COMPARISON OF OPTIONS FOR CALCULATING OF LOW PRESSURE POLYETHYLENE RECTANGULAR TANKS WITH STEEL TANKS OF IDENTICAL SIZE

Full Text

В настоящее время становится все более актуальным применение резервуаров из термопластов для различных технологических процессов вместо стальных или железобетонных резервуаров. Использование резервуаров из термопластических материалов для систем очистки сточных вод обусловливается тем, что они имеют ряд преимуществ, по отношению к металлическим резервуарам, связанных с агрессивной средой использования рассматриваемых сооружений [1]. Коррозия стальных резервуаров оказывает большое влияние на надежность работы данных сооружений и период эксплуатации [2-4]. Конструктивное решение прямоугольных резервуаров заключается в том, что обечайка резервуара выполняется из термопластичного материала, которая подвергается воздействию среды жидкости, при этом обечайка помещается в стальной каркас, который воспринимает всю нагрузку от гидростатического давления жидкости, находящейся в резервуаре, и при этом не контактирует с агрессивной средой. В настоящее время существуют программные комплексы (TANK DESIGNER и др.) по расчету резервуаров из полиэтилена низкого давления (далее - ПНД), ориентированных на расчет конструкций резервуаров, чаша которых выполнена не из металла, а усиление ее осуществляется металлическими конструкциями. В рамках исследования возможности применения программного комплекса SCAD Offi ce [5] для расчета данного вида сооружений был произведен ручной и тестовый расчет прямоугольного резервуара из ПНД со стальным усилением [6, 7]. Статический расчет компьютерных моделей прямоугольного резервуара из ПНД со стальными усилениями в SCAD позволяет наглядно отразить характер напряженнодеформированного состояния сооружения и выполнить наиболее рациональное усиление металлическими элементами [8]. Результаты тестового расчета показали, что использование программного комплекса SCAD Offi ce возможно при задании правильных жесткостных характеристик материала чаши. Целью исследования является обоснование возможности расчета и анализ напряженно-деформированного состояния прямоугольных резервуаров из ПНД со стальными усилениями в программном комплексе SCAD Offi ce, а также технико-экономическое сравнение и выявление преимуществ при использовании рассматриваемых сооружений взамен сталь- DOI: 1017673/Vestnik.2017.01.6 37 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 1 А.В. Шайхисламов, А.В. Балобанов, И.А. Порываев ных резервуаров со стальными усилениями идентичных размеров и объема. Для сравнительного анализа и выяснения не только технического преимущества применения прямоугольных резервуаров из термопластов данного объема, но и экономической выгоды был проведен расчет прямоугольного резервуара из полиэтилена низкого давления со стальными усилениями объемом 100 м3 для реального объекта, на котором эксплуатируются стальные резервуары идентичного объема. При расчете использованы исходные данные по жесткостными характеристикам в соответствии с тестовым расчетом, габаритные размеры резервуаров взяты такие же, как стальные резервуары на реальном объекте - 12,5х3,5х2,5 м. Толщина стенки обечайки резервуара была подобрана исходя из металлоемкости усиления и требований нормативных документов. Минимально допустимая толщина стенки обечайки определена по следующим формулам [9, 10]: , мм, (1) , м. (2) где - гидростатическое давление на элемент плоской стенки шириной bn; σzul - допускаемое напряжение на изгиб для материала, который находится в зависимости от предела текучести при расчетной температуре работы резервуара, от запаса прочности, вида сварки, коэффициентов, зависящих от воздействия среды [2]; Ec - модуль упругости, который рассчитывается по графику зависимости от температуры, при которой работает материал стенки резервуара, и от допускаемого напряжения на изгиб σzul [10]. В связи с тем, что в Российской Федерации не существует нормативных документов по прямоугольным резервуарам из термопластов со стальным усилением, резервуар в программе SCAD рассчитывается на прогиб стенки обечайки, который, согласно немецкому стандарту [10], должен быть не более половины толщины стенки обечайки: f < 0,5 ⋅ S. (3) Для выбора наиболее экономически выгодной толщины стенки обечайки и усиления стальными конструкциями были проведены сравнительные расчеты резервуара с разными толщинами стенки и вариантами усиления. Согласно этому при каждой толщине стенки обечайки изменяется объем усиливающих металлоконструкций. Эта зависимость отражена на графике (рис. 1). Толщина стенки к расчету принята 8 мм, экономически наиболее выгодная и конструктивно обоснованная по результатам ручного расчета, по которому минимальная толщина для рассматриваемого в расчете резервуара составляет 8 мм. Экономическая выгода при применении прямоугольного резервуара из ПНД со стальными усилениями с толщиной стенки обечайки 8 мм и массе металлоконструкций усиления резервуара 7,038 т заключается в том, что стоимость листового ПНД (табл. 1) очень высока и оказывает более значительное влияние на всю стоимость даннго сооружения. Разница в массе чаши при толщине стенки 8 и 14 мм при данной стоимости листового ПНД больше, чем экономическая разница при массе металлоконструкций 7,038 и 5,485 т (см. рис. 1) и стоимости металлоконструкций (см. табл. 1). По результатам расчета - расчетная модель прямоугольного резервуара из ПНД со стальными усилениями приведена на рис. 2 - выполнены усиления из