При назначении способов ремонта вертикальных стальных цилиндрических резервуаров (РВС) в последнее время нередко возникает необходимость выполнения ремонта железобетонного кольца, являющегося фундаментом резервуара [4–5, 13]. Практика ремонта фундамента захватками с удалением части металлоконструкций широко известна (рис. 1а) и не вызывает затруднений у ремонтных подразделений. Гораздо сложнее выполнить ремонт с подъемом или даже временным перемещением резервуара, освоенным американской фирмой MTS (Mix bros. Tank services) (рис. 1б) [8, 10].
Рис. 1. Примеры ремонта фундамента захватками (а) и с полным подъемом (б).
После выполнения дефектоскопии на одном из предприятий магистрального транспорта нефти возникла необходимость в полной замене фундамента под резервуаром РВС-20000. Было принято решение выполнить подъем резервуара по всему периметру, заменить фундамент и впоследствии опустить РВС. Поскольку конструкция резервуара представляет собой тонкостенную оболочку и не рассчитывалась при проектировании на сосредоточенные нагрузки от подъемных устройств, возникла необходимость выполнить теоретическое обоснование возможности выполнения такого ремонта [11]. Для проверки проектного решения необходимо выполнить расчет напряженно-деформированного состояния стенки при различных этапах подъема резервуара и ремонта фундамента. Расчет выполнен методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS.
Для создания расчетной модели были использованы значения толщины листов стенки резервуара по результатам ультразвуковой толщинометрии (УЗТ). Толщина стенки для 1–8 поясов и ремонтных вставок первого пояса дифференцируется от 12,3 мм до 9,1 мм. Конечно-элементная модель стенки (рис. 2) представляет собой стальную цилиндрическую оболочку с диаметром D = 45600 мм и высотой H = 11920 мм. Конструкции сферической крыши в расчетной схеме моделируются приложением вертикальной нагрузки от собственного веса элементов крыши и установленного оборудования к верхнему поясу стенки. Действие на крышу нагрузки от снега не учитывалось. Моментная и распорная составляющие нагрузки от веса крыши в расчетной схеме не учтены, т.к. они создают моментную нагрузку только в зоне действия краевого эффекта в верхних поясах стенки. При составлении расчетной схемы рассматривался подъем резервуара при отказе в работе четырёх домкратов как наиболее неблагоприятная, с точки зрения нагрузок, операция.
Рис. 2. Конечно-элементная модель РВС-20000
В модели использовано 48974 оболочечных элемента SHELL181, 1924 балочных элемента BEAM188 и 30740 элементов типа SURF 154 для задания ветровой нагрузки [9, 12, 15].
Толщины поясов стенки соответствуют минимальным значениям, полученным по результатам ультразвуковой толщинометрии.
Опорные балки под установку подъемных устройств смоделированы стойками из двух швеллеров № 27 и ригелями из двух швеллеров № 12.
Граничные условия задавались на нижней линии уторного узла как ограничение вертикальных и радиальных перемещений. Комбинация нагрузок определена в соответствии с [1] и включает в себя собственный вес стенки и крыши, ветровое давление, включающее статическую и импульсивную составляющие (рис. 3).
Необходимо отметить, что, исходя из приведенных нагрузок, [1] предусматривает ремонт резервуара в условиях расчетного снега при штормовом ветре.
Рис. 3. Эпюра ветрового давления
В расчетах учтен коэффициент надежности по нагрузке γf [2]:
– для ветрового давления: при расчете перемещений – 1, при расчете на прочность – 1,4;
– для веса металлоконструкций – 1,05.
Коэффициент надежности по назначению γn принят равным 1,1 [2].
Прочностные критерии определены в соответствии с [1] и представлены в таблице.
Условия жесткости для РВС-20000 принимают следующие значения:
– вертикальные перемещения не должны превышать 4 мм;
– радиальные перемещения не должны превышать 10 мм;
– окружные перемещения не должны превышать 10 мм.
|
Критерий работоспособности |
|
|
Стенка |
1. Срединные главные напряжения в кольцевом направлении не должны превышать предела текучести стали с учетом коэффициентов запаса:
где Ryn – минимальное значение предела текучести материала стенки; γm – коэффициент надежности по материалу, равный 1,025; γc – коэффициент условий работы, равный для первого пояса стенки, – 0,7, для остальных – 0,9. 2. Поверхностные (фибровые) главные напряжения в кольцевом направлении не должны превышать предела текучести стали: σф ≤ Ryn (2) 3. Эквивалентные напряжения по Мизесу не должны превышать предела текучести стали: σe ≤ Ryn (3)
|
Для стали 09Г2С, приведенное условие прочности принимает вид:
– для листов толщиной от 2 до 10 мм (4):
Условие прочности для стержневых элементов каркаса рамы принято в соответствии с требованиями [3]:
(5)
где γс = 0,75 – коэффициент условия работы (табл. 1 [3]).
Для стали С245 предельное напряжение равно: 179,3 МПа.
Расчет проводился в геометрически нелинейной постановке в три этапа.
– первый этап: приложены нагрузки от собственного веса стенки, крыши, оборудования и вертикальных рам жёсткости;
– на втором этапе заданы граничные условия перемещения резервуара вдоль оси Z;
– на третьем этапе приложена нагрузка от ветрового давления.
В результате расчетов получены параметры напряженно-деформированного состояния в стенке резервуара и элементах рамы жесткости. Величины и распределение перемещений и напряжений в стенке резервуара и вертикальных рамах жесткости приведены на рис. 4 – 5.
Рис. 4. Эквивалентные по Мизесу напряжения в стенке (мембранные напряжения), Па
Рис. 5. Эквивалентные по Мизесу напряжения в элементах рамы жесткости, Па
Значения максимальных напряжений и перемещений лежат в допустимых пределах. Максимальные напряжения в стенке 1-го пояса составляют 17,2 МПА, 2–8 поясов – 6,13 МПа, в конструкциях усиливающего каркаса – 22,8 МПа, при допускаемых: 214 МПа, 275 МПа и 179,3 МПа соответственно. Максимальные радиальные, окружные и вертикальные перемещения стенки РВС не превышают 1,17 мм при минимально допустимом значении 4 мм, что говорит о достаточном обеспечении жесткости конструкции.
Поскольку при решении нелинейной задачи потери устойчивости конструкции не наблюдалось, коэффициент запаса устойчивости стенки по Эйлеру был определен стандартным образом, т. е. при решении задачи о собственных значениях [6–7, 14]. Коэффициент запаса при этом равен 5,963.
В результате расчетов установлено, что несущая способность стенки и рам жесткости при подъеме исследуемого резервуара для принятого проектного решения является обеспеченной.
Вывод
- Выполнено численное моделирование подъема резервуара РВС-20000, подкрепленного элементами дополнительной жесткости, в программном комплексе ANSYS APDL.
- Предложена и обоснована схема усиления оболочек резервуара вертикальными рамами жесткости, треугольными косынками (укрепление узла сопряжения стенки и окрайки).
- Рассчитаны значения действующих напряжений и перемещений в оболочечной конструкции РВС и в дополнительно установленных усиливающих элементах. Согласно приведенным в таблице 1 критериям работоспособности, действующие напряжения и перемещения не превышают критические значения более чем с 3-кратным запасом по прочности.
- С учетом реальной геометрии стенки резервуара коэффициент запаса устойчивости равен 5,963.
Рецензенты:
Мерданов Ш.М., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Транспортные и технологические системы», ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень;
Иванов В.А., д.т.н., профессор кафедры «Транспорт углеводородных ресурсов», ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.
Работа поступила в редакцию 29.07.2014.