background image

X L V I I I     K O N F E R E N C J A    N AU K O W A  

KOMITETU  INŻ YNIERII  LĄ DOWEJ  I  WODNEJ  PAN 

I  KOMITETU  NAUKI  PZITB 

Opole – Krynica

 

2002

 

 
 
 
 
 
 
Jerzy ZIÓ Ł KO

1

  

Ewa SUPERNAK

2

  

Tomasz MIKULSKI

3

  

 
 
 

ANALIZA STATECZNOŚ CI WEWNĘ TRZNEJ POWŁOKI 

WALCOWEGO PIONOWEGO ZBIORNIKA 

DWUPŁASZCZOWEGO W WARUNKACH PRÓ BY WODNEJ 

 
 

1.  Wstę p 

 

Stalowe  zbiorniki  walcowe  o  dwóch  koncentrycznie  usytuowanych  płaszczach,  zwane 
dwupłaszczowymi, wykonywane są  w Polsce dopiero od kilku lat. Ideą  tego rozwią zania jest 
stworzenie  pojemności  awaryjnej  (płaszcz  zewnę trzny)  wokół  zasadniczego  zbiornika 
magazynowego, którym jest płaszcz wewnę trzny [1]. Jest to nowa koncepcja zabezpieczenia 
gruntu  i  wód  gruntowych  przed  zanieczyszczeniem  produktami  naftowymi  wyciekają cymi 
awaryjnie  ze  zbiornika.  Dotychczas  zbiorniki  stalowe  na  produkty  naftowe  umieszczano  w 
obwałowaniach  ziemnych,  które  spełniały  skutecznie  swoje  zadanie  tylko  wówczas,  gdy 
powierzchnia  pozioma  wewną trz  wałów  oraz  skarpy  wałów  miały  wbudowaną  
geomembranę   lub  były  wybetonowane  płytą   z  betonu  szczelnego.  Oba  te  rozwią zania  są  
drogie, a ponadto obwałowanie wymaga duż ej powierzchni terenu. 
Zbiorniki  dwupłaszczowe  mają   wspólne  dno,  płaszcze  oddalone  są   od  siebie  o  2,0

¸

3,0  m  

i  mają   identyczną   pojemność,  stą d  wysokość  płaszcza  zewnę trznego  jest  mniejsza. 
Zadaszony jest tylko zbiornik wewnę trzny. 
Schemat zbiornika dwupłaszczowego o pojemności 10.000 m

3

 pokazano na rys.1 

 

2.  Próba wodna 

 
Każ dy  zbiornik  walcowy  na  produkty  naftowe  przed  włączeniem  go  do  eksploatacji 
przechodzi  próbę   wodną   polegają cą   na  wypełnieniu  go  wodą   do  maksymalnej  pojemności 
uż ytkowej.  Celem  tej  próby  jest  sprawdzenie  wytrzymałości  zbiornika  przy  przecią ż eniu 
wynikają cym z róż nicy cię ż arów obję tościowych wody i produktu naftowego. Gdy zbiornik 
przewidziany  jest  do  magazynowania  benzyny  przecią ż enie  wynosić  bę dzie  ponad  20%,  
a jeż eli ropy naftowej wówczas przecią ż enie bę dzie zmniejszone do około 10%. 
                                                           

1

  Prof. dr hab. inż ., Wydział Inż ynierii Lą dowej Politechniki Gdańskiej 

2

  Mgr inż ., Wydział Inż ynierii Lą dowej Politechniki Gdańskiej 

3

  Dr inż ., Wydział Inż ynierii Lą dowej Politechniki Gdańskiej 

background image

 

264 

 

D

płaszcz wewnę trzny 

płaszcz zewnę trzny 

stę ż enie 
wiatrowe 

 

Rys. 1. Schemat zbiornika dwupłaszczowego o pojemności 10.000 m

3

  

(wypełnienie wodą  po próbie wodnej jest nieprawidłowe) 

 
W przypadku zbiornika dwupłaszczowego próbę  wodną  przeprowadza się  w dwóch etapach 
w  celu  sprawdzenia  dwóch  stanów  obcią ż enia,  które  mogą   powstać  podczas  uż ytkowania 
zbiornika : 

· 

stan  eksploatacyjny  –  napełniony  jest  płaszcz  wewnę trzny  do  maksymalnej 
pojemności, 

· 

stan  awaryjny  –  woda  z  płaszcza  wewnę trznego  zostaje  przelana  do  płaszcza 
zewnę trznego. 

