ОБЛЕГЧЕННЫЙ РЕЗЕРВУАР ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Область техники, к которой относится полезная модель
3
Полезная модель относится к нефтехимии, а более конкретно к облегченным резервуарам для хранения нефтепродуктов, включающим дно и стенки, которые выполнены состоящими из соединенных между собой панелей, имеющих внутреннюю полость, и может быть использовано для контроля параметров стенок резервуаров хранения нефти в объемах 1000-5000 м, а также любых других жидких веществ. Рассматривается именно облегчённый резервуар, который выполнен состоящими из соединенных между собой панелей, имеющих внутреннюю полость, так как для монтажа резервуаров больших объемов важно, чтобы его можно было просто монтировать на месте и его части можно было легко переводить транспортными средствами.
Уровень техники
Утечки нефти из резервуаров для хранения представляют серьёзную опасность для людей и окружающей среды. Попадание нефти и нефтепродуктов в почву и водоемы вызывает отравление растений и живых организмов. Утечки нефти и нефтепродуктов также могут стать причиной взрывов. Всё это оборачивается большими экономическими потерями и может привести к экологическим катастрофам. Являясь важной составляющей процесса эксплуатации резервуаров, локализация места утечки всегда представляла собой сложную задачу. В большинстве случаев для контроля состояния резервуаров используется визуальный осмотр. Однако такой метод не всегда дает возможность ранней диагностики места нарушения герметичности, что не позволяет заранее предотвратить протечку, а только лишь констатировать ее постфактум.
Известен из уровня техники облечённый резервуар для хранения жидких продуктов, в числе которых может быть и нефтепродукты, включающий дно и стенки, которые выполнены состоящими из соединенных между собой панелей, имеющих внутреннюю полость. Это известно из источника информации KR 101455819 B1, 04.11.2014 ([0012-0031,0038-0061], фиг.1-5), где описан облечённый резервуар для наливных продуктов (10), включающий дно и стенки, которые выполнены из соединенных между собой панелей (210), имеющих внутреннюю полость (211). (Нумерация из KR 101455819).
Данное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели и взято за прототип к предлагаемой полезной модели.
Недостатком данного устройства является невозможность организации постоянного контроля изменения внутренних параметров стенок облечённого резервуара, что позволяет предотвращать аварии, возникающие вследствие определения нарушения герметичности стенок облечённого резервуара на самых ранних стадиях. Разумеется, эта проблема становится весьма существенной, когда речь идет о хранении именно нефтепродуктов, особенно в больших объемах 1 000-50 000 куб. м, так как нарушение герметичности стенок может привести к серьёзным экологическим авариям или существенным пожарам.
Раскрытие полезной модели
Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящая полезная модель, главным образом, имеет целью предложить облечённый резервуар для хранения нефтепродуктов, включающий дно и стенки, которые выполнены состоящими из соединенных между собой панелей, имеющих внутреннюю полость, позволяющий как минимум сгладить, по меньшей мере, один из указанных выше недостатков, а именно обеспечить возможность организации постоянного контроля изменения внутренних параметров стенок резервуара, что позволяет предотвращать аварии, возникающие вследствие определения нарушения герметичности стенок облечённого резервуара на самых ранних стадиях, что и является технической задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель.
Для достижения этой цели внутри полостей панели расположены датчики, выполненные с возможностью контроля параметров стенок облечённого резервуара.
Благодаря таким выгодным характеристикам появляется возможность организации постоянного контроля изменения внутренних напряжений, температур, вибраций в стенках облечённого резервуара, что позволяет предотвращать аварии, возникающие вследствие нарушения герметичности стенок облечённого резервуара.
Существует также преимущественный вариант полезной модели, в котором датчики являются волоконно-оптическими.
Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность использовать преимущества волоконно-оптических датчиков, а именно малое потребление мощности, высокую скорость передачи данных и высокую точность измерения.
Существует также и такой вариант полезной модели, в котором датчики выполнены с возможностью работы на базе решеток Брегга.
Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность конкретной реализации задачи контроля состояния стенок облечённого резервуара, а именно за счет работы датчиков на базе решеток Брегга. То есть датчики представляют собой устройства с кодированием «длина волны – измеряемая величина», которые преобразуют в измеряемую величину сдвиг центральной длины волны своего спектрального отклика, либо некоторой спектральной особенности в нем. Такие датчики могут улавливать самые незначительные отклонения, что позволяет анализировать самые ранние фазы возникновения трещин в стенках, вздутий или аналогичных нарушений целостности.
Существует альтернативный вариант полезной модели, в котором датчики выполнены с возможностью работы на базе комбинационного эффекта Рамана и\или когерентного рассеяния света. (Рэле́евское рассе́ивание).
Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность другой конкретной реализации задачи контроля состояния стенок облечённого резервуара, а именно за счет работы датчиков на базе эффекта Рамана. Эффект Рамана обусловлен присутствием в среде термических молекулярных колебаний. Соответственно, отраженный (Рамановский) сигнал содержит информацию о температуре в точке рассеяния. Рамановское излучение состоит из двух спектральных компонент, смещенных по частоте относительно исходного сигнала. Амплитуда антистоксовой компоненты сильно зависит от температуры волокна, в то время как амплитуда стоксовой компоненты практически не зависит от температуры. Эти две частоты выделяются из отраженного сигнала с помощью фильтрации, после этого находится отношение их спектральных интенсивностей, которое и позволяет определить температуру в точке рассеяния.
Совокупность существенных признаков предлагаемой полезной модели неизвестна из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для полезной модели.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества полезной модели ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:
- фигура 1 схематично изображает общий вид облечённого резервуара для хранения нефтепродуктов, согласно полезной модели,
- фигура 2 схематично изображает один из вариантов исполнения панели облечённого резервуара для хранения нефтепродуктов, согласно полезной модели,
- фигура 3 схематично изображает второй вариант исполнения панели облечённого резервуара для хранения нефтепродуктов, согласно полезной модели, изображен две соединенные панели,
- фигура 4 схематично изображает вариант соединения двух панелей, согласно полезной модели,
- фигура 5 схематично изображает в изометрии фрагмент края панели облечённого резервуара для хранения нефтепродуктов, согласно полезной модели,
- фигура 6 схематично изображает в изометрии соединение панелей с образованием стенки облечённого резервуара для хранения нефтепродуктов, согласно полезной модели,
- фигура 7 изображает блок-схему измерения внутренних напряжений в панели облечённого резервуара для хранения нефтепродуктов, согласно полезной модели.
Согласно фигурам 1-2 облечённый резервуар для хранения нефтепродуктов, включает дно и стенки. Стенки выполнены состоящими из соединенных между собой панелей 1, имеющих внутреннюю полость 2 (показана на одной панели на фигуре 1) и средство 3 соединения панелей между собой замкового типа. Каждая панель 1 преимущественно выполнена из полимерного композитного материала. В качестве композитного материала может быть выбран стеклопластик или углепластик. Есть вариант, при котором полимерный композитный материал содержит пигментные добавки. Внутренняя полость 2 панели может быть заполнена наполнителем на основе вспененного полиуретана.
Стенки облечённого резервуара преимущественно имеют дополнительное кольцо жёсткости 4, установленное по периметру верхней части облечённого резервуара. См. фиг. 1.
Стенки облечённого резервуара преимущественно имеют дополнительные радиальные стяжки, выполненные с возможностью увеличения жёсткости в радиальном направлении облечённого резервуара. На фигуре 1 показаны как 41.
Панели 1 могут быть покрыты гидрофобным и/или антигололедным покрытием. Панели 1 могут быть покрыты антипиреновым покрытием с нанесением в заводских условиях. Панели 1 могут содержать волоконно-оптические датчики 5, работающие на базе решеток Брегга и/или эффекта Рамана и/или когерентного рассеяния света. Датчики могут быть любые электрические, электромеханические и оптические датчики.
Такие датчики позволяют определять:
- температурные показатели конструкции (термодатчики)
- напряженно-деформационные показатели (тензометрические датчики)
- датчики напряженности электрического поля
- вибрационные датчики и т.д.
Одновременно свободные полости 2 могут использоваться для размещения различных элементов, таких как:
- токопроводящие и токозащитные элементы
- слаботочные сети и коммуникации
- технические смеси и сигнальные растворы
- противопожарная пена и составы
Направление силы тяжести показано как вектор g. Именно по отношению к нему и применяются прилагательные «верхний» и «нижний».
На фигуре 7 также показаны:
6 – источник лазерного излучения,
7 – блок обработки сигнала,
8 – дисплей,
9 – оптоволокно,
10 – оптический разветвитель,
11 – импульс лазерного излучения,
12 – рассеянный свет.
Пример 1. См. фиг. 2, 4, 5
Базовым конструктивным элементом является:
- композитная панель размерами 18х2,1 метра;
- двойное замковое соединение с заполнение специальным герметиком;
- специальный наполнитель на основе вспененного полиуретана;
Состав и схема изготовление панели:
- панель изготавливается из специального стеклопластика;
- в компаунд при изготовлении можно добавлять пигментные добавки;
- базовой технологией является пултрузия;
- после изготовления наносится дополнительное защитное покрытие;
- внутренние пустоты заполняются вспененным полиуретаном;
- возможно заполнять часть пустот спец материалами (пена для тушения и т.д.)
