Инфраструктура магистрального транспорта нефти Западной Сибири за длительный срок эксплуатации претерпела значительный износ. Одними из наиболее интенсивно используемых и важных в технологической цепочке перекачки нефти объектов являются вертикальные стальные резервуары (РВС). Нередко площадки строительства РВС сложены слабонесущими переувлажненными грунтами, приводящими к появлению ненормативных отклонений в конструкциях фундаментов и оснований [12–13]. Для поддержания в работоспособном состоянии резервуаров зачастую требуется проведение ремонтных работ.
Для ремонта фундаментного кольца в работах [7, 9, 15] предложена перспективная методика подъема резервуара на гидродомкратах с предварительно усиленным корпусом РВС специальными жесткостными элементами. В таком случае резервуар полностью поднимается над дневной поверхностью на высоту 1 м и прозводится полная замена фундаментного кольца и, при необходимости и техническом обосновании, всего основания. После осуществления ремонта по такой технологии резервуар устанавливается фактически на новый фундамент.
Однако есть ряд проблем при реализации такого способа ремонта РВС. Связано это с тем, что резервуары отечественного типоразмера изначально не проектировались на подъемные операции. А сосредоточенные неосесимметричные нагрузки, возникающие при воздействии подъемных устройств, могут привести к возникновению предельных состояний в металлоконструкциях резервуара [2]. Для решения такой проблемы авторами статьи поставлена задача исследовать изменение напряженно-деформированного состояния различных конструкций резервуара при действии сосредоточенной нагрузки от одного гидродомкрата, что является наиболее невыгодным случаем нагружения. С целью реализации поставленной задачи авторами была разработана конечно-элементная модель РВС-20000 в программном комплексе ANSYS WORKBENCH 14.5 [1] для расчета НДС конструкций сооружения при подъеме [5–6, 14]. Базовая расчетная модель резервуара учитывает основные конструкции РВС: цилиндрическую оболочку-стенку, днище и окрайку, кольцо жесткости, балочный и оболочечный настил кровли. Все элементы модели построены с учетом реальных размеров и особенностей конструкций по проекту для РВС-20000 ТП 704-1-60. Разработана и смоделирована геометрическая конфигурация усиления оболочки РВС вертикальными опорными рамами, кольцом жесткости, косынками и подкосами. В [8] выполнена верификация конечно-элементной модели резервуара. Разница результатов решения осесимметричной задачи, решенной аналитическим и численным методами, составляет не более 3 %. Для прогибов стенки разница численного с аналитическим решением составляет 2,47 %, для действующих напряжений – 2,75 %.
При подъеме резервуара по всему контуру с целью ремонта фундаментного кольца, нагрузка от гидродомкратов передается через вертикальные рамы жесткости, приваренные к стенке РВС с помощью пластин. Эксцентриситет при приложении нагрузки к вертикальной раме приводит к появлению изгибных напряжений в стенке и пластинах крепления. Предложенная автором усиливающая конструкция резервуара рассчитана на равномерный подъем всеми 24 гидродомкратами. Однако на основании многолетнего опыта проведения ремонтных работ резервуаров с применением метода подъема [2] не всегда удается точно синхронизировать работу всех гидродомкратов. Вследствие этого могут возникать недопустимые напряжения в конструкциях от приложения сосредоточенной нагрузки от одного или нескольких гидродомкратов. Автором поставлена задача исследовать деформационные параметры конструкций при действии сосредоточенной нагрузки от одного гидродомкрата. На основании этого можно ввести ограничения на величину хода штока при работе гидродомкратов. Для реализации поставленной задачи автором используется геометрическая модель РВС-20000, усиленная элементами дополнительной жесткости, разработанная в [15]. Расчетная схема приложения сосредоточенной нагрузки приведена на рис. 1.
