При анализе работ [3, 5, 12–13] выяснилось, что осадка основания резервуара может приводить к появлению опасных избыточных напряжений, в особенности при наличии конструктивных элементов дополнительной жесткости. Авторами в работе [3] проанализировано влияние приемо-раздаточного устройства на изменение НДС резервуара РВС-20000 при осадках основания, работа [12] посвящена исследованию влияния системы трубопроводов аварийного сброса нефти. В данной статье предполагается выяснить, как жесткость трубопровода ДУ700 газоуравнительной системы (ГУС) влияет на напряженное состояние РВС-20000 при развитии осадки наружного контура днища. На рис. 1 представлен РВС с трубопроводом ГУС, выходящим на дневную поверхность на расстоянии 2,5 от кольцевого фундамента, имеющим 4 точки присоединения к стенке резервуара, а также узел сопряжения с кровлей посредством использования сварного патрубка, резинотканевого компенсатора, смонтированного посередине U-образного участка трубопровода.
Рис. 1. Общий вид узла соединения ГУС с РВС-20000
Авторами предлагается выполнить численное моделирование деформирования металлоконструкций РВС-20000 при развитии осадки основания с учетом жесткости трубопровода ГУС. Наиболее приемлемым для целей исследования является метод конечных элементов (МКЭ) с реализацией в пакете ANSYS, программная среда которого позволяет строить максимально точную геометрическую модель с учетом нелинейностей и возможностями неосесимметричных расчетов. Известно, что для снижения трудоемкости расчетов с применением МКЭ во многих работах вырезается сегмент модели, после чего, с применением ряда ограничений и допущений, рассчитывается задача в осесимметричной постановке. Однако такой подход не позволяет с достаточной точностью оценить влияние неосесимметричной нагрузки на элементы дополнительной жесткости при развитии осадки резервуара. Поэтому авторы постарались максимально точно выполнить геометрическое моделирование исследуемого объекта – РВС-20000 с учетом особенностей реальной конструкции ГУС. На рис. 2, а, представлена расчетная схема деформирования РВС при развитии осадки основания. Модель резервуара выполнена авторами в [8], а верифицирована в [10]. В данной работе построена модель системы ГУС на основе РВС-20000 с учетом следующих граничных условий: жесткого защемления нижнего торца трубопровода ДУ700, подвижного закрепления верхнего торца с листом кровли, контактного взаимодействия балок-связей со стенкой РВС и трубопроводом ГУС. Осадку предлагается задавать при помощи табулированной функции «tabular data» (рис. 2, б). Исходя из полученных результатов оценочного расчета, авторами задано 10 этапов с увеличением уровня осадки от 0 до 3 см. Шаг увеличения величины осадки для каждого последующего расчетного этапа варьируется от 10 до 50 мм, значения шага для каждого этапа представлены в таблице на рис. 2, б. Также на данном рисунке приведен график функции приращения величины осадки.
При моделировании верхнего узла сопряжения ГУС с кровлей резервуара необходимо было решить задачу формирования кинематической связи элементов компенсатора на U-образном участке трубопровода. Для этого в программе ANSYS Workbench 14.5 авторами был применен специальный пакет инструментов «Joints». В данном случае были назначены опорные (лист настила кровли толщиной 4 мм) и подвижная (трубопровод ГУС ДУ700) части. При моделировании узла был назначен тип кинематической связи «Planar», при котором для всех узлов опорной и подвижной частей связываются вращательные степени свободы ROTX и ROTY (оси X и Y лежат в горизонтальной плоскости проекции), а также поступательная степень свободы UZ (в осевом направлении).
