"Повесть о великом инженере" - читать интересную книгу автора (Арнаутов Леонид Ипполитович, Карпов Яков...)

Секрет дешевого резервуара

Итак, заложены надежные основы теории нефтепроводов. Но Шухов не собирается ставить на этом точку. Если уж полем его инженерной деятельности стала техника нефтяной промышленности, то заниматься ей он будет широко, всесторонне, методично, не упуская ничего существенного.

На очереди - проблема хранения нефти. Шухов хорошо понимает, что массовое использование для этой цели металлических резервуаров станет реальной возможностью не раньше, чем для них будут найдены наиболее простые и технически рациональные конструкции. Железный листовой резервуар не должен иметь себе равных среди других емкостей для хранения нефти по быстроте и дешевизне изготовления.

Мы уже упоминали о том, что в Баку Шухов впервые ввел в обиход цилиндрические нефтяные резервуары. Именно этой формы он будет придерживаться и в дальнейшем. Почему? Элементарная геометрия учит, что из всех плоских фигур равной площади наименьший периметр имеет круг. Из всех плоских фигур равного периметра наибольшая площадь у круга. Зная это, можно прийти к заключению: если задана площадь основания, то наибольшая вместимость и наименьшая металлоемкость будет у цилиндрического резервуара. По меткому замечанию одного из биографов Шухова, Владимир Григорьевич возводит простейшее, всем известное свойство круга в один из руководящих принципов проектирования, превращает его в источник экономии металла.

Шухов не был бы самим собой, если бы ограничился только тем, что наглядно продемонстрировал возможность и выгоды применения цилиндрических резервуаров вместо прямоугольных, хотя уже этим, по существу, предопределил дальнейшее развитие металлического резервуарост-роения. Владимир Григорьевич считает, что должен разработать обоснованный метод расчета цилиндрических резервуаров, такой, который позволил бы уверенно проектировать нефтехранилища разных размеров.

«Обыкновенный тип железного резервуара представляет собой тело цилиндрической формы с плоским днищем, покоящимся на основании, и с конической или также плоской крышей.

Стены резервуара образуются рядом колец, склепанных из листового железа; нижнее кольцо соединяется с днищем с помощью угольника. Верхнее кольцо оканчивается также угольником, который служит опорою для стропил крыши».

Это отрывок из статьи Шухова «Механические сооружения нефтяной промышленности» - его первой, по сути дела, печатной работы, опубликованной еще в 1883 году. Шухов считает совершенно излишним упоминать о своих авторских правах на «обыкновенный тип железного резервуара цилиндрической формы», о том, что такие нефтехранилища были впервые установлены в Баку несколько лет назад именно им. Уже здесь проявляется непритязательность, неизменно присущая Владимиру Григорьевичу на протяжении всей его долгой жизни.

Вот единственная фраза, по которой можно судить, какое значение придает сам Шухов этой работе: «Насколько мне известно, техническая литература почти не затрагивает вопроса о рациональном устройстве железных резервуаров, служащих для хранения жидких тел».

В те времена господствовало убеждение, что резервуар должен покоиться на сплошном массивном фундаменте. Устройство основания было одной из самых дорогих и сложных работ при строительстве железных резервуаров. Неоправданно массивные и дорогие основания металлических нефтехранилищ свидетельствовали о том, что не был создан надежный теоретический фундамент для грамотного инженерного решения задачи строительства резервуаров. Шухов стремится критически пересмотреть ту общепринятую в инженерном деле истину, которая гласит, что резервуары должны покоиться на солидном жестком основании.

А если днище резервуара будет опираться непосредственно на землю - на хорошо подготовленное песчаное основание? Верный ответ на этот вопрос Шухов получает, рассматривая днище резервуара как брус, лежащий на сплошном упругом основании. Точный математический анализ приводит к выводу, поразившему современников смелостью и неожиданностью.

«Наивыгоднейшим основанием конструкции, лежащей на податливой основе,- утверждает Шухов,- будет не жесткий брус, а гибкий лист, закрепленный по краям. Конструкция, лежащая на сплошном упругом основании, например, на песке, будет тем рациональнее построена, чем меньше будет работать на изгиб, то есть чем меньше будет ее момент инерции».

