Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

СОЗДАНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ РЕЗЕРВУАРА РВСПК-50000

Чепур П.В. 1 Тарасенко А.А. 1
1 Тюменский государственный нефтегазовый университет
Разработана и верифицирована модель резервуара РВСПК-50000, созданная авторами в программном комплексе ANSYS, реализующем алгоритмы автоматизированного составления и решения систем линейных алгебраических уравнений методом конечных элементов. Учтены конструктивные параметры ветрового кольца на верхнем поясе резервуара, построенные по деталировочным чертежам в соответствии с реальным проектом. Получены численные зависимости радиальных прогибов стенки и возникающих действующих напряжений в нейтральном слое от уровня хранимой нефти. Установлено, что зона максимальных напряжений и перемещений стенки находится на уровне 1-го горизонтального шва, соединяющего I и II пояса стенки резервуара. Выполненная модель может быть использована для получения достоверных значений НДС металлоконструкций РВСПК-50000, эксплуатируемого в осложненных условиях: непроектном неосесимметричном нагружении, вызванном развитием неравномерных осадок наружного контура днища, воздействием штормового ветра, сейсмических нагрузок и прочих факторов.
резервуар
РВСПК
РВС
РВСПК-50000
МКЭ
модель резервуара
ANSYS
НДС
1. Ильин Е.Г., Иванцова С.Г., Катанов А.А., Задумин  А.Н. Нагрузки и методы расчета стационарных крыш вертикальных цилиндрических резервуаров // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. – 2015. – № 1 (17). – С. 36–42.
2. Коробков Г.Е., Зарипов Р.М., Шаммазов И.А. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния и устойчивости трубопроводов и резервуаров в осложненных условиях эксплуатации. – СПб.: Недра, 2009. – 410 с.
3. Тарасенко А.А., Чепур П.В. Напряженно-деформированное состояние верхнего опорного кольца резервуара при неосесимметричных деформациях корпуса // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11–3. – С. 525–529.
4. Тарасенко А.А., Чепур П.В. Определение действующих напряжений от подъемных устройств при ремонте фундамента резервуара // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9–11. – С. 2421–2425.
5. Тарасенко А.А., Чепур П.В. Эволюция взглядов на вопросы определения величины допустимых осадок резервуаров // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 12–1. – С. 67–84.
6. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Грученкова А.А. Использование критериев стандарта API-653 для оценки допустимой величины осадки днища резервуаров // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 12–7. – С. 1418–1422.
7. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Грученкова А.А., Соколов С.С. Оценка влияния трубопроводов системы подслойного пожаротушения на напряженное состояние резервуара при осадке основания // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11–8. – С. 1698–1703.
8. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Тарасенко Д.А. Численное моделирование процесса деформирования резервуара при развитии неравномерных осадок // Нефтяное хозяйство. – 2015. – № 4. – С. 88–91.
9. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Чирков С.В. Исследование собственной жесткости вертикального стального цилиндрического резервуара // Нефтяное хозяйство. – 2014. – № 10. – С. 121–123.
10. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Шарков А.Е., Гретченко Д.А. Технология диагностики вертикальных стальных резервуаров без снятия антикоррозионного покрытия // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9–8. – С. 1703–1708.
11. Чепур П.В., Тарасенко А.А. Оценка воздействия приемо-раздаточного патрубка при развитии осадки резервуара // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11–3. – С. 540–544.
12. Чепур П.В., Тарасенко А.А., Грученкова А.А. Анализ возможности использования критериев стандарта API-653 для оценки неравномерной осадки резервуаров отечественных типоразмеров // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 12–3. – С. 514–519.
13. Чепур П.В., Тарасенко А.А., Грученкова А.А., Антонов И.В. Численный анализ влияния жесткости газоуравнительной системы при развитии осадок резервуара // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11–6. – С. 1292–1296.
14. Чепур П.В., Тарасенко А.А., Соколов С.С. Оценка влияния трубопроводов системы аварийного сброса на напряженное состояние конструкции резервуара при развитии осадок основания // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11–4. – С. 804–808.
15. Чирков С.В., Тарасенко А.А., Чепур П.В. Определение оптимального количества тросов поддержки днища при подъеме резервуара // Известия вузов. Нефть и газ. – 2014. – № 5. – С. 72–78.

