Приспособление по измерению осадки фундамента стального резервуара

Заявляемая полезная модель относится к области магистрального трубопроводного транспорта, в частности к устройствам по измерению осадок фундаментов стальных резервуаров для хранения нефти, нефтепродуктов и воды в процессе их возведения, гидравлических испытаний и эксплуатации.
В соответствии с федеральным законодательством Российской Федерации и ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения» резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов относятся к особо опасным производственным объектам, аварии которых могут привести к тяжелым экономическим, социальным и экологическим последствиям. Учитывая это, при выполнении инженерно-геологических изысканий, проектировании и строительстве стальных вертикальных резервуаров предъявляются повышенные требования к обеспечению устойчивости и неизменности высотного положения фундаментов и конструкций резервуаров.
3
Согласно ГОСТ 31385 «Резервуары вертикальные цилиндрические стальные для нефти и нефтепродуктов» для резервуаров устанавливаются жесткие значения предельных осадок и кренов, превышение которых недопустимо на стадии строительства, гидравлических испытаний и эксплуатации. Например, для заполненного водой резервуара вместимостью 10000 м внутренним диаметром 34200 мм предельная разница высотных отметок точек на наружном контуре днища в процессе гидравлического испытания не должна превышать 35 мм.
В соответствии с нормативными документами для резервуаров, находящихся в эксплуатации, допускается увеличивать значение вышеуказанной предельной разницы высотных отметок точек, но не более чем в 2 раза.
В настоящей момент в области проектирования и строительства стальных вертикальных резервуаров актуальной является задача по своевременному определению перемещений фундаментов в процессе гидравлических испытаний.
Известны случаи, когда осадки и крен фундамента резервуара достигали предельных значений в процессе налива воды в резервуара или в течение времени выдержки после его полного заполнения.
В настоящее время замеры высотного положения фундаментов и конструкций резервуаров, как правило, выполняются:
- в процессе строительства резервуара;
- до начала испытаний (налива воды в резервуар);
- при достижении водой уровня, соответствующего уровню испытаний;
- в процессе выдержки резервуара под нагрузкой в течение заданного времени, определяемого, как правило, вместимостью резервуара.
Замеры высотного положения точек, расположенных по периметру фундамента резервуара, выполняются, как правило, при помощи тахеометров с точностью угловых измерения, равной 5-6 угловых секунд, гораздо реже - при помощи нивелиров. Исходя из практики выполнения замеров инженерами-геодезистами подрядных строительных организаций, точность определения высотных отметок точек, расположенных по периметру фундамента резервуара, составляет 2-5 мм.
В настоящее время согласно ГОСТ 24846-2012 «Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений» для контроля за осадками фундаментов резервуаров применяют метод тригонометрического нивелирования с использованием электронных тахеометров или геометрического нивелирования с использованием нивелиров типа Н-05 по ГОСТ 10528 или равноточных ему.
Нивелирную рейку или призму-отражатель в процессе измерений ставят на стальные пластины - деформационные марки, жестко заделанные в фундамент резервуара. Деформационные марки располагают по периметру резервуара на фундаменте на расстоянии 6 м друг от друга.
Каждый цикл измерений проводят по всем деформационным маркам от неподвижного, заранее выбранного грунтового репера. Измерения проводят замкнутым ходом, вычисляя невязку в замкнутом ходе и сравнивая ее с предельно допускаемой по ГОСТ 24846-2012.
К недостаткам указанного метода следует отнести, в первую очередь, необходимость наличия постоянного репера (или нескольких реперов) с неизменным высотным положением относительно резервуара. Неизменность высотного положения репера необходимо регулярно перепроверять, например, раз в месяц.
Следует отметить, что точность геодезических измерений будет зависеть от профессиональных навыков инженера-геодезиста, при этом, если невязка в замкнутом ходе превысит допускаемое значение, то все измерения потребуется выполнить заново. Время проведения геодезических измерений составляет от двух до четырех часов (в зависимости от количества точек наблюдения, т.е. вместимости резервуара), включая время, затраченное на анализ и обработку данных.