Рис. 1. Приложение сосредоточенной нагрузки к опорной раме от гидродомкрата
Нагрузка от домкрата на вертикальную раму жесткости распределяется по площади 66,4 см2 – нижней торцевой части прямоугольного профиля. Остальные 23 вертикальные рамы упруго закреплены по этим же плоскостям, что определяет граничные условия конечно-элементной расчетной модели. Работа гидродомкрата моделируется с помощью функции заданного перемещения «displacement». Величина перемещения ступенчато увеличивалась от 0 до 30 мм с шагом 5 мм. С целью снижения затрат машинного времени на выполнение трудоемких вычислений на первом этапе был осуществлен оценочный расчет максимального подъема одним гидродомкратом на величину 30, 50, 100, 200 мм. Результаты расчета показали, что при величине подъема 30 мм в металлоконструкции РВС-20000 наступает предельное состояние. Далее были выполнены более точные расчеты НДС резервуара с увеличением дискретности шага подъема и сгущением конечно-элементной сетки. На основании конечно-элементного анализа получены результаты изменения НДС конструкций при действии сосредоточенной силы. На рис. 2–4 представлены эпюры распределения прогибов и напряжений.
Рис. 2. Прогибы конструкций при заданном перемещении 2 см
Рис. 3. Эквивалентные напряжения в усиливающей раме при заданном перемещении 3 см
Рис. 4. Эквивалентные напряжения в кольце жесткости при заданном перемещении 3 см
На эпюрах распределения напряжений и деформаций использован увеличенный масштаб для визуализации 200х. Из рис. 2–4 видно, что избыточное непроектное перемещение домкратов даже на величину 2 см приводит к появлению предельных состояний различных конструкций, особенно вертикальных опорных рам, стенки, кольца жесткости.
Автором получены зависимости действующих напряжений от величины подъема гидродомкрата для стенки, рамы и кольца жесткости (рис. 5).
Рис. 5. Действующие эквивалентные напряжения в конструкциях РВС-20000 при неосесимметричном воздействии сосредоточенной нагрузкой от домкрата
Анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод, что предельные состояния в усиливающем каркасе РВС-20000 могут возникать при подъеме штока гидродомкрата на величину более 15 мм. В первую очередь избыточные деформации и напряжения воспринимают пластины крепления опорной рамы к стенке, направляющие опорных рам. При выдвижении штока на величину более 25 мм напряжения в участках стенки (в зоне крепления опорных рам) достигают предела текучести 325 МПа. Также, основываясь на характере деформаций (рис. 2), возникает вопрос обеспечения местной устойчивости стенки – тонкостенной цилиндрической оболочки, испытывающей непроектные изгибные напряжения при неосесимметричном подъеме. Опорное кольцо жесткости также воспринимает значительные нагрузки (до 90 МПа при величине подъема 30 мм), что свидетельствует об обязательном контроле его технического состояния (особенно узлов сопряжения со стенкой и настилом кровли) перед подъемными операциями.
Выводы
1. Создана конечно-элементная модель резервуара РВС-20000, адаптированная к расчетам воздействий сосредоточенных нагрузок от гидродомкратов. В полученной модели учитываются реальные геометрические и конструктивные характеристики как основных элементов (стенки, кровли, окрайки, опорного кольца), так и усиливающих конструкций (вертикальные рамы, косынки, подкосы, дополнительное кольцо жесткости).
2. Исследован случай изменения НДС конструкции РВС-20000 при неосесимметричном нагружении, вызванном неравномерной работой подъемного устройства – гидродомкрата.
3. Получены зависимости действующих напряжений в стенке, усиливающем каркасе и кольце жесткости от величины сосредоточенной нагрузки от гидродомкрата.
4. Установлено, что предельное состояние металлоконструкций при подъеме РВС-20000 возникает в случае выдвижения штока домкрата на величину более 13 мм. Поэтому технологические операции по подъему должны обеспечивать полную синхронизацию всех 24-х домкратов по периметру оболочки.
5. При нарушении синхронизации работы домкратов во время подъема есть риск возникновения в стенке РВС локальных зон с пластическими деформациями металла, которые при последующей эксплуатации резервуара, суммируясь с эксплуатационными напряжениями, могут вызвать разрушение конструкции.
Рецензенты:
Захаров Н.С., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «САТМ», ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень;
Мерданов Ш.М., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Транспортные и технологические системы», ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.
Работа поступила в редакцию 15.09.2014.