Владимир Григорьевич наглядно поясняет свою мысль. Давайте, говорит он, соединим несколько поплавков в сплошную цепь и опустим ее в воду. Теперь привяжем к одному из поплавков грузило. Мы заметим, что цепь в этом месте прогнется, не оказывая нагрузке никакого сопротивления, если не считать сопротивления упругой среды, то есть воды, на которой плавает цепь. Но если момент инерции такой цепи равен нулю, продолжает Владимир Григорьевич, то и изгибающий момент, независимо от длины цепи, тоже равняется нулю. А ведь такая цепь обладает ничуть не меньшей грузоподъемностью, чем сплошной жесткий понтон, объемом равный сумме объемов поплавков.

Точный математический анализ в сочетании с наглядными сравнениями помог Шухову убедительно доказать: если днище опирается на упругое земляное основание, нет никаких причин опасаться, что деформации грунта вызовут в корпусе резервуара перенапряжения. Эта часть исследования убеждает даже скептиков в ненужности сплошных бутовых фундаментов с жесткой балочной конструкцией днища резервуара. С тех пор основания под металлические резервуары с тонкими гибкими днищами начинают устраивать в виде песчаной подушки, окаймленной легким бетонным кольцом.

По глубокому убеждению Шухова, инженер, проектирующий резервуары, должен добиваться не только их наибольшей прочности. Надо так определить их размеры - диаметр и высоту, чтобы вес резервуара при данном объеме был наименьшим. Необходимо найти формулу расчета прочности этих сооружений, найти выражения для их наивыгоднейшей высоты, исследовать вопрос: что требует меньше металла - один резервуар заданной емкости или группа меньших резервуаров, имеющих в сумме ту же емкость?

Даже столь беглый перечень вопросов, занимающих молодого инженера, дает представление о стиле его мышления. Мы видим, что, решая инженерные задачи, он ни на минуту не забывает об экономической стороне дела. Не просто построить резервуар, а сделать его таким, чтобы он стоил как можно дешевле. Для этого нужно найти единственно правильные, самые выгодные соотношения емкости резервуара, его веса, толщины стенок, высоты и диаметра. Прочность? Она должна быть именно такой, какая требуется в данном случае - не меньшей и не большей. Это и есть тот принцип, который сейчас называли бы оптимальностью решения.

Осторожно, но уверенно Шухов выделяет существенное, отбрасывая частности, которыми можно пренебречь без ущерба для практических нужд, получает систему уравнений - то, что мы назвали бы математической моделью будущего сооружения. А потом вводит поправки на ограниченность сортамента и цены металла, на несовершенство процессов клепки и чеканки швов, неточность сборки и т. д. Так прокладывается путь к конечным выводам, к рекомендациям для будущих проектировщиков.

Поставив задачу определить основные размеры металлического резервуара, чтобы он имел наименьший вес при данном объеме, Шухов спрашивает: что, собственно, происходит с этим цилиндрическим сосудом, когда он заполнен жидкостью? Ясно, что жидкость стремится как бы разорвать стенки резервуара, и они будут испытывать напряжение, пропорциональное диаметру и высоте столба жидкости. Причем наибольшее напряжение придется на нижний пояс, или нижнее кольцо листового материала, из которого склепан резервуар. В более благополучном положении окажется верхнее кольцо: давление на него значительно меньше.

Если в соответствии с этим подбирать толщину листового металла, то в верхнем поясе она окажется совсем незначительной по сравнению с нижним. Но тут на сцену выступает другое требование. Проектировщик имеет право уменьшать толщину материала только до тех пор, пока это не наносит вреда жесткости конструкции. Как бы ни были малы усилия, действующие на верхнее кольцо стенок резервуара, их толщина все же не может уменьшаться в ущерб требованиям жесткости.

– Ну и что? -скажете вы.- Пусть часть металла, израсходованного на сооружение, не сопротивляется, как говорит Шухов, «усилиям налитой жидкости». Однако материал этот все-таки необходим для жесткости конструкции. Какой же прок в этих рассуждениях?

Погодите. В том-то и дело, что, оперируя такими величинами, как вместимость резервуара, его радиус, высота, давление жидкости, прочностное сопротивление металла, толщины верхнего и нижнего колец, Шухов получает ряд уравнений, из которых делает очень важные для практика выводы. Он не только устанавливает, например, что на один резервуар заданной емкости уходит меньше металла, чем на два или несколько малых резервуаров, вмещающих, в общем, столько же жидкости. Шухов подсказывает проектировщику возможность легко найти предел, за которым увеличение размеров резервуара теряет смысл.

Другой вывод, сформулированный Шуховым, гласит: «…резервуар с переменной толщиной стенок имеет наименьший вес при условии, что объем всего железа дна и покрытия равен объему всего железа в стенках, необходимого для восприятия растягивающих усилий в поясах».

