На перекачивающих станциях в зимний период приходится большое количество времени тратить на очистку крыш резервуаров от снега. Не смотря на значительное число привлекаемых к этому работников, высота снежного покрова часто в несколько раз превышает установленные нормативными документами допустимые значения. Допустимые значения высот снежного покрова для резервуаров, строительство которых производилось в различные периоды действия нормативных документов, представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Допустимые значения высот снежного покрова на кровле резервуаров
|
Нормативное значение |
Снеговой район |
Действующий в период строительства нормативный документ |
|||
|
СНиП II-6-74 |
СНиП 2.01.07-85, СНиП 2.01.07-85*, СП 20.13330.2011 |
СП 20.133330.2016 |
|||
|
до 1985 г. |
1985-2003 гг. |
2003-2016 гг. |
2016 г. – по н/в |
||
|
Вес
снегового
покрова
на 1 м2
поверхности, Па |
I |
500 |
500 |
800 |
500 |
|
II |
700 |
700 |
1200 |
1000 |
|
|
III |
1000 |
1000 |
1800 |
1500 |
|
|
IV |
1500 |
1500 |
2400 |
2000 |
|
|
V |
2000 |
2000 |
3200 |
2500 |
|
|
VI |
2500 |
2500 |
4000 |
3000 |
|
|
VII |
— |
— |
4800 |
3500 |
|
|
VIII |
— |
— |
5600 |
4000 |
|
|
Высота
снегового
покрова1,
мм |
I |
|
|
|
|
|
II |
|
|
|
|
|
|
III |
|
|
|
|
|
|
IV |
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
VI |
|
|
|
|
|
|
VII |
— |
— |
|
|
|
|
VIII |
— |
— |
|
|
|
|
П р и м е ч а н и я: 1) в числителе дано число для резервуаров старше 5 лет, а также после капитального ремонта без замены толщины листов (коэффициент запаса по нагрузке К = 0,5), в знаменателе – для новых (до 5 лет), а также прошедших реконструкцию с заменой толщины листов (К = 0,7);
2) цветом выделен район по нагрузке от снегового покрова для большей части Республики Башкортостан |
|||||
Так для резервуаров, построенных до 1985 г. по действующему тогда СНиП II-6-74 «Нагрузки и воздействия» [1], допустимый вес снегового покрова на 1 м2 для IV района, к которому в те годы относилась большая часть Республики Башкортостан, равнялась 1500 Па. При этом допустимая высота снега на кровле составляла:
-
для резервуаров старше 5 лет и после капитального ремонта без замены толщины стенки – 127 мм;
-
для новых, а также прошедших реконструкцию без замены толщины листов резервуаров – 178 мм.
Для резервуаров 1985-2003 гг. постройки, сооружённых уже по требованиям СНиП 2.01.07-85 [2], допустимый вес снегового покрова на 1 м2 определялся уже для V района, к которому в этот период относилась большая часть Республики Башкортостан, равнялась 2000 Па. Допустимая высота снега при этом составляла:
-
для резервуаров старше 5 лет после реконструкции – 169 мм;
-
для новых, а также прошедших реконструкцию без замены толщины листов резервуаров – 237 мм.
В 2003 г. вышел обновленный СНиП 2.01.07-85* [3], а затем и СП 20.133330.2011 [4], в которых значение снеговой нагрузки для нашего района было увеличено до 3200 Па. Допустимая высота снегового покрова для такой нагрузки составила:
-
для резервуаров старше 5 лет после реконструкции – 271 мм;
-
для новых, а также прошедших реконструкцию без замены толщины листов резервуаров – 380 мм.
Поскольку расчёты толщин стенок сооружённых резервуаров выполнялись по ранее действующим документам, пришлось снизить допустимую высоту снежного покрова для резервуаров построенных до 1985 г. до 59-83 мм, а для резервуаров, построенных в 1985-2003 гг., эти значения стали составлять 105-148 мм.
В СП 20.133330.2016 [5] снеговую нагрузку для нашего района сократили до 2500 Па. Допустимая высота снега теперь:
-
для резервуаров старше 5 лет после реконструкции – 212 мм;
-
для новых, а также прошедших реконструкцию без замены толщины листов резервуаров – 297 мм.