Известен метод гидростатического нивелирования по ГОСТ 24846-2012. Гидростатическое нивелирование применяется для измерения относительных вертикальных перемещений большого числа точек, труднодоступных для измерений другими методами, а также в случаях, когда нет прямой видимости между марками или в месте производства измерительных работ невозможно пребывание человека по условиям техники безопасности.
Этот вид нивелирования основан на использовании свойств уровней жидкости в сообщающихся сосудах. Гидростатический нивелир представляет собой систему стеклянных трубок со шкалами, соединенных между собой гибким шлангом. В качестве жидкости используется вода или другая жидкость.
Гидростатическое нивелирование характеризуется высокой точностью измерений, выражающейся десятыми долями миллиметра. Гидростатическое нивелирование применяется, например, при монтаже направляющих путей холодной обработки стекла, в строительстве атомных станций, плотин ГЭС и пр. В одной из конструкций таких нивелиров, изготовленной в Московском институте инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии, жидкостью была не вода, а ртуть.
Несмотря на высокую точность, существуют источники случайных и систематических погрешностей при гидростатическом нивелировании:
- невертикальность измерительных трубок;
- изменение температуры жидкости в процессе снятия отсчетов;
- погрешности отсчетов;
- неточность фиксации острия рейки с поверхностью жидкости.
Основной недостаток гидростатического нивелирования - это погрешность измерений отметок уровня жидкости в трубках вследствие осадок самих трубок.
Известен метод измерения вертикальных и горизонтальных перемещений при помощи экстензометров и волоконно-оптических датчиков согласно ГОСТ 24846-12.
Метод измерения вертикальных и горизонтальных перемещений при помощи экстензометров и волоконно-оптических датчиков применяется в случаях, когда другие методы измерений использовать невозможно.
Экстензометры относятся к традиционному (электрическому) измерительному оборудованию. В качестве чувствительного элемента используется струна или МЭМС (микроэлектромеханическая система). В процессе измерений в экстензометре изменяется первоначально установленное линейное базовое значение, которое фиксируется считывающим устройством.
Измерение горизонтальных и вертикальных перемещений при помощи волоконно-оптических датчиков проводят на участках, недоступных для измерения другими методами или требующих повышенной точности. В качестве чувствительного элемента датчиков выступает оптическое волокно.
За счет использования пучка света в качестве сигнала, волоконно-оптические датчики имеют ряд преимуществ, выгодно отличающих их от обычных электрических датчиков:
- невосприимчивость к источникам ЭМ-излучения;
- передача сигнала без потерь на большие расстояния;
- полная искро- и взрывобезопасность;
- возможность подключения нескольких датчиков на один канал;
- возможность распределенных измерений.
Основным недостатком систем измерений с использованием электрических или волоконно-оптических датчиков является стоимость таких систем (самих датчиков и регистрирующей аппаратуры). Наибольшее распространение указанные системы получили в научных центрах, исследовательских лабораториях, университетских центрах и т.п.Применение электрических или волоконно-оптических датчиков в условиях строительной площадки затруднено ввиду сложности установки и наладки оборудования, обеспечения его сохранности и неприкосновенности.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является высокая погрешность стандартных геодезических измерений, выполняемых для резервуаров в процессе гидравлических испытаний. Погрешность измерений вертикальных перемещений фундаментов резервуаров составляет порядка 5 мм, а при использовании оборудования, работающего в безотражательном режиме, достигает значений 50 мм, что сопоставимо с предельными значениями перемещений для резервуаров согласно ГОСТ 31385. Исходя из вышеизложенного, для резервуаров представляется затруднительным обосновать тот факт, что его перемещения стабилизировались в процессе гидравлического испытания.
Задачей полезной модели является устранение недостатков, упомянутых выше, а также определение, измерение и контроль перемещения фундамента резервуара, в процессе его строительства и гидравлических испытаний.
Технический результат заключается в повышении достоверности и точности определения перемещения фундамента резервуара как в процессе строительства, так и в процессе гидравлических испытаний.