W przypadku stanu eksploatacyjnego wystę puje ekstremalne wytę ż enie materiału w płaszczu 
wewnę trznym,  natomiast  w  stanie  awaryjnym  płaszcz  wewnę trzny  jest  nieobcią ż ony,  
a  maksymalnie  wytę ż ony  jest  materiał  płaszcza  zewnę trznego.  W  obu  wymienionych 
przypadkach płaszcz, który przenosi parcie hydrostatyczne jest rozcią gany. 
Po zakończeniu próby wodnej w trakcie wypompowywania wody należ y zwrócić szczególną  
uwagę   na  to  aby  nie  dopuścić  do  wystą pienia  niż szego  poziomu  wody  w  zbiorniku 
wewnę trznym  niż   w  przestrzeni  miedzypłaszczowej.  W  takim  przypadku  wewnę trzny 
płaszcz  zbiornika  bę dzie  ściskany  niezrównoważ onym  ciśnieniem.  Moż e  to  spowodować 
utratę  stateczności tej powłoki. Taki przypadek miał miejsce w jednej z baz paliwowych na 
terenie  Polski  (rys.2).  Przeprowadzono  zatem  analizę   stateczności  wewnę trznej  powłoki 
zbiornika  przy  róż nych  stanach  napełnienia  przestrzeni  mię dzypłaszczowej  i  zbiornika 
wewnę trznego. 
 

background image

 

265 

 

 

Rys.  2.  Utrata  stateczności  płaszcza  wewnę trznego  zbiornika  o  pojemności  
V=10.000  m

3

  (wymiary  jak  na  rys.  1).  Deformacje  płaszcza  widoczne  nad  

              lustrem wody wypełniają cej zbiornik do poziomu około 5,0 m 

 

3.  Analiza stateczności 

 
Klasyczne zagadnienie analizy stateczności konstrukcji przedstawia równanie (1)  

 

                            

(

)

0

=

+

i

G

i

D

K

K

l

                                                       (1) 

 

gdzie  K  jest  globalną   macierzą   sztywności  układu,  K

G

  –  globalną   macierzą   geometryczną  

zależ ną  od geometrii układu i zadanego obcią ż enia, 

l

i

 jest wartością  własną , a D

i

 globalnym 

wektorem własnym odpowiadają cym wartości własnej 

l

i

 i opisują cym postać wyboczenia. 

 W  praktyce  inż ynierskiej  najważ niejsza  jest  pierwsza,  podstawowa  wartość  własna  
i  odpowiadają ca  jej  postać  wyboczenia.  Tę   wartość  własną   w  dalszej  czę ści  artykułu 
oznaczać bę dziemy symbolem 

l

 z pominię ciem dolnego indeksu. 

Wartość  własna 

l

  jest  nazywana  globalnym  mnoż nikiem  wyznaczają cym  obcią ż enie 

krytyczne p

kr

 określone równaniem (2). 

 

background image

 

266 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

 0.2281

 0.4328

 0.8443

 1.669

 0.4641

 0.5648

 0.7347

 0.9198

 1.072

 1.304

0.9765

 1.046

 1.13

 1.28

Poziom wody w przestrzeni

mię dzypłaszczowej

H=15,25 m
H=10,00 m
H=7,00 m
H=5,00 m

 0.2166

 0.2607

0.4387

 0.814

 1.067

 1.574

 OBSZAR  STATECZNOŚ CI
PŁASZCZA WEWNĘ TRZNEGO

   odpowiadają ca
     postać  utraty
 stateczności –  rys.7

   odpowiadają ca
     postać  utraty
 stateczności –  rys.6

   odpowiadają ca
     postać  utraty
 stateczności –  rys.4

   odpowiadają ca
     postać  utraty
 stateczności –  rys.5

 OBSZAR  NIESTATECZNOŚ CI
PŁASZCZA WEWNĘ TRZNEGO

 

H

Δ h

  

p

p

λ

kr

=

 0.09081

 

 

Rys. 3. Wykres zmian wartości mnoż nika stateczności 

l

 w zależ ności od wzglę dnej róż nicy 

poziomu wody 

D

h/H (patrz rys.1) z uwzglę dnieniem róż nych wariantów poziomu wody  

w przestrzeni mię dzypłaszczowej H 

 
 
 

background image

 

267 

                              

p

p

kr

×

=

l

                                                             (2) 

 
gdzie p oznacza zadane obcią ż enie. 
Zatem jeż eli wartość globalnego mnoż nika obcią ż enia krytycznego jest mniejsza od jedności 
to  równowaga  przy  zadanym  w  analizie  obcią ż eniu  p  jest  niemoż liwa  –  nastą pi  utrata 
stateczności przy obcią ż eniu określonym równaniem (2). 
Analizowany  zbiornik  ma  wymiary  jak  na  rys.  1.  Płaszcz  zbiornika  wewnę trznego 
zaprojektowano z jedenastu pierścieni blach o grubościach 14, 14, 12, 12, 12, 12, 10, 10, 10, 
10, 8 mm liczą c od dna. Dziesię ć dolnych pierścieni ma wysokość po 2000 mm, a pierścień 
najwyż szy ok. 1160 mm. 
Przeprowadzono  analizę   stateczności  wewnę trznego  płaszcza  zbiornika  wykorzystują c 
program MSC Nastran for Windows [2]. Jako obcią ż enie przyję to niezrównoważ one parcie 
wody ściskają ce płaszcz wewnę trzny wynikają ce z róż nicy poziomu wypełnienia przestrzeni 
miedzypłaszczowej i zbiornika wewnę trznego (rys. 1). 
Analizowany  zbiornik  został wymodelowany  elementami  powłokowymi  typu  CQUAD4 
(program  MSC  Nastran  for  Windows  [2]),  liczba  elementów  –  30.240,  liczba  wę złów  – 
30.600. 
 