Расчёт нормативной высоты снегового покрова выполняется по формуле
H = К·Sд/ρ, (1)
где:
К – коэффициент запаса по нагрузке, принимаемый для резервуаров со сроком эксплуатации до 5 лет включительно равным 0,7, а для резервуаров со сроком эксплуатации более 5 лет – равным 0,5 [6];
Sд – предельная расчётная снеговая нагрузка, указанная в рабочем проекте на резервуар, кг/м2;
ρ – средняя плотность снега, принимаемая равной 600 кг/м3.
Сейчас по-прежнему существуют резервуары, которые были построены в 70-80-е гг., и, хотя они все ремонтировались, а некоторые даже реконструировались, основные толщины стенок и кровли остались неизменными. На данный момент для резервуаров, построенных до 1985 г. допустимая высота снежного покрова составляет 76-106 мм, для резервуаров 1985-2003 гг. – 135-189 мм.
Необходимо учитывать и то, что по результатам технической диагностики резервуара допустимая высота снегового покрова может быть занижена, вследствие чего вышеуказанные значения могут быть ещё меньше.
Такие величины обеспечить на практике существующим методом механической очистки (при помощи лопат) достаточно проблематично, а значит, резервуары в настоящее время могут эксплуатироваться с нарушением нормативных документов, что в дальнейшем может привести к несчастным случаям. К тому же, недостатком существующего метода является и то, что перед проведением работ по очистке резервуар должен быть выведен из товарно-транспортных операций.
Анализ причин аварий, произошедших в период с 2010 г. по 2015 г., по публикациям в разделе «Хроника аварий» журнала «Безопасность труда в промышленности» показал, что из-за разрушения элементов резервуаров от снеговой нагрузки произошло 4% аварий [7].
На данный момент известны следующие способы предотвращения накопления снежных масс на кровле резервуаров:
-
электроподогрев с использованием греющего кабеля;
-
нанесение антиобледенительного покрытия.
Электроподогрев кровли резервуара осуществляется с помощью системы с саморегулирующим греющим кабелем во взрывозащищенном исполнении, размещаемом на кровле резервуаров с некоторым шагом. Основным элементом кабеля является греющая проводящая матрица, в основе производства которой лежит метод экструзии и последовательного равномерного охлаждения, благодаря чему он приобретает одинаковую мощность и сопротивление по всей длине.
Электрообогрев позволяет уменьшить количество работ повышенной опасности и риск повреждения оборудования при очистке кровли от снега и наледи.
К недостаткам способа можно отнести скапливание льда на отмостке резервуара от замёрзшей талой воды стекающей с кровли, а так же обмерзание этой воды на стенке, уменьшение коэффициента полезного действия устройства в процессе эксплуатации и затраты электроэнергии в процессе эксплуатации системы [7]. Наиболее существенными недостатками, из-за которых обогрев атмосферы не применяется, являются экономическая нецелесообразность, а также пожаро- и электроопасность.
Антиобледенительное покрытие – это стойкий к ультрафиолетовому излучению трудногорючий сверхскользкий полимерный материал на основе синтетического каучука с гидроизоляционными, антикоррозионными, атмосферостойкими, водоотталкивающими свойствами, лёгкий в нанесении и обладающий высоким сроком службы (5-8 лет).
Покрытие наносится в один-два слоя общей толщиной 150-180 мкм и состоит на 50% из толуола, на 30% – из фенилсиликата, 12% – из ЭД-20, 8% – АГМ-9 (состав варьируется). При этом расход материала составляет от 0,3 до 0,35 кг/м2. Условия нанесения – от минус 5 до плюс 25 °С [8].
Несмотря на все достоинства, данное покрытие не даёт значительно эффекта: с наветренной стороны снег сдувается и при отсутствии покрытия, с подветренной же стороны энергии ветра уже не достаточно для осуществления необходимого эффекта, к тому же площадки обслуживания (если таковые имеются) могут служить барьером, препятствующим сносу снега.