Согласно ГОСТ 27751-88 и ГОСТ Р 52910-2008 резервуары объемом от 50000 м3 и более относятся к сооружениям I повышенного уровня ответственности и I или II (в зависимости от расположения) класса опасности, это налагает особые требования к техническому состоянию конструкций, работающих в сложном напряженно-деформированном состоянии (НДС). Зачастую расчетная схема нагружения включает в себя не только проектные эксплуатационные нагрузки (гидростатическое, избыточное и вакуумметрическое давления, снеговая и ветровая нагрузки, вес оборудования), но и непроектные, вызванные труднопрогнозируемыми факторами: изменениями гидрогеологических условий площадки объекта, повышением интенсивности перекачки вследствие технологических нужд, а также возможными ошибками на стадиях проектирования и монтажа объекта. Всевозможные комбинации неосесимметричных нагрузок могут приводить к появлению и развитию неравномерных осадок наружного контура днища РВС и просадочных зон его центральной части, отклонениям стенки и конструкций кровли от правильной геометрической формы и т.д. В настоящий момент не разработано универсальных аналитических моделей и зависимостей, позволяющих с достаточной точностью и достоверностью определить НДС конструкции крупногабаритных резервуаров в нестандартных условиях работы. Однако развитие численных методов и программных способов их реализации позволяет по-новому взглянуть на существующую проблему.

Работы авторов [5–9; 11–14] посвящены исследованиям НДС резервуара РВС-20000 при развитии неравномерных осадок. В работах впервые определены предельные величины деформаций металлоконструкций резервуара данного типоразмера, которые могут появиться при развитии осадки (параметры конструктивной жесткости); выполнена оценка влияния стационарной крыши и кольца жесткости при неосесимметричных нагрузках; определено влияние элементов дополнительной жесткости (трубопроводы ГУС, СППТ, ПРП и аварийного сброса) на НДС стенки резервуара при развитии осадки и т.д. Полученные результаты и зависимости позволили получить аналитические выражения, ограничивающие предельно допустимые величины осадки РВС-20000 с учетом перечисленных выше факторов.

Распространить полученные авторами в [8–9] результаты исследований на другие типоразмеры крупногабаритных резервуаров, построенных по различным проектам, не представляется возможным, поскольку их конструкции имеют существенные различия, что определяет конструктивную жесткость сооружения. Рассмотрим создание модели резервуара с плавающей крышей РВСПК-50000. Конструкция данного сооружения имеет принципиальные отличия от модели РВС-20000, созданной в [3]: стационарная крыша отсутствует, имеется внешнее ветровое кольцо с распорками и два дополнительных кольца жесткости. Предлагается рассмотреть расчетную схему конечно-элементной модели РВСПК-50000.

1. Пространственное геометрическое моделирование и характеристики конструкций:

– геометрическая модель построена по проекту РВСПК-50000 «ЦНИИПРОЕКТСТАЛЬКОНСТРУКЦИЯ», диаметр составляет 60,7 м, высота – 17,95 м;

– толщина стенки варьируется от 8 до 17 мм с выравниваем по внутренней поверхности, толщина листов окрайки и центральной части днища составляет 6 мм;

– на V и VIII поясах стенки предусмотрены кольца жесткости из гнутого профиля – уголка 100х300 толщиной 8 мм;

– ветровое кольцо представляет собой L-образную конструкцию сопряженных листовых и балочных элементов, подкрепленную распорками с интервалом 2,5 м, приваренными к XII поясу стенки через промежуточные монтажные пластины;

– резервуар опирается на железобетонный кольцевой фундамент прямоугольного профиля с размерами 1,5х0,4 м;

– для нижних 9 поясов стенки и окрайки задаются свойства стали 16Г2ЛФ-15 и 09Г2С для других конструкций (с гарантированным пределом текучести σт = 345 МПа).