Указанная техническая задача решается, а технический результат достигается с помощью приспособления по измерению осадки фундамента стального резервуара, содержащее репер с закрепленной консолью, на которой установлен диск с измерительной шкалой и струной, накинутой внахлест, соединенной одним концом с натяжным грузом, а другим - со штангой, содержащей уровнемер.
Развитием и уточнением предлагаемой полезной модели являются следующие признаки:
- штанга закреплена к фундаменту стального резервуара посредством по меньшей мере двух стальных пластин и анкерных болтов;
- штанга содержит подкос для крепления к фундаменту стального резервуара;
- подкос закреплен к фундаменту стального резервуара посредством по меньшей мере одной стальной пластины и анкерных болтов;
- штанга содержит отверстие в месте крепления со струной;
- уровнемер закреплен на штанге при помощи уголков или клеевым соединением;
- в верхней части репера установлена реперная головка.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид приспособления (вид сверху); на фиг. 2 изображен общий вид приспособления (вид сбоку).
На чертежах позиции имеют следующие числовые обозначения:
1 - репер;
2 - реперная головка;
3 - штанга;
4 - подкос;
5 - стальная пластина;
6 - анкерный болт;
7 - консоль;
8 - диск;
9 - струна;
10 - натяжной груз;
11 - уровнемер;
12 - фундамент резервуара;
13 - стенка резервуара;
14 - окрайка резервуара.
Приспособление по измерению перемещений фундамента резервуара (фиг. 1 и фиг. 2) содержит репер 1 в виде стойки в грунте или винтовой сваи, предназначенный для неподвижного закрепления консоли 7, при этом в верхней части репера 1 установлена реперная головка 2; штангу 3, выполненную из стального уголка или трубы, неподвижно закрепляемой на фундаменте резервуара 12 вблизи его окрайки 14; подкос 4 штанги 3 для повышения ее устойчивости.
Штанга 3 содержит отверстие в месте крепления со струной 9 (на фиг. 1 и фиг. 2 не показан).
Соединение штанги 3 со струной 9 осуществляется путем продевания струны 9 в отверстие штанги 3 с последующим закреплением струны 9, обеспечивающим неразъемное соединение.
Крепление штанги 3 с фундаментом резервуара 12 осуществляется анкерными болтами 6, установленными в отверстия по меньше мере двух стальных пластин.
Крепление подкоса 4 с фундаментом резервуара 12 осуществляется анкерными болтами 6, установленными в отверстия по меньше мере одной стальной пластины.
На консоли 7 закреплен диск 8 с измерительной шкалой по его окружности и указательной стрелкой, вращающейся в результате трения струны 9 о валик барабанчика (на фиг. 1 и фиг. 2 не показан), накинутой на него внахлест, при этом один конец струны 9 соединен с натяжным грузом 10, другой - со штангой 3.
Уровнемер 11, неподвижно закреплен на штанге 3 при помощи уголков или клеевым соединением.
Вследствие сжимаемости грунтового основания резервуар совместно с фундаментом претерпевает осадку при его заполнении водой, при этом штанга 3 перемещается совместно с фундаментом, т.к. жестко закреплена на нем при помощи стальных пластин, анкерных болтов 6 и подкоса 4. Перемещения штанги 3 фиксируются по показаниям стрелки на измерительной шкале диска 8, струна 9 которого, одним концом, закреплена на штанге 3, другим - с натяжным грузом 10, за счет которого осуществляется натяжение струны 9.
Одно деление измерительной шкалы диска 8 соответствует линейному вертикальному перемещению струны 9, закрепленной на штанге 3, на 0,01 мм.
Репер 1 устанавливается на расстоянии 2,5-3 м от края фундамента резервуара 12. В верхней части репера 1 устанавливается реперная головка 2. Поворот штанги 3 в вертикальной плоскости регистрируется при помощи уровнемера 11, закрепленного на штанге 3 при помощи уголков или другим способом (например, клеевого соединения).