Таблица 1. Свойства материалов
(стеклопластик СП и пенополиуретан ППУ).
Название
Место применения
Модуль упругости E11
Модуль упругости E22
Предел прочности
Коэффицинт Пуассона
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
СП
Панели
41 ГПа
27 ГПа
400 МПа
0,3
1800
ППУ
Сердцевина
25 МПа
25 МПа
12 МПа
0,3
55
3
Конструкция, объемом 50 000 м, представляет из себя вертикальную ёмкость диаметром 60,8 м и высотой 18 м. На один облечённый резервуар требуется до 100 панелей с учетом производственного резерва
Между собой сегменты конструкции, при моделировании, фиксировались многоточечными ограничениями RBE 2, которые определяют нагрузки и параметры пазового соединения.
В связи с тем, что в конструкции отсутствует стационарная крыша было добавлено кольцо жёсткости по периметру верхней части ёмкости.
Пример 2. См. фиг. 3, 6
Базовым конструктивным элементом является:
- композитная панель размером 18х1,05 метра. Толщина стенок 10 мм
- одинарное замковое соединение с заполнением герметиком.
- пустотелая панель;
Состав и схема изготовление панели:
- панель изготавливается из стеклопластика;
- в компаунд при изготовлении можно добавлять пигментные добавки;
- базовой технологией является пултрузия;
- после изготовления наносится дополнительное защитной покрытие;
- возможно заполнять часть пустот спец материалами (пена для тушения и т.д)
Таблица 2. Свойства материалов (стеклопластика)
Название
Место применения
Модуль упругости E11
Модуль упругости E22
Предел прочности
Коэффицинт Пуассона
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
СП
Панели
20 ГПа
20 ГПа
350 МПа
0,3
1800
3
Конструкция облечённого резервуара, объемом 50 000 м, представляет из себя вертикальную ёмкость диаметром 60,8 м и высотой 18 м. На один облечённый резервуар требуется до 200 панелей с учетом производственного резерва.
Между собой сегменты конструкции, при моделировании, фиксировались многоточечными ограничениями RBE 2, которые определяют нагрузки и параметры пазового соединения.
Большое количество узлов и нелинейное крепление было заменено линейной схемой расположения элементов при моделировании конструкции.
Для увеличения жёсткости в радиальном направлении в конструкцию были добавлены радиальные стяжки 41.
Таблица 3. Сравнение примера 1 и 2.
Пример №1
Пример №2
Объём, м<sup>3</sup>
50000
50000
Масса конструкции, т
146
127
Тип крыши
Плавающая
Плавающая
Размер секции, м
18х1
18х2
Конструкция панели
Пространственный профиль
Трёхслойная
Тип соединения
Пазовое соединение
Пазовое соединение
Максимальные действующие напряжения, МПа
282
275
Запас по прочности
1,24
1,45
Запас по устойчивости
1,01
1,12
Композитные панели, применяемые в конструкции будут покрыты специальным гидрофобным и антигололедным покрытием.
Таблица 4.
Тип покрытия
Краевой угол смачивания, град
Гистерезис смачивания, град
Стеклопластик
115-125
10-15
Отдельно в применяемые композиты могут быть добавлены пигментные добавки, что позволит сократить затраты на покраску конструкции.
С целью повышения класса огнестойкости можно применять и антипиреновые покрытия с нанесением в заводских условиях.
Применение волоконно-оптических датчиков позволяют создавать 3D модель состояния конструкции с оперативным оповещением при нарушении предельных параметров (температура, устойчивость конструкции, уровень электрического поля и т.д.)
Интеграция информации позволяет вести удаленный контроль состояния конструкции.
Осуществление полезной модели.
Облечённый резервуар для хранения нефтепродуктов используют следующим образом. Приводится пример использования полезной модели, который является описательным и не ограничивает применения полезной модели.
Этап 1. Соединяют между собой отдельные панели 1, образуя единую стенку облечённого резервуара, для чего панели скрепляются посредством замкового соединения 3.
Этап 2. Размещают в полости панелей вспененный полиуретан, а также размещают датчики, которые соединяют оптоволокном 9 с блоком 7 обработки сигнала.
Этап 3. Покрывают панели гидрофобным и/или антигололедным покрытием и/или антипиреновым покрытием.
Этап 4. При использовании облечённого резервуара производят измерения напряжённости датчиками 5, результаты измерений выводят на дисплей 8.
Этапы являются примерными и допускают перестановку, добавление и их частичное использование.
Промышленная применимость.