2. Граничные и контактные условия:

– резервуар свободно опирается на основание и передает нагрузку на грунт через центральную часть днища и фундаментное кольцо;

– для моделирования грунта используется Винклеровская линейно-упругая теория деформаций. Свойства грунта характеризуются коэффициентом постели: С = p/s, где р – давление на основание, Па; s – осадка основания, м. Для искусственно уплотненного грунта (по проекту) принимается коэффициент постели С = 2х108 МН/м3;

– верхняя кромка не защемляется, деформации стенки, кольца жесткости и других элементов не ограничены по направлению;

– промежуточные кольца жесткости на V и VIII поясах стенки имеют связанный контакт типа «bonded», моделирующий сварное соединение, что отражает их реальную жесткость; сварные контакты всех металлоконструкций имеют связанные контакты, исключающие возможность из разъединения вплоть до разрушения. Алгоритм реализации таких контактов – расширенный метод Лагранжа, позволяющий определить относительный экстремум непрерывной функции, являющейся максимумом или минимумом при выполнении дополнительных условий в форме уравнений связи.

3. Действующие нагрузки:

– нагрузка от гидростатического давления хранимой нефти ρ = 865 кг/м3 приложена по внутренней поверхности стенки, высота взлива хранимой жидкости Hвзл = 17 м;

– снеговая нагрузка приложена к верхней грани полки ветрового кольца и составляет 4000 Па, что соответствует VI снеговому району;

– ветровая нагрузка прикладывается к наружной поверхности стенки и составляет 480 Па, что соответствует IV ветровому району.

4. Конечно-элементная дискретизация модели с созданием сетки:

– разбиение модели производится на 2 типа геометрических примитивов: большая часть заполняется параллелепипедами, а где это невозможно, используются трехгранные призмы исходя из того, что любое ребро не должно превышать величины 1,5 м (для II–XI поясов стенки), 0,2 м – для I пояса стенки и 0,4 м для других элементов. При этих параметрах погрешность аппроксимации сетки не превышает 5 %;

– в контактных зонах и для малых элементов (пластины и балки крепления ветрового кольца) производится локальное измельчение сетки с размером элементов до 0,01 м.

На рис. 1 представлена расчетная схема РВСПК-50000 с учетом приведенных выше параметров. На рисунке изображена модель резервуара с выполненным разбиением на конечно-элементную сетку, обозначены основные конструктивные элементы, на разрезе (справа) показано упругое закрепление фундамента и днища, направления действия гидростатической и снеговой нагрузок.

chep1.tif

Рис. 1. Расчетная схема РВСПК-50000

chep2.tif

Рис. 2. Верификация модели. Расчет НДС оболочечной конструкции стенки РВСПК-50000 при нагружении гидростатической нагрузкой согласно расчетной схеме С.П. Тимошенко

Чтобы убедиться в адекватности разработанной модели выполнено сравнение результатов расчетов известной аналитической задачи С.П. Тимошенко для цилиндрической оболочки, нагруженной гидростатической нагрузкой (рис. 2). Для этого был проведен дополнительный расчет с упрощением созданной модели: поскольку аналитическая модель С.П. Тимошенко не учитывает наличие колец жесткости, распоров – эти элементы были скрыты в нашей верификационной модели, также была принята толщина стенки, равная 17 мм по всем поясам. Эти условия позволили сравнить численные результаты с аналитическими в полностью эквивалентных условиях. Установлено, что разница в результатах (для напряжений в стенке и её радиальных перемещений) не превысила 1,5 %, что свидетельствует об удовлетворительной корреляции результатов с проверенным аналитическим решением.

