С развитием нефтегазовой промышленности география объектов инфраструктуры магистрального транспорта нефти постепенно расширяется на территории со сложными климатическими и геологическими условиями. Это приводит к необходимости более детально подходить к вопросам обеспечения надежности промышленных объектов. Вертикальные стальные резервуары, являясь неотъемлемым звеном в структуре добычи и магистрального транспорта нефти, требуют особого подхода к обеспечению надежности конструкций. Резервуар – сооружение, испытывающее значительные эксплуатационные нагрузки (гидростатическое давление столба жидкости, снеговая и вакуумметрическая нагрузка, ветровая нагрузка, а также вес установленного оборудования, сейсмическая нагрузка). Суммарная нагрузка от веса конструкций резервуара передается на железобетонное фундаментное кольцо, которое, в свою очередь, опирается на грунтовое основание. Согласно статистическим данным, опубликованным в работах [3, 4, 5], 33 % обследованных резервуаров имеют показатели неравномерности осадки значительно превышающие допустимые. Статистика приводится для 310 исследованных резервуаров типоразмеров от 400 до 50000 м3. В работах [6, 7, 8, 9] исследованы особенности изменения НДС резервуаров при неравномерных осадках.
Широко известно аналитическое решение для узла сопряжения стенки с днищем при осесимметричной постановке, полученное методом сил для полоски единичной ширины [1], в котором изменение величины выступа окрайки существенно изменяет общее напряженно-деформированное состояние конструкции. Для новых резервуаров в ГОСТ Р 59910-2008 рекомендовано выступ листов окрайки за стенку резервуара назначать в интервале 50–100 мм.
Авторами проанализированы результаты проведения дефектоскопии более 300 резервуаров, выполненной НПП «Симплекс». Некоторые иллюстрации проблемы представлены на рис. 1. Как следует из анализа, величина выступа находится в пределах 15–150 мм и может изменять свою величину по радиусу РВС либо образовывать дефект типа «ступенька». В таких местах создаются зоны повышенных напряжений даже при обычных сливо-наливных операциях. Рекомендуется при ремонтах резервуаров устранять подобные дефекты. Однако значительная часть резервуаров с дефектами по-прежнему эксплуатируется, имея и более сложные условия нагружения. Авторами предлагается рассмотреть случай неосесимметричного нагружения оболочки, вызванного неравномерной осадкой наружного контура днища РВС-20000, для различной величины выступа окрайки. Модель РВС-20000 реализована в среде ANSYS Workbench 14.5.
![pic_84.tif](http://rae.ru/fs/i/2013/10-15/pic_84_fmt.jpg)
Недостаточный выступ окрайки
![pic_85.tif](http://rae.ru/fs/i/2013/10-15/pic_85_fmt.jpg)
![pic_86.tif](http://rae.ru/fs/i/2013/10-15/pic_86_fmt.jpg)
Недопустимо большой выступ окрайки
![pic_87.tif](http://rae.ru/fs/i/2013/10-15/pic_87_fmt.jpg)
![pic_88.tif](http://rae.ru/fs/i/2013/10-15/pic_88_fmt.jpg)
Неравномерный выступ окрайки
Недопустимый выступ окрайки («ступенька»)
Недопустимая деформация листов металла окрайки
Рис. 1. Примеры недопустимых выступов окрайки
Расчетная схема представлена на рис. 2 и включает в себя действие нагрузки от веса стационарного покрытия и оборудования, снегового покрова и собственного веса стенки резервуара.
Фундаментное кольцо опирается на основание со значением коэффициента постели 200 МПа/м3. Для решения контактной задачи используются конечные элементы CONTA175 и TARGE170, взаимодействие элементов конструкций требует назначения контактной пары (contactpair) поверхностей или твердых тел, где один из объектов – контактный (contact), а другой – целевой (target). Зоны контакта фундаментного кольца и грунтового основания, а также контакта центральной части днища и основания рассматриваются как «упруго закрепленные» (elasticsupport). На рис. 2 представлена расчетная схема.