Применение воздуходувок для очистки кровли резервуаров от снега невозможно в настоящее время, поскольку таковые отсутствуют во взрывозащищенном исполнении. Заказ на изготовление безопасных для нефтегазовой промышленности воздуходувок выпускающим их предприятиям будет стоить для нефтегазовых компаний больших денежных затрат.
В настоящий момент предлагается механизированный способ очистки кровли резервуаров от снега за счёт создаваемого компрессором давления струи воздуха. Компрессор устанавливается в трёх метрах от подошвы наружной стенки обвалования. Воздух к очищаемому участку кровли направляется от компрессора по рукаву, длина которого выбирается в зависимости от геометрических параметров резервуаров и требований минимальных расстояний от них до подошвы обвалования (рисунок 1).
Рисунок 1 – Механизированный способ очистки кровли резервуаров
Предположительная необходимая длина рукава с учётом того, что очищаемый участок крыши резервуара диаметрально противоположен стороне расположения компрессора, для очистки резервуара объёмом 5000 м3 составляет 55 м (22,8 + 12 + 12 + 5,2 + 3), для резервуара объёмом 10000 м3 – 75 м (34,2 + 12 + 15 + 10,8 + 3), для резервуара объёмом 20000 м3 – 88 м (45,6 + 12 + 15 + 12,4 +3). Рукава можно разделить на две части: стационарную и перемещаемую. Стационарная часть предполагается от компрессора до площадки обслуживания на кровле резервуара. Перемещаемая часть – это рукав длиной равной диаметру резервуара, которая переносится работником и подключается к стационарной на время очистки резервуара от снега. В этом случае длина стационарного рукава должна быть: для резервуара объёмом 5000 м3 – не менее 32,2 м, для резервуара объёмом 10000 м3 – не менее 40,8 м, для резервуара объёмом 20000 м3 – не менее 42,4 м.
Для осуществления данного способа должны быть обеспечены необходимые значения расхода и давления воздуха. С целью их определения была выполнена серия экспериментов. На первом этапе было произведёно определение необходимого усилия для сдвига снежной массы внутри сугроба, равной ≈ 2 кг (слежавшийся снег), которое составило величину равную fб = 5,9 кг, см. рисунок 2. Производилось несколько замеров со сдвигом различной массы. Из имеющегося оборудования и проведённых замеров было выбрано наибольшее значение усилия и соответствующая этому усилию масса.
Рисунок 2 – Проведение замера по определению усилия сдвига массы снега
На втором этапе экспериментов получены зависимости усилия воздуха fб от расстояния L между выходным отверстием сопла и горизонтальной поверхностью для четырёх заданных значений избыточных давлений компрессора P (рисунок 3). Для дальнейших расчётов было принято решение об изучении зависимости усилия воздуха fб от его массового расхода М для расстояния L между выходным отверстием сопла и горизонтальной поверхностью 20 и 40 см. Расстояние 40 см было принято исходя из удобства выполнения работ по очистке поверхности от снега, а 20 см – для сравнения.
В зависимости от создаваемого компрессором давления был определён массовый расход воздуха и его импульс соответственно по формулам [9]:
Рисунок 3 – Зависимости усилия создаваемого потоком воздуха от расстояния
между выходным отверстием сопла и горизонтальной поверхностью в эксперименте
Для критического режима истечения, как в нашем случае, формулы (2), (3) преобразуются к виду:
По экспериментальным данным в программе Table Curve 2D построены зависимости создаваемого компрессором усилия воздуха fб от массового расхода М при расстояниях L между выходным отверстием сопла и горизонтальной поверхностью равных 20 и 40 см (рисунок 4).
Рисунок 4 – Зависимости усилия создаваемого потоком воздуха от массового расхода воздуха
Полученные при этом уравнения:
В программе Table Curve 3D рассмотрено поведение зависимости массового расхода М от усилия воздуха fб и от расстояния между выходным отверстием сопла и горизонтальной поверхностью L (рисунок 5, а).
Ввиду невозможности создания имеющимся компрессором больших давлений было спрогнозировано поведение математической модели вне области экспериментальных точек (рисунок 5, б).
