Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Тарасенко А.А. 1 Чепур П.В. 1

---

1 Тюменский государственный нефтегазовый университет

Разработана уточненная численная модель верхнего узла резервуара РВС-20000, отражающая реальные проектные геометрические и конструкционные параметры металлоконструкций кровли: опорного кольца, листов и балочного каркаса. Создана численная модель при помощи программных модулей продукта ANSYS, реализующего метод конечных элементов: EngineeringData, DesignModeller, StaticStructure. Установлены зоны деформирования металлоконструкций кровли РВС-20000 при различных величинах просадочной зоны: от 18 до 72 м по наружному контуру днища. Получены зависимости величин деформаций металлоконструкций стационарного покрытия от величины просадочной зоны для трех различных расчетных схем: с учетом несущих балок кровли, с учетом несущих и промежуточных балок кровли, с учетом всего каркаса и листов настила кровли. В модели получены значения деформаций кровли для трех типов расчетных схем: с несущими балками кровли, с несущими и промежуточными балками кровли, с балочным каркасом и листовым настилом. Авторами даны рекомендации по ужесточению требований действующей нормативно-технической документации (НТД) в части диагностики и оценки технического состояния конструкций кровли при обнаружении неравномерных осадок наружного контура днища.

Статья в формате PDF

990 KB

резервуар

РВС

НДС

основание

фундамент

МКЭ

стационарное покрытие

1. Тарасенко А.А., Николаев Н.В., Хоперский Г.Г., Овчар З.Н., Саяпин М.В. Исследование влияния приемораздаточных патрубков на напряженно-деформированное состояние стенки вертикальных цилиндрических резервуаров // Известия вузов «Нефть и газ». – Тюмень, 1998. – № 1. – С. 59–68.

2. Тарасенко А.А., Саяпин М.В. Результаты статистической обработки измерений неравномерных осадок наружного контура днища вертикальных стальных резервуаров // Известия вузов «Нефть и газ». – Тюмень, 1999. – № 1. – С. 52–56.

3. Тарасенко А.А., Тюрин Д.В. Моделирование нефтяных стальных цилиндрических резервуаров // Известия вузов «Нефть и газ». – Тюмень, 2001. – № 4. – С. 65–69.

4. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Кузовников Е.В., Тарасенко Д.А. Расчет напряженно-деформированного состояния приемо-раздаточного патрубка с дефектом с целью обоснования возможности его дальнейшей эксплуатации // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9–7. – С. 1471–1476.

5. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Тарасенко Д.А. Деформирование верхнего края оболочки при развитии неравномерных осадок резервуара // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 6–3. – C. 485–489.

6. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Чирков С.В. Исследование изменения напряженно-деформированного состояния вертикального стального резервуара при развитии неравномерной осадки наружного контура днища // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10–15. – C. 3409–3413.

7. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Чирков С.В. Обоснование необходимости учета истории нагружения конструкции при ремонте фундамента с подъемом резервуара // Безопасность труда в промышленности. – 2014. – № 5. – С. 60–63.

8. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Чирков С.В., Тарасенко Д.А. Модель резервуара в среде ANSYS Workbench 14.5 // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10–15. – C. 3404–3408.

9. Тиханов Е.А., Тарасенко А.А., Чепур П.В. Оценка экономической эффективности капитального ремонта основания вертикального стального резервуара методом перемещения // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 6–2. – C. 330–334.

10. Тарасенко М.А., Сильницкий П.Ф., Тарасенко А.А. Анализ результатов дефектоскопии коррозионных повреждений резервуаров // Известия вузов «Нефть и газ». – Тюмень, 2010. – № 5. – С. 78–82.

11. Хоперский Г.Г., Саяпин М.В., Тарасенко А.А. Расчет прочности фундаментного кольца резервуара при воздействии сосредоточенной нагрузки от подъемного устройства // Известия вузов «Нефть и газ». – Тюмень, 1998. – № 2. – С. 60–64.

12. Чепур П.В., Тарасенко А.А. Влияние параметров неравномерной осадки на возникновение предельных состояний в резервуаре // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 8–7. – С. 1560–1564.

13. Чепур П.В., Тарасенко А.А. Методика определения необходимости ремонта резервуара при осадках основания // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 8–6. – C. 1336–1340.