В работе Г.Е. Коробкова [2] представлены результаты численного расчета НДС РВСПК-50000 при осесимметричном нагружении столбом нефти. Авторы данного исследования для моделирования колец жесткости использовали так называемый «кольцевой» элемент, представляющий собой прямоугольник в сечении с вращением на 360 ° вокруг стенки, имеющий жесткий контакт со стенкой. Анализ полученных напряжений и перемещений позволил сделать вывод, что подобное упрощение в [2] снизило точность расчетов более чем на 15 %, при этом учитывались только проектные осесимметричные нагрузки. Полученные результаты и опыт работ [3, 9] свидетельствуют о том, что при решении неосесимметричных задач деформирования РВСПК-50000 ветровое кольцо и промежуточные усиливающие элементы будут вносить еще больший вклад в картину общего НДС конструкции. Поэтому учет данных элементов в разработанной модели является необходимым условием для определения адекватных значений конечной жесткости резервуара при неосесимметричных деформациях (от ветровой нагрузки, при развитии неравномерной осадки, подъеме домкратами и т.д.).

На рис. 3, а и 3, б представлены результаты постпроцессинга разработанной модели РВСПК–50000 в ПК ANSYS с учетом рассмотренных в п. 1–4 параметров расчетной схемы. Для визуализации полученных результатов был применен масштабный коэффициент x100 для перемещений элементов металлоконструкций и действующих напряжений.

Результаты расчетов сведены на графиках рис. 4 и 5, где приведены зависимости радиальных прогибов и действующих напряжений в стенке РВСПК-50000 от величины взлива нефти. В одной координатной плоскости показаны значения для упрощенной модели (по которой проводилась верификация путем сравнения с аналитическим решением С.П. Тимошенко), предлагаемой высокодетализированной модели и модели [2] с упрощенной конструкций ветрового кольца и дополнительных колец жесткости.

Анализ полученных эпюр распределения напряжений и перемещений, построенных зависимостей по результатам расчетов свидетельствует о том, что в местах монтажа колец жесткости со стенкой имеются скачки напряжений. Этот факт необходимо учитывать при решении как стандартных осесимметричных задач, так и при анализе сложного неосесимметричного напряженно-деформированного состояния, вызванного осложненными условиями эксплуатации.

chep3a.tif

а)

chep3b.tif

б)

Рис. 3. а) Распределение действующих эквивалентных напряжений в металлоконструкциях РВСПК-50000 при максимальном уровне взлива нефти (17 м), б) Распределение прогибов металлоконструкций РВСПК-50000 при максимальном уровне взлива нефти (17 м)

chep4.tif

Рис. 4. Зависимости радиальных прогибов стенки РВСПК-50000 от величины взлива нефти

chep5.tif

Рис. 5. Зависимости действующих эквивалентных напряжений в стенке РВСПК-50000 от величины взлива нефти

Выводы

1. Разработана и верифицирована модель резервуара РВСПК-50000, созданная авторами в программном комплексе ANSYS, реализующем алгоритмы автоматизированного составления и решения систем линейных алгебраических уравнений методом конечных элементов. Впервые учтены геометрические и конструктивные параметры ветрового кольца на верхнем поясе резервуара, построенные по деталировочным чертежам в соответствии с реальным проектом.

2. Получены численные зависимости радиальных прогибов стенки и возникающих действующих напряжений в нейтральном слое от уровня хранимой нефти. Установлено, что зона максимальных напряжений и перемещений стенки находится на уровне 1-го горизонтального шва, соединяющего I и II пояса стенки резервуара. На уровне высоты стенки Hст = 1,5 м максимальные прогибы составляют ωст = 39 мм, σmax = 253 МПа.

3. Выполненная модель может быть использована для получения достоверных значений НДС металлоконструкций РВСПК-50000, эксплуатируемого в осложненных условиях: непроектном неосесимметричном нагружении, вызванном развитием неравномерных осадок наружного контура днища, воздействием штормового ветра и прочих факторов.

Рецензенты:

Якубовский Ю.Е., д.т.н., заведующий кафедрой «Прикладная механика», ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень;

Мерданов Ш.М., д.т.н., заведующий кафедрой «Транспортные и технологические системы», ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.


Библиографическая ссылка

Чепур П.В., Тарасенко А.А. СОЗДАНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ РЕЗЕРВУАРА РВСПК-50000 // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 7-1. – С. 95-100;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38732 (дата обращения: 29.05.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074