На фиг. 2 стрелками обозначены направления перемещений штанги 3, поворот указательной стрелки диска 8, а также направление перемещения натяжного груза 10 при вертикальной осадке фундамента резервуара 12, заполняемого водой.
Суммарная величина осадки фундамента резервуара 12 в месте установки приспособления рассчитывается по формуле:
1
2
S=S+S,
1
где S - осадка, определяемая по показаниям диска 8, мм;
2
S - перемещение штанги 3 вверх, возникающее вследствие ее поворота в вертикальной плоскости (поворот штанги 3 и кольцевого фундамента резервуара в вертикальной плоскости обусловлен эксцентриситетом нагрузки при заполнении резервуара водой), мм;
2
Перемещение штанги S, мм, рассчитывается по формуле:
2
S=L⋅tg(Δα),
где L - длина штанги, мм;
Δα - приращение угла поворота штанги в процессе измерений, измеренное при помощи уровнемера, град.
В качестве дополнительного мероприятия в процессе измерения перемещений фундамента резервуара 12 рекомендуется определять высотное положение реперной головки 2, установленной в верхней части репера 1. Высотное положение репера 1 определяется при помощи нивелира (на фиг. 1 и фиг. 2 не показан).
Перед началом проведения измерений следует выполнить следующие подготовительные работы:
- на расстоянии 2,5-3 м от края фундамента резервуара 12 закрепить в грунте репер 1 при помощи вдавливания в грунт стальной толстостенной трубы или завинчивания стальной винтовой сваи;
- при помощи анкерных болтов 6, подкоса 4 и стальных пластин неподвижно закрепить на фундаменте резервуара 12 штангу 3 напротив смонтированного репера 1;
- при помощи уголков или клеевого соединения неподвижно закрепить на штанге 3 уровнемер 11;
- при помощи консоли 7 закрепить на репере 1 диск 8;
- один из свободных концов струны 9 диска 8 продеть в отверстие штанги 3 и неразъемно закрепить, другой - прикрепить к натяжному грузу 10, при этом струна 9 должна быть перекинута через валик барабанчика диска 8 не менее чем одним витком;
- выставить указательную стрелку диска 8 «на ноль», определить начальное отклонение штанги 3 от горизонтали при помощи уровнемера 11, определить высотное положение репера при помощи нивелира.
Каждый цикл измерения перемещений фундамента резервуара 12 выполняется в следующей последовательности:
- фиксируется положение указательной стрелки на измерительной шкале диска 8;
- фиксируется показание уровнемера 11;
- вычисляется суммарное вертикальное перемещение фундамента резервуара в месте установки приспособления.
Одно деление измерительной шкалы на окружности диска 8 соответствует линейному перемещению струны, закрепленной на стальной пластине 5, на 0,01 мм.
Предлагаемая полезная модель была успешно применена в 2016-2017 гг. при строительстве и гидравлических испытаниях резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов.
3
При этом были зафиксированы следующие результаты измерений (резервуар вместимостью 10000 м внутренним диаметром 34200 мм на кольцевом железобетонном фундаменте сечением 400×1000 мм):
1
- перемещение фундамента резервуара, S составило 14 мм;
- приращение угла поворота штанги в вертикальной плоскости Δα за время проведения измерений составило 9 угловых минут;
- суммарная осадка фундамента резервуара за время проведения измерений S составила 24,3 мм.
Дополнительно в процессе измерения перемещений фундамента резервуара 12 с помощью нивелира определили осадку репера 1 за время проведения измерений, определенную при помощи нивелира, которая составила 3 мм;
Полученные результаты измерений были использованы для подтверждения надежности и устойчивости положения фундаментов резервуаров.
В отличие от традиционных способов измерений, определение осадок резервуара согласно заявляемой полезной модели может производиться без использования дорогостоящего геодезического оборудования, при этом исключаются значительные временные затраты на перепроверку высотных отметок исходных реперов, подготовку и расстановку геодезического оборудования по станциям. Достоверность данных повышается за счет минимального вмешательства человека в процесс измерения: выполнение работ по монтажу и наладке измерительных устройств требуется лишь на подготовительном этапе.