Разбиение на сетку осуществлялось в автоматическом режиме со сгущением плотности в контактных зонах. Для элементов металлоконструкций ГУС использовались балочные BEAM188 (связи со стенкой) и оболочечные SHELL181 (трубопровод) элементы. В соответствии с предложенной расчетной схемой и настройками решателя были получены численные результаты изменения НДС РВС-20000 при развитии осадки основания с учетом реальной конструкции системы ГУС. На рис. 3 и 4 представлены эпюры распределения деформаций и эквивалентных напряжений по фон Мизесу в металлоконструкциях РВС-20000 и элементах ГУС.
а 
б
Рис. 2. а – расчетная схема РВС-20000 с ГУС при развитии осадки основания; б – табулированная функция развития осадки
Рис. 3. Деформации металлоконструкций РВС-20000 в местах соединения с ГУС
На основе полученных данных конечно-элементного анализа построены функциональные зависимости значений эквивалентных напряжений в металлоконструкциях от величины осадки основания РВС. Авторами предложено оценить значения действующих напряжений в стенке РВС и трубопроводе при значениях осадки от 0 до 30 мм, а также сравнить величину полученных напряжений с предельными значениями.
На рис. 5 представлен график зависимости действующих эквивалентных напряжений в металлоконструкциях стенки и трубопровода ГУС от величины осадки РВС-20000.
Рис. 4. Действующие эквивалентные напряжения в металлоконструкциях РВС-20000
Рис. 5. Зависимость действующих эквивалентных напряжений в металлоконструкциях стенки и трубопровода ГУС от величины осадки РВС-20000
Анализируя полученные зависимости, установлено, что при развитии осадки резервуара с трубопроводом ГУС предельное состояние возникает вначале в трубопроводе ДУ700 в месте его выхода на дневную поверхность. При этом в металлоконструкциях стенки в местах сопряжения с балками-связями трубопровода ГУС действующие напряжения не превышают 100 МПа даже при осадке 30 мм. С другой стороны, уже при величине осадки 22 мм напряжения в трубопроводе ГУС ДУ700 превышают допустимый порог, определенный в НТД (188 МПа), а при величине осадки 30 мм напряжения достигают предела текучести стали 09Г2С. На основе данных исследования авторами сделаны следующие выводы.
Выводы
1. На основе МКЭ разработана модель деформирования резервуара РВС-20000 при развитии осадок основания с учетом элементов дополнительной жесткости газоуравнительной системы. Геометрические, конструктивные характеристики модели в рамках предложенной расчетной схемы соответствуют реальным проектным параметрам ГУС для резервуара РВС-20000. В модели учитываются особенности нелинейного деформирования, свойства материалов модели и условия неосесимметричного нагружения.
2. Решена контактная задача взаимодействия трубопровода ДУ700 ГУС со стенкой резервуара через балочные связи (профиль – уголок равнополочный). Также решена задача кинематического взаимодействия трубопровода ГУС в зоне узла сопряжения с тонкостенным листом кровли.
3. Получены зависимости действующих эквивалентных напряжений в металлоконструкциях стенки и трубопровода ГУС от величины осадки РВС-20000. Наибольшие напряжения возникают в трубопроводе ГУС в зоне его выхода на дневную поверхность. Предельное состояние возникает при величине осадки 30 мм, эквивалентные напряжения в металле 09Г2С при этом достигают предела текучести 325 МПа. В местах прикрепления трубопровода к стенке посредством металлических балочных связей-уголков опасных напряжений не возникает. В зонах сварного соединения балок со стенкой максимальные напряжения не превышают 100 МПа при 30 мм осадки.
4. Установлено, что используемая конструкция U-образного компенсатора позволяет избежать появления избыточных напряжений в металлоконструкциях верхнего узла резервуара и трубопровода ГУС при развитии осадки основания РВС-20000.
5. Полученные результаты позволяют внести дополнения в методику [13] оценки технического состояния резервуара РВС-20000 при развитии осадок основания в части учета влияния элементов дополнительной жесткости на НДС резервуара.
Рецензенты:
Соколов С.М., д.т.н., профессор кафедры «ТУР», 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 28.10.2014.