профилей металлопроката: горизонтальные и вертикальные усиления: квадратные трубы по ГОСТ Рис. 1. График зависимости массы металлоконструкций усиления резервуара от толщины стенки чаши (разработано автором) Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 1 38 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Рис. 2. Расчетная схема с расположением усилений Таблица 1 Технико-экономические показатели резервуаров из ПНД и стали со стальными усилениями Показатель Резервуар 1 Резервуар 2 Площадь чаши без дна, м2 105 105 Площадь металлических усилений, м2 206,2 42 Длина горизонтальных, вертикальных ребер; поперечных тяжей, м 139,8; 219,6; 26,4 60;42;10 Масса чаши без дна, т 0,815 6,591 Масса горизонтальных, вертикальных; поперечных тяжей, кг 6784 534; 676,2; 123 Масса всего резервуара, т 7,599 7,924 Стоимость листового ПНД [11]: - руб./т - всего 128000,00 104320,00 -- Стоимость листового черного металла [ 12], - руб./т - всего 30500,00 201025,50 Стоимость прокатного черного металла1[12]: - руб./т - всего 36000,00 244224,00 29000,00/47000 50834,40 Стоимость антикоррозионного покрытия (наружное)2, руб./м2 14670,5 8769,80 Стоимость антикоррозионного покрытия (внутреннее)3, руб./м2 - 43316,40 Общая стоимость, руб. 363214,5 303946,10 1 Для резервуара 1 - квадратные трубы; для резервуара 2 - уголок, швеллер/двутавр. 2 Наружное антикоррозионное покрытие включает в себя очистку, обезжиривание, покрытие грунтовкой, покрытие лакокрасочной эмалью. В таблице учтены затраты на производство работ и материал. Рассчитано по территориальному сборнику сметных цен (далее - ТССЦ) c применением переводного коэффициента. 3 Внутреннее антикоррозионное покрытие включает в себя очистку, обезжиривание, покрытие грунтовкой, покрытие специальным лаком. В таблице учтены затраты на производство работ и материал. Рассчитано по ТССЦ с применением переводного коэффициента. 8639-82 100х3 и 160х5, 180х5 соответственно. Тяжи по верхней кромке резервуара - квадратные трубы по ГОСТ 8639-82 50х3. На рис. 3 показана схема деформации усилений от гидростатической нагрузки. Далее приведем технико-экономические данные по рассчитанному резервуару из ПНД со стальными усилениями (резервуар 1) и стального резервуара со стальными усилениями (резервуар 2), рассчитанными в программном комплексе SCAD, который применен на реальном объекте. Резервуары 1 и 2 - с одинаковыми размерами и объемом. Рассчитаем экономический эффект от применения резервуара из ПНД со стальными усилениями вместо стального резервуара со стальными усиле- 39 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 1 А.В. Шайхисламов, А.В. Балобанов, И.А. Порываев ниями с учетом износа до первого капитального ремонта. Капитальным ремонтом предусматривается обработка внутренней поверхности стального резервуара антикоррозионным покрытием. По данным производителя [13], срок службы покрытия составляет 10 лет. По данным производителя прямоугольных резервуаров из ПНД со стальным усилением, срок службы чаши составляет не менее 25 лет. На основе вышеизложенного авторы предлагают следующую формулу для подсчета экономического эффекта от применения: Эп = (Ст2 + Сткр б) - СТ1 , (4) где Ст2 - стоимость резервуара 2, принимаемая по табл. 1, руб.; Ст2 -стоимость резервуара 1, принимаемая по табл.1, руб.; Сткр б - будущая стоимость капитального ремонта резервуара 2, рассчитываемая по формуле Сткр б = (1 + R)n ⋅ Сткр н, (5) здесь n - год эксплуатации; R - ставка дисконта, учитывающая инфляцию (по данным Федеральной службы государственной статистики), R=7 %; Сткр н - стоимость капитального ремонта резервуара 2, принимаемая по табл. 1, руб. Экономический эффект от применения составит: Эп = (303946,1 + (1+0,07)10 ⋅ 43316,4) - 363214,5 = = 25941,52 руб. Выводы. Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что технико-экономически целесообразно применение прямоугольных резервуаров из полиэтилена низкого давления со стальными усилениями для целей использования в системах очистки сточных вод. Выполненное технико-экономическое сравнение показывает актуальность данного решения, на основе этого можно рассчитывать резервуары других размеров, зная, что целесообразность их применения доказана на примере приведенного расчета. Для осуществления расчета экономического эффекта от предлагаемого применения предложена расчетная формула для данного конкретного случая. Она учитывает будущую стоимость капитального ремонта стального резервуара со стальными усилениями с учетом ставки дисконта, при этом основываясь на текущую стоимость капитального ремонта. Основным фактором применения данного сооружения в системах очистки сточных вод является агрессивность среды, в которой ПНД имеет безусловное преимущество перед металлическими конструкциями. В целом за период получен экономический эффект в размере 25941,52 руб., что является подтверждением экономической целесообразности применения резервуаров из ПНД со стальными усилениями. Таким образом, техническая целесообразность подтверждена расчетом экономического эффекта, поэтому, учитывая принцип аддитивности эффектов, можно утверждать о действительной практической необходимости и актуальности применения данного вида сооружения.

About the authors

Andrey V. SHAYKHISLAMOV

Ufa State Petroleum Technological University

Author for correspondence.
Email: vestniksgasu@yandex.ru

Alexander V. BALOBANOV

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Ilya A. PORYVAEV

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files