14. Чепур П.В., Тарасенко А.А., Тарасенко Д.А. Исследование влияния величины выступа окрайки на напряженно-деформированное состояние вертикального стального цилиндрического резервуара при развитии неравномерной осадки наружного контура днища // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10–15. – C. 3441–3445.

15. Чирков С.В., Тарасенко А.А., Чепур П.В. Конечно-элементная модель вертикального стального резервуара с усиливающими элементами при его подъеме гидродомкратами // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9–5. – С. 1003–1007.

Исследованиям изменения напряженно-деформированного состояния крупногабаритных вертикальных стальных резервуаров (РВС) при неравномерных осадках основания посвящены работы [5–8, 11–13]. В большей части исследований рассматриваются вопросы деформирования оболочечной конструкции стенки РВС, при этом вносятся значительные упрощения и допущения, касающиеся учёта металлоконструкций кровли резервуара: кольца жесткости, балок и настила кровли. Использование численных методов позволяет создать модель, геометрия которой будет максимально приближена к реальным параметрам сооружения. В работе [6] с помощью применения методов конечно-элементного анализа, реализованных в программном пакете ANSYS, установлено, что при неосесимметричном нагружении РВС значения параметров НДС конструкции могут отличаться на 2 порядка для расчетных схем, учитывающих и не учитывающих особенности геометрии кровли.

В данной работе авторами предлагается исследовать деформационные свойства стационарной крыши резервуара при неравномерных осадках. Величину просадочной зоны планируется задавать при помощи безразмерного параметра n в соответствии с [14]. Также предполагается рассмотреть 3 различные расчетные схемы РВС, отличающиеся только геометрической конструкцией кровли:

• кровля моделируется только несущими балками без промежуточных балок-связей;
• кровля моделируется несущими и промежуточными балками-связями;
• кровля моделируется несущими и промежуточными балками-связями, а также листовым настилом, имеющим контактное взаимодействие с несущими балками.

По данным [2] известны случаи эксплуатации резервуаров со следующими отклонениями в конструкции покрытия:

• нарушение, повреждение узлов и соединений балок-связей с несущими балками;
• выпучивание листов настила с повреждением контактного узла «балка  – лист»;
• ненормативное состояние узла сопряжения опорного кольца и балочного каркаса.

Исследования [5] позволили определить подходы к исследованию деформаций стационарной крыши при неравномерных осадках. Резервуар РВС-20000 является сооружением с относительно большой конечной жесткостью, поэтому для получения адекватных зависимостей деформаций крыши от величины неравномерной осадки предлагается рассматривать модель резервуара при величинах просадочной зоны от n = 4 до n = 1 (18–72 м).

Авторами предлагается следующая расчетная схема:

• геометрическая модель создается по типовому проекту РВС-20000, ТП-704-1-60, в модели учитываются: стенка, днище, окрайка, кольцо жесткости, листовой и балочный настил;
• граничные условия определяются упругим контактным взаимодействием фундаментного кольца с грунтовым основанием, заданным с помощью коэффициента постели, просадочная зона моделируется вырезкой сегмента фундаментного кольца, создается полное провисание окрайки над грунтовым массивом;
• прикладываются все эксплуатационные нагрузки в соответствии с [8] (ветровая, снеговая, избыточное давление, вакуум) – кроме гидростатической;
• контакты металлоконструкций моделируются как «связанные» – bonded, исключающие взаимное проникновение и разделение.

В общем случае при осадках наружного контура днища характер деформирования металлоконструкций стационарной кровли соответствует следующей схеме (рис. 1). При этом образуются 3 основные зоны: 1-я – центральная, зона проседания конструкций, 2-я и 3-я зоны выпирания конструкций, расположенные по краям относительно просадочной зоны.

Рис. 1. Зоны деформирования металлоконструкций кровли РВС-20000

Всего выполнено 12 расчетов: для 3-х расчетных схем (с различной геометрией кровли) рассмотрены 4 варианта осадки – n = 1, n = 2, n = 3, n = 4.

Для получения зависимостей параметров напряженно-деформированного состояния металлоконструкций кровли от величины просадочной зоны была выполнена постпроцессинговая обработка результатов конечно-элементного силового анализа. На рис. 2–4 представлены эпюры деформаций конструкций РВС для трех рассматриваемых расчетных схем. Для визуализации использован масштабный коэффициент х20.

