над оголовками свай зависит от расчетной нагрузки и составляет 40--60 см.

Расчеты свайных фундаментов с учетом сейсмических воздействий в просадочных грунтах в случае возможности подъема уровня грунтовых вод должны производиться с использованием характеристик грунта в замоченном состоянии.

3. Приемка основания и фундамента

5. Пути решения проблемы

Для решения проблемы протаивания возможны следующие решения:

Одно из наиболее осуществимых решений это установка теплоизоляционного материала между верхним и нижнем основаниями резервуара. Еще одно из возможных решений заключается в использовании двустенного резервуара. Пространство между стенками заполнено азотом, тосолом или иной жидкостью, удовлетворяющей определенным требованиям:  - плотность такой жидкости должна быть выше плотности содержимого резервуара;  - вспышка жидкости может быть возможной лишь при температуре превышающей 100?С;  - она должна быть химически нейтральной ко всем материалам, примененным в конструкции резервуара;  - сохранять свои функциональные свойства в условиях температурного режима эксплуатации резервуара. Жидкость должна полностью заполнять межстенное пространство резервуара. А само это пространство обязательно должно оснащаться системой откачки жидкости и датчиками-сигнализаторами ее давления. Стальной двустенный резервуар горизонтального типа устанавливается на бетонную площадку (при подземном исполнении) или на специальные опоры (наземное исполнение) и соответствующим образом закрепляется. При этом для обеспечения доступа к горловинам резервуаров монтируется или шахта-колодец (из металла или железобетона), или металлическая лестница.

Список литературы

1) А.П.Баскаков- Теплотехника под редакцией Баскакова 2-е издание., перераб. - М.: Энергоатомиздат.1991. -224 с.:ил

2) Исаченко В.П -Теплопередача Издание 3-е, перераб. И доп. М., Энергия,1975. -488 ст.

3) ЗАО «Югтеплокомплект»: [Электронный ресурс]. Таганрог. URL: http://ugteplokomplekt.ru. (Дата обращения: 28.05.2013).

4) Общие сведения о подогревателях и фильтрах мазутов: [Электронный ресурс] // ООО «Ростеплоконтракт». Таганрог, 2006-2009. URL: http://www.rosteplokontrakt.ru. (Дата обращения: 28.05.2013).

5) Разработка Изготовление Монтаж Технологического Оборудования: [Электронный ресурс]. Санкт-Петербург, 2008-2011. URL: http//: www.rimto.ru. (Дата обращения: 28.05.2013).

6)В.Н Луканин - Теплотехника.:Под редакцией В.Н Луканина.- 2-е изд.,перераб.-М.: Высш.школ.,2000.-271 ст.

Размещено на Allbest.ru