В.Г. Шухов и современное резервуаростроение
«Колоссальный рост нашей нефтяной и химической промышленности, а также коммунального хозяйства ставит в настоящий момент проблемы резервуаростроения весьма остро». Этими словами, написанными в 1932 г. почетным академиком Академии наук СССР В.Г. Шуховым, можно начинать вступительную часть любого труда, монографии, статьи в области резервуаростроения. Они являются актуальными и на сегодняшний день.
Официальной датой начала возникновения отечественной нефтяной и газовой промышленности считается 1864 год. В то время наиболее крупными нефтяными районами были Баку, Грозный, Майкоп и др. Богатые нефтяные месторождения привлекали внимание многих отечественных и зарубежных предпринимателей. Среди них был американский инженер А.В. Бари, который в 1878 г. приехал в Россию и в Петербурге основал техническую контору, куда главным инженером пригласил 24-летнего В.Г. Шухова.
В том же 1878 г. В.Г. Шухов как представитель конторы переехал в Баку и занялся проектированием техники для добычи, транспортировки и хранения нефтепродуктов.
До шуховского периода нефть хранили в огромных открытых ямах, стенки и дно которых для предотвращения утечки покрывали глиной. Эта глиняная изоляция была ненадежной и огромное количество нефти просачивалось в землю и терялось безвозвратно. К тому же самая ценная составляющая нефти испарялась.
В развитых капиталистических странах нефтепродукты хранили в металлических сосудах, представляющих собой прямоугольный короб, обшитый плоскими металлическими листами. Такую коробку собирали из плоских невальцованных листов, для обеспечения прочности под воздействием гидростатического давления в ней требовалась установка многочисленных элементов жесткости.
В.Г. Шухов, проанализировав существовавшее положение, за короткий срок решил ряд задач по коренной перестройке нефтяного производства. По его предложению стали осуществлять добычу нефти с помощью сжатого воздуха, хранение нефти в железных металлических вертикальных резервуарах, перекачку нефтепродуктов с подогревом, транспортировку по трубам или в железных нефтяных баржах.
В.Г. Шухов впервые в мире запроектировал и соорудил стальной клепаный вертикальный цилиндрический резервуар (ВЦР) для хранения керосина. С 1878 г. стальные ВЦР получили широкое распространение в нашей стране и за рубежом. Блестящая идея В.Г. Шухова о целесообразности хранения нефтепродуктов не в коробах, а в цилиндрических вертикальных резервуарах и строгое теоретическое обоснование эффективности этого метода открыло дорогу современному резервуаростроению.
В 1880 г. техническая контора Бари перевелась из Петербурга в Москву. В.Г. Шухов как главный инженер фирмы создает проектно-конструкторское бюро и разрабатывает оригинальные проекты ВЦР для хранения нефтепродуктов. Обнаруженные в настоящее время новые архивные материалы о начале деятельности В.Г. Шухова раскрывают его позицию в этой области. В частности, имеются фотографии процесса строительства десяти низких стальных резервуаров общим объемом 1600 тыс.пудов на базе в Константиновке (рис. 1). Они построены в 1881 г. для хранения нефти взамен земляных ям амбаров.
Рис. 1. Строительство резервуарного парка на Волге
В период 1880-1905 гг. под руководством В.Г. Шухова было построено около 3000 стальных вертикальных цилиндрических резервуаров общей емкостью 160 миллионов пудов (1 пуд = 0,016 т) для хранения керосина, нефтепродуктов, нефтяных остатков, воды, масел, спирта, пшеницы, цемента и т.д.
Разработаны проекты и введены в эксплуатацию цилиндрические мерники, сортировочные чаны, оригинальные весы системы инженера Шухова для взвешивания нефтяных остатков до 200 пудов, прямоугольные резервуары для горячей и холодной воды, горизонтальные цилиндрические резервуары для кислоты емкостью до 1000 пудов, стальные наливные баржи для перевозки керосина общей емкостью 6 802 500 пудов и т.д.
В.Г. Шухов при решении проблемы резервуаростроения с самого начала базировался на трех основных критериях: экономии металла как проектировочного начала, наименьшей трудоемкости как технологического начала и скоростного монтажа как производственного начала. Эти три критерия были основными во всей его инженерной деятельности и в последующем стали основой принципов отечественной конструкторской школы в области проектирования, изготовления и монтажа металлических сооружений.
Благодаря всестороннему анализу вертикальный цилиндрический резервуар со дня его создания получил достаточно надежное теоретическое обоснование. В основу был положен строго научный метод расчета, разработанный Шуховым и опубликованный в 1883 г. в журналах. В.Г. Шухов особое значение придавал выяснению соотношения геометрических размеров цилиндрического вертикального резервуара, при котором расход металлов был бы наименьшим.