Рис. 2. Деформации металлоконструкций для расчетной схемы с несущими балками кровли и величиной просадочной зоны n = 2

Рис. 3. Деформации металлоконструкций для расчетной схемы с несущими и промежуточными балками кровли величиной просадочной зоны n = 2

Рис. 4. Деформации металлоконструкций для расчетной схемы с балочными и листовыми конструкциями кровли величиной просадочной зоны n = 2

Анализируя деформации металлоконструкций кровли РВС для различных расчетных схем, выявили, что совместная работа балочных и оболочечных элементов кровли обеспечивает высокие параметры жесткости конструкции. При том, что листы настила имеют толщину всего 4 мм, их жесткое соединение с балочным каркасом уменьшает прогибы балок до 5 раз при появлении просадочных зон. На рис. 5 представлены зависимости максимальных перемещений несущих балок от величины просадочной зоны, полученные по результатам численного моделирования в программе ANSYS. Графики построены для трех рассматриваемых расчетных схем.

Рис. 5. Зависимости максимальных перемещений несущих балок от величины просадочной зоны для различных расчетных схем конструкции кровли

Полученные результаты свидетельствуют о том, что для получения достоверных значений уровня НДС конструкций резервуара в случае неосесимметричного нагружения при конечно-элементном анализе необходимо учитывать не только балочный каркас, но и листовые элементы. С другой стороны, необходимо разрабатывать новые подходы к диагностике и проверке технического состояния металлоконструкций стационарной кровли, т.к. только совместная работа балочных и оболочечных элементов обеспечивает эксплуатационную надежность всей конструкции кровли, что особенно проявляется при неосесимметричных нагрузках.

Наиболее опасными участками верхнего узла РВС являются узлы сопряжения балочного каркаса с опорным кольцом. Большое количество сварных соединений, обеспечивающих жесткий контакт оболочки – кольца жесткости и пространственных несущих балок – испытывают нагрузки, которые могут привести к возникновению предельных состояний в металле. При моделировании неравномерной осадки РВС-20000 установлены участки с высокими концентрациями напряжений, значения которых превышают 300 МПа. Такие напряжения возникают в металлических монтажных пластинах, соединяющих несущие балки кровли и опорное кольцо. При действии неосесимметричных нагрузок на корпус резервуара опорное кольцо и балочный каркас испытывают изгибные напряжения, однако их пространственные схемы деформирования не лежат в одной плоскости: конструкции кровли перемещаются вдоль вертикальной оси РВС, а деформирование кольца жесткости характеризуется кручением относительно стыкового соединения со стенкой на 8 поясе. Поэтому оценка технического состояния конструктивных элементов верхнего узла РВС – кровли, опорного кольца, стенки и их сварных соединений должна быть обязательной, в особенности при выявлении неравномерных осадок наружного контура днища резервуара.

Выводы

1. Разработана уточненная численная модель верхнего узла резервуара РВС-20000, отражающая реальные проектные геометрические и конструкционные параметры металлоконструкций кровли: опорного кольца, листов и балочного каркаса. Численная модель создана при помощи программных модулей продукта ANSYS, реализующего метод конечных элементов: EngineeringData, DesignModeller, StaticStructure.
2. Установлены зоны деформирования металлоконструкций кровли РВС-20000 при различных величинах просадочной зоны: от 18 до 72 м по наружному контуру днища.
3. Получены зависимости величин деформаций металлоконструкций стационарного покрытия от величины просадочной зоны для трех различных расчетных схем: с учетом несущих балок кровли, с учетом несущих и промежуточных балок кровли, с учетом всего каркаса и листов настила кровли. Наименьшие деформации получены в модели с каркасом и листовым настилом – от 7 до 54 мм (для просадочных зон от 18 до 72 м). Наибольшие деформации получены в модели, учитывающей только несущие балки – от 50 до 294 мм (для просадочных зон от 18 до 72 м).
4. Авторами рекомендуется ужесточить требования действующей НТД в части диагностики и оценки технического состояния конструкций кровли при обнаружении неравномерных осадок наружного контура днища.

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 06.10.2014.

Библиографическая ссылка