Резервуар с постоянной толщиной стенок, утверждает Владимир Григорьевич, имеет наименьший вес, если объем металла дна и покрытия вдвое меньше объема всего металла стенок. И наконец, работа Шухова содержит еще один очень существенный вывод: «Все рационально построенные резервуары, то есть удовлетворяющие условию минимума употребленного на их устройство железа, должны быть одинаковой высоты». А высота эта зависит от толщины стенок и днища, от допускаемого напряжения металла, но не от объема резервуара.

Впечатляет экономический эффект теоретических выводов Шухова. Оказалось, что у резервуаров средней и большой емкости может быть одинаковая высота -примерно 11,4 метра. А раз так, стенки этих хранилищ можно собирать из восьми поясов, образованных листами стандартной ширины.

Трудно переоценить ту роль, которую сыграли найденные Шуховым закономерности в удешевлении и ускорении строительства резервуаров. Благодаря Шухову в русском резервуаростроении начали применять металл толщиной 4 миллиметра, тогда как немцы использовали для этой цели 5-миллиметровые листы, а американцы считали минимально допустимой толщиной 6,35 миллиметра!

Опережая время на десятилетия, Шухов приступает к стандартизации отдельных частей резервуаров. Учитывая быстрорастущий спрос на такие сооружения, особенно в нефтяной промышленности, а также в торговле нефтью и нефтепродуктами, Владимир Григорьевич проектирует типовые лазы, люки и лестницы для резервуаров массового изготовления. Теперь уже нет нужды проектировать и изготовлять такие элементы для отдельных заказчиков в индивидуальном порядке. В проектном бюро под руководством Шухова разрабатываются также стандартные комплекты оборудования резервуаров: шарнирная труба для забора жидкости, предохранительные клапаны, автоматический указатель уровня жидкости и т. д.

Благодаря стандартизации основных размеров и всех деталей резервуаров выдаваемые заказчикам проекты отличались редкой даже и для более поздних времен компактностью, умещаясь всего на четырех-пяти небольших форматках.

Не ограничиваясь проектированием, Владимир Григорьевич смело ломает традиционную практику монтажных работ. Его не может удовлетворить старый порядок организации монтажа, когда артель строителей вела все работы от первого колышка до сдачи готового резервуара. Шухов специализирует отдельные группы строителей по видам работ.

Прогрессивные методы резервуаростроения, умело и последовательно разработанные Шуховым, приносят крупные выгоды. Заказы поступают со всех сторон. В 1882 году на счету конторы Бари, как мы уже упоминали, значится 130 построенных по шуховским проектам резервуаров. В 1883 году эта цифра возрастает до 200, а еще через год - до 275! Так же быстро растет я вместимость резервуаров. В 1882 году «правофланговым» в строю шуховских резервуаров числится хранилище для нефтяных остатков емкостью 90 тысяч пудов. Три года спустя Шухов сдает заказчику сразу два резервуара вместимостью по 160 тысяч пудов керосина. В отчете конторы за 1889 год значится уже резервуар емкостью 200 тысяч пудов. Контора Бари становится крупнейшим в России поставщиком этих листовых металлических сооружений.

Шуховские резервуары меняют облик многих городов Поволжья. «Кто видел Сормово в прошлом году, тот не узнает его в нынешнем,- говорится в журнале «Русское судоходство» за 1888 год.- Это целый городок нефтяных баков и других сооружений, вытянувшийся на две с половиной версты. По сормовскому берегу, уходя вглубь, цистерны группируются в следующем количестве: «Тов-о Нобель» - 3 больших бака, Губонин - 4, «Дружина» - 3 больших и 6 малых, «Кавказ и Меркурий» - 2 бака, Шибаев - 3 бака и т. д.».

Шухов проектирует уже не отдельные емкости, а целые резервуарные станции, создает проекты металлических емкостей не только для нефти и нефтепродуктов, но и для спирта, масла, воды, кислот.

В Баку Владимир Григорьевич задумывался над тем, как удачнее размещать емкости с нефтью на борту морских и речных барж, шхун, пароходов. Уже в Москве, закончив разработку наиболее экономичных конструкций резервуаров, он возвращается к идее их оптимального размещения на судах. Смелость,- присущая инженерному мышлению Шухова, сказывается и в его решении - пересмотреть коренным образом конструкцию самих судов. Работы эти, связанные главным образом с волжским судостроением,- одна из ярких страниц в инженерном творчестве Шухова.