Статья посвящена проблеме удаления неравномерного скопления снегового покрова на поверхности алюминиевых купольных крыш резервуаров большого диаметра. Представлен обзор аварий и инцидентов при эксплуатации алюминиевых купольных крыш в России. Предложен электроимпульсный метод удаления снегового покрова с купольных крыш из алюминиевых сплавов. Проведён расчёт напряженно-деформированного состояния конструкции крыши методом конечных элементов, при воздействии электроимпульсного метода удаления снегового покрова.
В мировой практике алюминиевые конструкции крыш для вертикальных стальных резервуаров большого диаметра (более 45 м) применяются довольно долгое время, однако в России данные конструкции применяются всего лишь 8 лет [1]. Эксплуатация данных типов крыш в России осложняется климатическими особенностями районов применения.
Конструкция алюминиевой купольной крыши для резервуара объёмом 50000 м3 и диаметром 60,7 м, представляет собой сферический сетчатый каркас с радиусом 48,6 м и стрелой подъёма 10,92 м, покрытый обшивкой из алюминиевых листовых панелей [2]. Достаточно крутой уклон и гладкость поверхности, казалось бы, должны исключить скопление снегового покрова на кровле. Однако, по опыту эксплуатации, наблюдается устойчивое скопление снега на поверхности настила, преимущественно с подветренной стороны конструкции (рис. 1).
Это приводит к появлению неравномерной нагрузки в локальных зонах конструкции крыши. В начале 2004 г. в г. Кириши (III снеговой район [3]) с интервалом 30 минут произошло полное обрушение двух алюминиевых куполов фирмы «ConservatekIndustriesInc» соседних РВСПА-50000 на ОАО «Киришинефтеоргсинтез» (рис. 2). Комиссия по расследованию аварии с участием российских и американских специалистов так и не смогла установить ее причину. Для предотвращения обрушения аналогичных крыш в г. Кстово на ОАО «Лукойл-Нижегороднефтеоргсинтез» с 2004 г. до 2010 г. производилась регулярная уборка снега в зимних условиях. В 2010 г. крыша разрушилась (рис. 3) [1].
Зимой 2009 г. полное разрушение алюминиевой крыши произошло на объекте ОАО «Транснефть» «Восточная Сибирь – Тихий океан» в п. Талакан, поставка конструкций крыш - ОАО «Миасский машиностроительный завод» (рис. 4) [1].
Другой инцидент произошел в начале 2008 г. в г. Альметьевске (V снеговой район [3]), где в результате схода подтаявшего снега с алюминиевых крыш трёх РВСПА-50000, произошло повреждение карт настила и площадок обслуживания оборудования на кровле (рис. 5).
Скопление основной массы снеговых осадков на купольной алюминиевой крыше происходит с подветренной стороны от среднегодового направления ветров данной местности, что объясняет неравномерный характер образования снегового покрова (снегового «мешка»). Выпавший снег с наветренной стороны подвергается ветровой эрозии, не успевая слежаться и образовать прочное сцепление с покрытием. С подветренной стороны интенсивность ветрового давления минимальна, и у выпавшего снега достаточно времени образовать прочное сцепление с настилом и приобрести свойство сопротивляться растягивающим напряжениям. Процесс образования сцепления происходит вследствие колебаний дневных и ночных температур, при которых образуется граничный слой – «ледяной прослойки» (рис. 6) [4, п.п. 6.5.1.1.6]. У эксплуатируемых резервуаров образование граничного слоя ускоряется, вследствие подогрева настила находящимся в резервуаре продуктом и отрицательной температурой снегового покрова на границе «настил-снег».
Механизмы снегонакопления, образования снеговых «мешков» и их саморазрушение для эксплуатируемых и неэксплуатируемых резервуаров были подробно рассмотрены [5,6].
Неравномерные скопления снеговых «мешков» на стальных купольных крышах предотвращаются путём механической очистки (ручной способ) [7]. Однако, на алюминиевых крышах, существующих резервуаров, возможность механической очистки ограничена, ввиду конструктивных особенностей, т.е. крутой уклон и малая толщина настила покрытия (1,2 мм) [2].
Конструкция электроимпульсной противообледенительной системы
Одним из перспективных способов удаления поверхностного льда является импульсно-механический способ, основанный на принципе воздействия волновой интерференции непосредственно на ледяную массу, разрушая её при прохождении «пакета» импульсов по площади конструкции. Другими словами, на очищаемой ото льда поверхности создаются упругие деформации посредством периодических импульсов, создаваемых электромагнитным полем индуктора (катушки). Данная технология получила название электроимпульсной противообледенительной системы (ЭИПОС) [8].