а) – в области экспериментальных точек;
б) – вне области экспериментальных точек
Рисунок 5 – Поведение 3D-поля М(L, fб )
Уравнение зависимости М(L, fб) для 3D-поля выглядит следующим образом
В качестве необходимых массовых расходов воздуха для создания усилия fб = 5,9 кг по двум методам определены значения массового расхода воздуха при L равных 20 и 40 см: ML=20 = 0,0791 кг/с, ML=40 = 0,0877 кг/с. Минимально необходимый объёмный расход воздуха при стандартных условиях для L =20 см и L = 40 см, равен соответственно 236,32 и 262 м3/ч, при нормальных условиях 220,232 и 244,169 м3/ч.
Необходимая величина избыточного давления воздуха в начале рукава Рн для расчетных массовых расходов воздуха при расстояниях L между выходным отверстием сопла и горизонтальной поверхностью равных 20 и 40 см, для различных значений внутренних диаметров dрук и длин рукавов Lрук определяется по формуле
Коэффициент гидравлического сопротивления рукава определяется для режима течения в зоне квадратичного трения
Расчёты по формуле (10) для массового расхода ML=40 = 0,0877 кг/с представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Результаты расчёта избыточного давления воздуха в начале рукава
|
L, см |
dрук, мм |
λ |
Рн, кгс/см2, при Lрук, м | |||||||||
|
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
110 |
120 |
|||
|
20 |
13 |
0,02285 |
11,92 |
13,76 |
15,39 |
16,88 |
18,24 |
19,52 |
20,73 |
21,87 |
22,95 |
23,99 |
|
16 |
0,02192 |
7,15 |
8,15 |
9,05 |
9,87 |
10,64 |
11,36 |
12,04 |
12,68 |
13,30 |
13,89 |
|
|
19 |
0,02118 |
5,0 |
5,56 |
6,07 |
6,55 |
7,01 |
7,44 |
7,84 |
8,23 |
8,61 |
8,97 |
|
|
25 |
0,02005 |
3,46 |
3,65 |
3,82 |
4,00 |
4,16 |
4,32 |
4,48 |
4,63 |
4,78 |
4,92 |
|
|
40 |
13 |
0,02285 |
13,21 |
15,26 |
17,08 |
18,73 |
20,26 |
21,68 |
23,02 |
24,29 |
25,49 |
26,65 |
|
16 |
0,02192 |
7,85 |
8,97 |
9,99 |
10,91 |
11,77 |
12,58 |
13,34 |
14,06 |
14,75 |
15,41 |
|
|
19 |
0,02118 |
5,38 |
6,03 |
6,62 |
7,17 |
7,68 |
8,17 |
8,63 |
9,07 |
9,49 |
9,90 |
|
|
25 |
0,02005 |
3,59 |
3,81 |
4,02 |
4,22 |
4,42 |
4,61 |
4,79 |
4,96 |
5,14 |
5,30 |
|
Необходимые значения массового расхода воздуха и избыточного давления в начале рукава говорят о технической осуществимости предлагаемого способа, а экспериментально полученные результаты замеров динамического воздействия струи воздуха, известные теоретические зависимости и прогнозы, построенные на их основе в программе Table Curve, являются его обоснованием.
Для очистки кровли резервуара с помощью данного способа необходим один работник, направляющий рукав на очищаемый участок, два страхующих, один работник, регулирующий работу компрессора за обвалованием.
Для подтверждения возможности использования данного метода были проведены испытания по удалению снежного покрова с поверхности земли, с использованием агрегата Atlas Copco Airpower PGC 400-406 на базе компрессора XAS97, номинальной производительностью при нормальных условиях 5,3 м3/мин (318 м3/ч), и номинальным давлением 7 бар (7,138 кгс/см2). Длина используемого рукава была 30 м, а его наружный диаметр 30 мм (внутренний диаметр 20 мм). Размер отверстия сопла – 8 мм. Сопло удерживалось на расстоянии 40-60 см от уровня снегового покрова. Высота снежного покрова составляла около 100 мм. Результатом эксперимента стала очищенная в течении 1 минуты поверхность равная 1 м2.