Рис. 2. Расчетная схема: 1 – упругое закрепление «elasticsupport»; 2 – контакт фундаментного кольца и окрайки (manualcontactregion «surfacebodytosolid»); 3 – контакт листов стенки и окрайки (manualcontactregion «surfacebodytoedge»); 4 – контакт окрайки и центральной части днища (manualcontactregion «surfacebodytosurfacebody»); 5 – кольцевой фундамент; 6 – окрайка; 7 – центральная часть днища; 8 – стенка; Pz– суммарная нагрузка от веса стационарного покрытия и оборудования, снегового покрова и собственного веса стенки резервуара; L – дуговой размер зоны просадки
Геометрическая модель резервуара построена в соответствии со значениями, принятыми в типовом проекте для РВС-20000 (ТП 704-1-60). Радиус резервуара составляет 22,85 м, высота стенки 11,92 м. Толщина стенки для первого пояса – 13 мм, для 2–8 поясов – 11 мм. Листы стенки выравниваются по внутреннему краю. В предлагаемой модели стенка, окрайка, днище, кольцо жесткости представлены оболочечными конечными элементами SHELL181. Кровля моделируется балочными конечными элементами BEAM4 и состоит из 48 двутавров, профиль I35Б1поГОСТ 8239-89. Материал металлоконструкций – сталь малоуглеродистая низколегированная 09Г2С.
В расчетах величина окрайки изменяется от 0 до 300 мм. Просадочные зоны задаются путем удаления части фундамента, согласно рекомендациям [2]. Неравномерная осадка резервуара моделируется путем вырезки сегмента фундаментного кольца размером L (рис. 3). Для удобства представления результатов расчетов предлагается использовать безразмерный, принятый в теории оболочек параметр n, который учитывает размер зоны нагружения (осадки резервуара):
n = πR/L, (1)
где L – дуговой размер зоны просадки; R – радиус резервуара.
Автором предлагается расчет НДС резервуара при значениях n = 2, 6 (на рис. 3 представлена схема моделирования просадочной зоны при различных значениях n).
В таблице представлена схема планирования эксперимента. Опыт предполагает наличие двух факторов. Первым фактором (a) является величина выступа окрайки с тремя комбинациями: недостаточный выступ – 0 мм (a1), нормативный выступ – 60 мм (a2), недопустимо большой выступ – 300 (a3). Вторым фактором (b) является значение коэффициента n, при этом автором предлагается 2 возможные комбинации: n = 2 (b1), n = 6 (b2).
Рис. 3. Схема моделирования просадочной зоны: L – дуговой размер зоны просадки; R – радиус резервуара; H – высота резервуара; W – радиальные перемещения стенки; u – вертикальные перемещения стенки и окрайки
Рис. 4. Случай осесимметричного загружения (без осадок) с учетом гидростатического давления (увеличен масштаб по высоте стенки)
Фактор a |
Фактор b |
||
I |
II |
||
I |
a1 b1 |
a1 b2 |
|
II |
a2 b1 |
a2 b2 |
|
III |
a3 b1 |
a3 b2 |
Выводы
– Авторами создана модель резервуара, позволяющая определять изменение НДС резервуара при неравномерных осадках с учетом реальной величины выступа окрайки.
– Выступ окрайки 60 мм обеспечивает наименьшие напряжения и прогибы стенки резервуара при неравномерной осадке.
– При неравномерной осадке наружного контура днища появляются предельные прогибы несущих балок стационарной кровли, расположенных над просадочной зоной.
– Наибольшие напряжения в стенке при неравномерной осадке возникают на высоте 1–2,5 м. над краями просадочной зоны (с двух сторон).
Рис. 5. Эпюра перемещений конструкций кровли в случае неосесимметричного загружения при n = 2. Выступ окрайки 0 мм, отсутствует гидростатическая нагрузка
Рецензенты:Обухов А.Г., д.ф.-м.н., профессор кафедры «Высшая математика», 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», Почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации, г. Тюмень.
Работа поступила в редакцию 05.12.2013.