Современные конструкции электроимпульсных систем разнообразны. По-существу же, в них заложен один и тот же принцип передачи импульса. ЭИПОС сегодня подразделяются на системы бесконтактного и контактного способа передачи и преобразования импульса.
В конструкциях бесконтактных ЭИПОС используется катушка индуктивности (индуктор), наводящая в очищаемой поверхности индуктивный ток высокой частоты (индуктор преобразует энергию электрического импульса в механическую). Данная конструкция применяется в большей степени в авиации, для защиты от обледенения небольшой площади поверхности закрылков, носка крыла и других конструкций самолёта. Применение бесконтактного способа в гражданском и промышленном строительстве, с внушительными площадями очищаемой конструкции, более энергозатратна, в отличие от представленной ниже конструкции.
Контактный способ сообщения импульса основан на передаче волны поверхности, через специальный волновод (рис. 7, б), распределяющий волну не в точку, а на площадь, что обеспечивает отсутствие больших контактных напряжений в местах соприкосновения.
Пример контактной ЭИПОС представлен на рис. 7, а [9]. Конструкция содержит размещённый напротив очищаемой поверхности 1 неподвижный кронштейн 2, к которому прикреплён источник 3 механических импульсов. Волновод 4 прикреплён к очищаемой поверхности и соединён своей центральной частью с источником механических импульсов. Волновод выполнен в виде кольца (рис. 7, б) с соединёнными с его центральной частью 5 радиальными участками 6 и ограничивает активную зону 7 очищаемой поверхности.
Устройство работает следующим образом (рис. 7). При включении генератора импульсов (не показан), соединённого с источником 3 механических импульсов, в очищаемой поверхности посредством волновода 4 возбуждаются направленные внутрь активной зоны 7 волны упругой деформации, которые распространяются и за пределы активной зоны 7, обеспечивая интенсивную и эффективную очистку поверхности. Площадь активной зоны при этом составляет не менее 20% всей площади очищаемой поверхности. Интенсивность волн упругой деформации распределяется согласно диаграмме (рис. 8).
Применение ЭИПОС на алюминиевой крыше
Применительно к алюминиевой крыше резервуара ЭИПОС может разрушать «ледяной прослоек» на границе настил-снеговой покров, уменьшая сцепление снегового покрова с поверхностью крыши и обеспечивая сход снега. Благодаря возможности создания периодического воздействия импульсов на поверхность, система способна воспрепятствовать образованию крупных снегообразований на крыше.
Конструкция сферы купольной крыши представляет собой сетчатый каркас из алюминиевых прессованных профилей двутаврового и квадратного исполнения, образованный из треугольных ячеек. Соединение стержней С1, С2 (рис. 10) между собой в узлах осуществляется при помощи узловых накладок и высокопрочных болтов.
Болтовые соединения узлов с наружной стороны купольной крыши закрываются защитным колпаком с герметизирующей прокладкой (рис. 10). Ограждающей конструкцией купольной крыши является её обшивка, состоящая из алюминиевых треугольных панелей толщиной 1,2 мм. Крепление панелей обшивки к балкам каркаса осуществляется в «Замок» прижимными накладками при помощи самонарезающихся винтов.
Опирание и передача нагрузки от купольной крыши на стенку резервуара производится 78 опорными стойками. Соединение стоек купольной крыши с опорными частями - шарнирное, а опорных частей стоек к опорному кольцу - на сварке.
Возможное оснащение конструкции алюминиевой кровли РВСПА-50000 электроимпульсными преобразователями предлагается выполнить на 30% поверхности настила с подветренной стороны резервуара (рис. 11).
В средней линии (рис. 12) ячейки каркаса устанавливается кронштейн в виде уголка, соединение уголка с несущим каркасом, выполненным из двутавра, – клеевое с винтовым зажимом. Уголок будет являться опорой для источника механических колебаний (индуктора - во взрывозащищённом исполнении [10]) и волновода, подведённого к обшивке. Крепление преобразователя во взрывозащищённом исполнении производится к внутренней поверхности кровли. Кабель питания предлагается прокладывать по стенке несущего двутавра каркаса кровли. Время срабатывания системы ориентировочно с 3-6 импульсными разрядками каждые 6-12 часов, в зависимости от метеоусловий. Периодическое включение в работу группы элементов ЭИПОС позволит воздействовать на обшивку, устраняя тем самым находящиеся на ее поверхности ледяной слой и снеговой покров.
Расчет НДС (напряжённо-деформированного состояния) настила и каркаса крыши с использованием данных, полученных в [8], выполнен для упрощённой конечно-элементной модели для радиуса резервуара 17100 мм (рис. 13).