Шуховская теория расчета и конструирования стальных вертикальных цилиндрических резервуаров, соотношение геометрических размеров и основные выводы сохраняют свою ценность и в настоящее время, являясь классическими, используются повсеместно в учебниках, справочниках и др.
Особое внимание В.Г. Шухов обращал на устройство фундамента под ВЦР, требовал тщательного выравнивания и трамбовки грунта, «ибо неравномерная осадка резервуара весьма болезненно отражается на прочности резервуара».
В 1880 г. В.Г. Шухов для маленьких объемов, например V = 10 000 пудов, рекомендует посадить резервуар на балластовый песчаный слой толщиной 1 фут (?30,48см), а резервуары объемом V = 75 000 пудов и более — на песчаную подушку, имеющую на поверхности асфальтовый (гидрофобный) слой, внутри дренажную систему и окаймленную кольцом (рис. 2).
Рис. 2. Резервуар емкостью в 75 ООО пудов, предложенный Шуховым в 80-ые годы XIX
В предложенном варианте резервуар садится на упругое основание, а кольцо препятствует выбиванию песка из-под резервуара в процессе эксплуатации. Такой тип фундамента в настоящее время в СССР практически не используется, тогда как многие страны успешно применяют предложенный В.Г. Шуховым вариант столетней давности. Примером может служить строительство фундамента шести резервуаров вместимостью 50 000 м3 в Новополоцке, смонтированных польскими монтажниками.
В СССР под стенки ВЦР объемом 10 000 м3 и более устраиваются ленточные фундаменты, состоящие из отдельных железобетонных плит, эксплуатация которых, особенно в северных районах, показала, что переувлажнение грунта, его оттаивание в основании резервуара влечет за собой частичную потерю несущей способности грунта и осадки в зоне прилегания к периметру резервуара, выталкивание в горизонтальном направлении железобетонных плит из-под стенки резервуара и др.
Благодаря усилиям В.Г. Шухова молодая нефтяная промышленность России за короткое время была технически оснащена новыми передовыми нефтяными сооружениями (резервуарами, трубопроводами, насосными нефтяными вышками и другими), что способствовало ускорению добычи нефти, ее переработке и лучшему сохранению.
Добыча нефти в России к 1913 г. достигла уровня 10 млн.т в год. В то время такая величина считалась крупным показателем добычи и Россия являлась одной из крупных нефтяных держав.
По оценочным расчетам в стране в это время был резервуарный парк в общей сложности примерно на 4 млн м3. Для сооружения такого количества резервуаров необходимо более 100 тыс.? стали и страна должна была иметь заводы-изготовители соответствующей мощности и необходимые кадры.
Крупным наследием В.Г. Шухова являются многие сотни клепаных резервуаров, построенных начиная с последней четверти XIX до 30-х годов XX века, которые прослужили 70-100 лет и еще в настоящее время находятся в рабочем состоянии.
Выполненные обследования действительного Состояния этих резервуаров в Баку, Астрахани, Куйбышеве, Ярославле, Грозном и других нефтебазах показали высокое качество их изготовления и монтажа, обеспечивших надежную работоспособность конструкций.
Многие резервуары объемом 10 тыс. м3, построенные в 70-е годы методом рулонирования, уже через десять лет были остановлены на капитальный ремонт.
В.Г. Шухов как выдающийся ученый своевременно оценил достоинства сварки и одним из первых применил ее для изготовления сначала небольших, а впоследствии и относительно больших объемов резервуаров, собираемых полистовым методом.
Сооружение сварных резервуаров полистовым методом сборки стенки и днища представляет собой второй период отечественного резервуаростроения, охватывающий тридцатые годы, военные и послевоенные годы до начала 50-х годов. Этим методом были сооружены стальные резервуары емкостью до 10 тыс. м3 включительно, газгольдеры до 32 тыс. м3, эксплуатируемые до настоящего времени.
В период Великой Отечественной войны сварка получила широкое распространение, а к концу сороковых и началу пятидесятых годов с возникновением рулонного метода практически полностью вытеснила строительство клепаных резервуаров.
К числу многочисленных заслуг В.Г.Шухова, отмеченных на научной сессии, посвященной 120-летию со дня его рождения, относится создание им конструкторского бюро, которым он бессменно руководил в течение 50 лет (бывшая контора Бари, затем «Парострой»), на базе которой возник Центральный научно-исследовательский институт строительных металлоконструкций (ЦНИИПроектстальконструкция), коллектив которого осуществляет проектирование всех типов металлических резервуаров.
Номенклатура проектируемых резервуаров соответствует современным требованиям промышленности и может быть конкурентоспособной, если удовлетворять всем требованиям технических условий как при изготовлении, транспортировке, так и при монтаже резервуаров.