АНАЛИЗ АВАРИЙНОСТИ И ПРИЧИН АВАРИЙ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ

Хранение нефтяных углеводородов осуществляется, в основном, в стальных резервуарах различного объема. При этом средний объем потерь из каждой емкости достигает порядка 2,5т в год. Утечка углеводородов может происходить из-за нарушения целостности резервуаров за счет коррозии днища и стенок, изменения напряженно-деформированного состояния стальных конструкций при развитии по разным причинам неравномерных осадок грунтов основания.

Большая часть ныне действующих емкостей для углеводородного сырья и нефтепродуктов была построена в 1970-е–80-е годы, и уже к началу XXI века не менее 1000 резервуаров вертикальных стальных (РВС) эксплуатировалось 40-50 лет, свыше 3000 РВС имели возраст более 50 лет, значительная часть эксплуатируется за пределами установленного ресурса. За последние года эксплуатации резервуаров наблюдается повышенное число аварий из-за их физического износа (около 70%).

Стальные вертикальные резервуары относятся к категории особо ответственных сооружений, что накладывает особые требования к проведению инженерно – геологических изысканий, качеству проектных, строительных работ и регламенту дальнейшей эксплуатации резервуаров.

По анализу эксплуатационной статистики можно сделать вывод о том, что большинство аварий влекут за собой потери нефтепродуктов, отравление территорий и развитие заболеваний у людей. В ряде случаев наблюдается превышение материального ущерба, по сравнению с первичными затратами на сооружение резервуаров. Следовательно, вопрос обеспечения надежности резервуарных конструкций остается открытым.

Проведенный анализ статистических данных трех последних десятилетий указывает на наиболее частые причины возникновения аварий: хрупкое разрушение (63,1%) а также пожары и взрывы (12,4%). Из заявленной статистики практическим интересом исследования встаёт вопрос тщательного изучения причин возникновения, последствий и мероприятий по предотвращению таких аварий.

Для конструктивных частей резервуара (окрайка, стенка, днище) характерно сложное напряженно-деформированное состояние (НДС), определяемое многообразием внутренних и внешних силовых факторов: циклическое воздействие давления жидкости, вакуум, избыточное давление, ветровая и снеговая нагрузка, неравномерные осадки основания, температурное воздействие и возможные сейсмические воздействия.

Влиянию грунтового основания резервуара на перемещения указанных конструктивных частей резервуара и формирование их НДС посвящено значительное число исследований как отечественных, так и зарубежных авторов. Однако ряд проблем остаются недостаточно изученными и требуют дополнительных исследований. В частности, не изучена динамика развития осадки основания резервуара при сложных инженерно-геологических условиях с учетом реологических процессов в его грунтовом основании; отсутствуют адекватные расчетные схемы, описывающие работу стенок и днища резервуара с учетом значительных удлинений днища, характерных при наличии слабых грунтов; недостаточно выявлены связи характеристик грунтов, слагающих естественное основание резервуара, с механизмом формирования НДС его конструктивных частей.

Отличительной особенностью современного резервуаростроения является тенденция расширения объема резервуарных парков путем увеличения вместимости каждого вновь строящегося резервуара, предназначенного для хранения сырой нефти или нефтепродуктов. Это объясняется, прежде всего технико-экономическими выгодами при строительстве и эксплуатации крупных резервуарных конструкций и экономией площади застройки резервуарных парков.

Пропорционально росту вместимости резервуаров увеличиваются их габаритные размеры, что приводит к повышенной «парусности» конструкций и требует дополнительной проверки их прочности и устойчивости от воздействия ветровой нагрузки. Значимость отмеченных проблем существенно возрастает, когда в грунтовом основании резервуара залегает область неоднородности со сниженными силовыми и деформационными характеристиками. В этом случае наблюдается приводящая к увеличению уровня НДС резервуара неравномерная осадка, которую невозможно учесть и тем более прогнозировать существующими методами. Следует отметить, что в связи с увеличением вместимости резервуаров и за рубежом увеличился интерес к проблеме расчета напряженно-деформированного состояния резервуаров, подверженных неравномерным осадкам.

Анализу причин аварийности резервуаров посвящено значительное число работ отечественных и зарубежных авторов. Однако информация о причинах возникновения и последствиях аварий противоречива и немногочисленна. Это объясняется тем, что до недавнего времени все случаи аварий и свойства оснований относились к закрытой информации. Кроме того, фирмы-владельцы разрушенных резервуаров, как у нас в стране, так и за рубежом, не заинтересованы в распространении достоверной информации об истинных причинах аварий, и нередко фальсифицируют результаты.

Детальный анализ результатов комплексных обследований РВС и материалов свидетельствует о том, что наиболее часто предаварийные либо аварийные ситуации возникают в самом опасном и перегруженном участке – уторном соединении стенки с днищем. Последнее объясняется тем, что в зоне уторного соединения имеет место сложно – напряженное состояние, обусловленное наличием как кольцевых растягивающих усилий, так и меридиональных напряжений изгиба от краевых моментов.

С увеличением геометрических размеров резервуара уменьшается жесткость конструкции, т.е. увеличивается «податливость» отдельных его конструктивных элементов. Следует заметить, что при сооружении резервуаров большой вместимости используются высокопрочные стали. В этих условиях толщина стенки резервуара, определенная по гидростатическому давлению жидкости, настолько мала, что потребовалось ввести дополнительные показатели, отражающие локальную устойчивость стенки на вертикальную нагрузку, вакуум и избыточное давление. В общем случае расчет стенки выполняется с учетом вертикальной осевой (продольной) и горизонтальной (поперечной) нагрузок.

К аварийным ситуациям при хранении н/продуктов нередко приводит осадка основания РВС. Осадка основания в основном происходит не равномерно, наибольшего значения она достигает около стенок и наименьшего – в центре. В результате местного повреждения окраек основания в корпусе и днище резервуара развиваются значительные напряжения, которые могут привести к изменению формы цилиндрической оболочки с образованием выпучин и вмятин.

На основании опыта эксплуатации стальных резервуаров вертикального типа, в особенности резервуаров большой вместимости, незамедлительно, вслед за гидравлическими испытаниями происходит неравномерная осадка между стенкой и его центральной частью в связи с возникновением разности давлений на основание от массы стенки и гидростатической нагрузки. Возникающее давление под стенкой сосуда может колебаться в интервале 0,9-1,5 МПа, в средней части не более 0,1-0,2 МПа. Практика эксплуатации резервуаров показывает, что разность осадки периферийной и центральной части может достигать 0,6-0,8 м.

Деформация грунта, вызывающая осадку основания резервуара, становится неизбежной при эксплуатации сосудов. В результате возникающего давления на грунт происходит его сжатие и появляется осадка основания, обусловленная массой конструкции резервуара и наличием в нём жидкости.

Эксплуатационные и организационные мероприятия по повышению безотказной работоспособности резервуаров сводятся к соблюдению регламента работ по заполнению и опорожнению н/продуктов, обновлению антикоррозионных покрытий и проведению текущих освидетельствований с установлением их фактического качества. Надлежащие условия эксплуатации, регулярное квалифицированное обследование резервуаров, выполнение регламентных мероприятий могут значительно повысить ресурс РВС. Техническое освидетельствование резервуаров включает в себя регулярный внешний осмотр, проведение диагностических мероприятий и прогнозирование на основании данных обследования остаточного ресурса РВС.