Для приложения граничных условий в соответствии с табл. 2 выбирается максимальный прогиб пластины Aм = 7,5 мм при максимальной энергии электрического импульса W = 300 Дж (при толщине льда δл=0), при данном прогибе и энергии электрического импульса будет происходить гарантированное удаление льда с поверхности пластины толщиной 1,5 мм [8] и табл. 2. Для обеспечения запаса прочности пластины увеличиваем величину максимального прогиба Aм до 10 мм.
Закрепление конструкции производится по 25 балкам квадратного сечения по периферии крыши. Приложение перемещений (амплитудных прогибов пластины) Aм = 10 мм производиться в центре каждого сектора сферической алюминиевой крыши.
Результаты расчёта представлены на рис. 14, 15, 16.
По результатам расчётов можно сделать определённые выводы:
- максимальное значение эквивалентных напряжений в обшивке составляет 1,75 МПа (рис. 15), что в 45 раз меньше допускаемого напряжения сплава обшивки АМг3 - 78 МПа (7,8 кг/мм2);
- максимальное напряжение в металлоконструкциях каркаса купольной алюминиевой крыши (рис. 16) составляет 0,224 МПа, что, соответственно, намного меньше допускаемых напряжений алюминиевых сплавов;
- количество циклов до полного разрушения в обшивке из сплава Амг3, при максимальных напряжениях – 1,75 МПа, составит порядка 23 миллионов циклов нагружения.
Выводы
1. Представлен обзор аварий и инцидентов при эксплуатации алюминиевых купольных крыш в России;
2. Определён механизм скопления осадков на поверхности алюминиевой конструкции крыши;
3. Рассмотрены способы удаления снеговых осадков с алюминиевой поверхности крыши;
4. Предложен электроимпульсный метод удаления снегового покрова с купольных крыш из алюминиевых сплавов;
5. Проведён расчёт напряженно-деформированного состояния конструкции крыши методом конечного элемента, при воздействии электроимпульсного метода удаления снегового покрова.
При данной системы целесообразно разделение площади действия импульсного разряда на отдельные группы секторов алюминиевой конструкции покрытия, для недопущения появления резонансных явлений и совпадения собственной частоты конструкции с частотой внешнего воздействия искусственно создаваемыми импульсами. Последовательное включение импульса на различных секторах конструкции с различными интервалами создаст условия для минимизации вероятности резонансных явлений в конструкции.
Однако следует отметить, что при применении данной системы, особое внимание следует уделить прочности и устойчивости конструкции крыши резервуара, и ее отдельных элементов, а также учесть влияние среды в резервуаре на элементы самой системы и ее работоспособность. Так же при применении ЭИПОС на взрывопожароопасном объекте необходимо наличие разрешающих сертификатов на искробезопасность и взрывозащищенность всей системы и отдельных её элементов в соответствии с ГОСТ 30852.0-2002 «Электрооборудование взрывозащищенное». С учетом вышесказанного, следует провести научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по испытанию данной системы на резервуарных конструкциях.
Список литературы
1. ООО «Глобалтэксинжиниринг» [Электронный ресурс] ] Режим доступа
http://www.rustank.ru/publications/., свободный. Яз. рус.
2. Проект купольной крыши из алюминиевых сплавов резервуара РВСПА-50000 ЗАО «Нефтемонтаждиагностика», 2008 г.
3. СП 20.13330.2011 Актуализированная ред. СНиП 2.01.07-85* "Нагрузки и воздействия".
4. РД-23.020.00-КТН-283-09 «Правила ремонта и реконструкции резервуаров для хранения нефти объёмом 1000-50000 куб. м.
5. Востров В.К, Павлов А.Б. Вопросы расчета экстремальных снеговых нагрузок на купольные покрытия // Промышленное и гражданское строительство. 2005. №7.
6. Ильин Е.Г., Востров В.К. Снеговые нагрузки и конструктивные параметры сферических алюминиевых крыш для вертикальных цилиндрических стальных и железобетонных резервуаров // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2011. №1.
7. ОР-23.020.00-КТН-285-09 Специальный регламент по эксплуатации резервуаров типа РВС (П) в зимний период.
8. Левин И.А. Исследование процессов удаления льда с обшивки летательного аппарата способом импульсного силового воздействия и создание на его основе электроимпульсной противообледенительной системы. Автореферат диссертации на соискание ученой степени ктн. – М: Типография МАИ, 1970.
9. Левин И.А. Способ удаления отложений, преимущественно льда, с очищаемой поверхности обшивки и устройство для его осуществления. Авт. свид. №2096269, 1997.
10. ООО Таурус [Электронный ресурс] Режим доступа http://www.tau-rus.com, свободный. Яз. рус.