 
 
 

 

 
 

Rys. 4. Postać utraty stateczności wewnę trznego płaszcza przy poziomie wody  
w przestrzeni mię dzypłaszczowej H=15,25m , róż nica poziomu wody 

D

h=0,5m 

(mnoż nik obcią ż enia krytycznego 

l

 = 0.8443 – rys. 3) 

 
 

background image

 

268 

 

 

Rys. 5. Postać utraty stateczności wewnę trznego płaszcza przy poziomie wody  
w przestrzeni mię dzypłaszczowej H = 10,00m, róż nica poziomu wody 

D

h = 1,0m 

(mnoż nik obcią ż enia krytycznego 

l

 = 0.814 – rys. 3) 

 
 

 

 

Rys. 6. Postać utraty stateczności wewnę trznego płaszcza przy poziomie wody  

w przestrzeni mię dzypłaszczowej H = 7,00m , róż nica poziomu wody 

D

h = 1,5m 

(mnoż nik obcią ż enia krytycznego 

l

 = 0.9198 – rys. 3) 

background image

 

269 

 

 

Rys. 7. Postać utraty stateczności wewnę trznego płaszcza przy poziomie wody  

w przestrzeni mię dzypłaszczowej H=5,00m , róż nica poziomu wody 

D

h=5,0 m 

(mnoż nik obcią ż enia krytycznego 

l

 = 0.9765 – rys. 3) 

 

 

4.  Wnioski 

 
Analiza  numeryczna  jak  i  praktyka  inż ynierska  wykazały  bardzo  duż e  niebezpieczeństwo 
zniszczenia płaszcza wewnę trznego w zbiorniku dwupłaszczowym na skutek złej kolejności 
opróż niania  po  próbie  wodnej  zbiornika  wewnę trznego  i  przestrzeni  mię dzypłaszczowej. 
Błąd  w  wypompowywaniu  wody  ze  zbiornika  polegają cy  na  dopuszczeniu  wyż szego 
poziomu  wody  w  przestrzeni  mię dzypłaszczowej  niż   w  zbiorniku  wewnę trznym  powoduje 
powstanie  obcią ż enia  ściskają cego  walcową   powłokę   zbiornika  wewnę trznego.  Utrata 
stateczności płaszcza zbiornika wewnę trznego wystę puje w zależ ności od róż nicy poziomów 
wody  w  przestrzeni  mię dzypłaszczowej  i  w  zbiorniku  wewnę trznym 

D

h  (rys  .1)  oraz  od 

stopnia wypełnienia zbiornika H
Analiza  numeryczna  zbiornika  o  pojemności  10.000  m

3

  (i  wymiarach  jak  na  rys.  1)  to 

jest  zbiornika,  który  uległ awarii  wykazała,  ż e  im  wię ksze  wypełnienie  zbiornika  wodą  
tym  mniejsza  róż nica  jej  poziomów 

D

h  wywołuje  utratę   stateczności  płaszcza 

wewnę trznego. 
Przy  wypełnieniu  wodą   przestrzeni  mię dzypłaszczowej  do  poziomu  H  =  15.25m  płaszcz 
wewnę trzny  traci  stateczność  przy  róż nicy  poziomów 

D

h  wynoszą cej  ok.  0.5m.  Natomiast 

przy  mniejszym  wypełnieniu  wodą   przestrzeni  mię dzypłaszczowej  krytyczna  róż nica 
poziomów wody 

D

h rośnie. Na przykład przy : 

· 

H = 10.0m 

– krytyczna róż nica poziomów wody  

D

h = ok. 1.0m, 

· 

H = 7.0m  

– krytyczna róż nica poziomów wody  

D

h = ok. 1.5m, 

· 

H = 5.0m 

– krytyczna róż nica poziomów wody  

D

h = ok. 5.0m. 

background image

 

270 

Zależ ność pomię dzy globalnym mnoż nikiem 

l

 określają cym obcią ż enie krytyczne a wzglę d-

ną  róż nicą  poziomów wody 

D

h/H bę dzie miała taki sam charakter, chociaż  ilościowo bę dzie 

róż na dla zbiorników dwupłaszczowych o innej pojemności. 
 

Literatura 

 
[1] ZIÓ Ł KO J. ,  Zbiorniki metalowe na ciecze i gazy. Warszawa, Arkady, 1986. 
[2] MSC Nastran for Windows, version 2001, MSC Software Corporation, Los Angeles, US. 
 
 

STABILITY ANALYSIS OF THE INTERNAL SHELL  

OF A DOUBLE-SHELL VERTICAL CYLINDRICAL TANK  

IN HYDROSTATIC TEST 

 

Summary 

 
The  possibility  of  the  internal  shell  stability  loss  in  the  double-shell  vessel  during  the 
inaccurate water pumping out action after commissioning was analysed. A higher level in the 
intershell section than in the inside vessel causes compressing in the internal shell and poses 
threat to its stability. Shell stability analysis of the vessel of capacity 10.000 m

3

 was carried 

out by the software MSC Nastran for Windows. Possibility of the internal shell stability loss 
was indicated.