Предлагаемый облечённый резервуар для хранения нефтепродуктов имеет ясное предназначение, может быть осуществлен специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения. Возможность осуществления специалистом на практике следует из того, что для каждого признака, включённого в формулу полезной модели, на основании описания, известен материальный эквивалент, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для полезной модели, а также критерию «полнота описания» для полезной модели.
В соответствии с предложенной полезной моделью было проведено математическое моделирование. Расчеты по полезной модели показали следующее.
Расчет по примеру 1.
Расчет по нагрузкам
Гидростатическое давление нефти в облечённом резервуаре моделировалось с помощью задания поля давления на стенки облечённого резервуара. Итоговое распределение давления нефти на стенку (ρ=920 кг/м3) рассчитывалось и анализировалось по каждому уровню слою.
Избыточное давление, возникающее в конструкции при закачивании в облечённый резервуар нефти (слива), моделировалось с помощью задания давления по всей поверхности облечённого резервуара.
Ветровая нагрузка задавалась путём моделирования воздействия распределённой нагрузки в направлении перпендикулярном вертикальной оси ёмкости.  Нагрузка прикладывалась только к половине поверхности цилиндра
Форма деформации. Максимальная деформация 304 мм
Действующие напряжения в конструкции. Максимальные напряжения в конструкции 275 МПа.
Первая форма потери устойчивости. Запас по устойчивости 1,12.
Форма деформации. Максимальная деформация 616 мм
Согласно первому расчётному случаю действующие напряжения не превышают 275 МПа, что значительно ниже допустимых для стеклопластика значений в 300-500 МПа, в зависимости от направления воздействия.
Запас прочности составляет 1,45. При этом максимальная деформация в радиальном направлении составила 304 мм. Запас по устойчивости равен 1,12.
Общая масса композитных материалов в конструкции составляет около 146 тонн.
Расчет по примеру 2.
Расчет по нагрузкам
Гидростатическое давление нефти в облечённом резервуаре моделировалось с помощью задания поля давления на стенки резервуара. Итоговое распределение давления нефти на стенку (ρ=920 кг/м3) рассчитывалось и анализировалось по каждому уровню слою
Избыточное давление, возникающее в конструкции при закачивании в облечённый резервуар нефти (слива), моделировалось с помощью задания давления по всей поверхности облечённого резервуара
Ветровая нагрузка задавалась путём моделирования воздействия распределённой нагрузки в направлении перпендикулярном вертикальной оси ёмкости.  Нагрузка прикладывалась только к половине поверхности цилиндра
Форма деформации. Максимальная деформация 735 мм
Действующие напряжения в конструкции. Максимальные напряжения в конструкции 282 МПа
Первая форма потери устойчивости. Запас по устойчивости 1,04
Форма деформации. Максимальная деформация 23 мм
Согласно первому расчётному случаю действующие напряжения не превышают 282 МПа, что значительно ниже допустимых для стеклопластика значений в 300-500 МПа, в зависимости от направления воздействия. Запас прочности составляет 1,24.
При этом максимальная деформация в радиальном направлении составила 735 мм.
Запас по устойчивости равен 1,01.
Общая масса композитных материалов в конструкции составляет около 136 тонн.
Дополнительный достигаемый технический результат:
- оптимизация логистической схемы по доставке комплектующих,
- отсутствие дополнительных затрат на монтаж отдельных систем мониторинга;
- расширения географии применения конструкции;
- минимизация взрывоопасных работ по монтажу конструкции;
- увеличение межремонтного периода с 3\5 лет до 10\15 лет
- сокращение затрат на обслуживание конструкции до 50%
- интеграция в конструкцию инженерных сетей и систем безопасности
- возможность удаленного\автоматического контроля состояния конструкции.
Таблица 5.
Затраты на строительство
Вес, всего тонн
Цена на единицу, тыс. рублей
Общая стоимость, тыс. рублей
Конструкция резервуара
Стальной резервуар
1000
75
75000
Композитный резервуар
150
400
60000
Затраты на монтаж
Стальной резервуар
60
60000
Композитный резервуар
280
42000
ИТОГО конструкция
Стальной резервуар
135000
Композитный резервуар
102000
3
Таким образом, предлагаемый облечённый резервуар для хранения нефтепродуктов вполне соответствует требуемым параметрам для хранения нефти в объемах 1000-50000 м. За счет же того, что внутри полостей панели расположены датчики, выполненные с возможностью контроля параметров стенок резервуара, становится возможным организация постоянного контроля изменения внутренних параметров стенок резервуара и определение нарушения герметичности стенок облечённого резервуара на самых ранних стадиях, что и является достигаемым техническим результатом, так как позволяет предотвращать аварии.