Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Расчет конструкций вертикальных стальных резервуаров (РВС) должен выполняться по методике предельных состояний первой и второй групп в соответствии с ГОСТ Р 54257. Под предельными подразумевают такие состояния, при которых несущие конструкции РВС перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям при производстве работ. При строительстве и эксплуатации крупногабаритных резервуаров возникают нагрузки и воздействия, которые при определенных условиях могут вызвать возникновение предельных состояний как первой (по потере несущей способности и полной непригодности к эксплуатации конструкций), так и второй групп (по затруднению нормальной эксплуатации РВС) [4–5]. Современными нормативными документами: федеральным – РБ Серия 03. Выпуск 69 [1] и отраслевым (ОАО АК «Транснефть»), имеющим еще более жесткие требования, – РД-23.020.00-КТН-018-14 [3] регламентируются проверочные расчеты для определения величины предельных состояний первой и второй групп. Для этого предельные состояния первой группы проверяются расчетом на максимальные нагрузки и воздействия, возможные при нарушении нормальной эксплуатации, а предельные состояния второй группы – на нагружения, отвечающие нормальной эксплуатации конструкций. Несмотря на то что данными нормативными документами учитываются основные нагрузки (гидростатическая, снеговая, ветровая, нагрузка от веса оборудования, избыточного давления и вакуума и т.д.), всё же рассчитывается идеализированный случай, в котором не отражены геометрические несовершенства формы при строительстве, отклонения отметок основания от проектных вследствие возможного брака СМР и т.д. Эти факторы, согласно работам [6, 8, 10, 14], влияют на общее НДС резервуара и в конечном счете на наступление предельных состояний.

Неравномерная осадка наружного контура днища является одним из наиболее опасных факторов, вследствие которого может наступить предельное состояние одной из групп [9]. Согласно актуальному нормативному документу РД-23.020.00-КТН- 283-09 [2], устанавливающему более жесткие требования к осадке, чем в ГОСТ Р 31385-2008, величина равномерной осадки РВС-20000 не должна превышать 200 мм, а предельно допустимые значения неравномерной осадки регламентируются следующим образом (таблица):

Уже после первых 5 лет эксплуатации, почти в 25% случаев, согласно [7], возникают отклонения наружного контура днища от проектной величины. При этом может возникать как относительно безопасное равномерное проседание РВС по контуру вследствие уплотнения грунтового массива, так и появление неравномерности по наружному контуру днища, что при развитии может привести к пластическим деформациям металла и дальнейшему разрушению.

В случае превышения неравномерной осадки резервуара предельно допустимой величины нормативным документом [2] жестко регламентируется способ ремонта –используется метод подъема резервуара с помощью домкратов. Однако при этом не учитывается история нагружения РВС за весь жизненный цикл, характер приобретения неравномерной осадки [11]. Так, неравномерная осадка может быть изначально заложена как браком строительно-монтажных работ, ошибками проектирования, так и может появиться при действии циклических эксплуатационных нагрузок. Исходя из этого, следует учитывать уровень начальных напряжений в конструкциях РВС при обосновании ремонта во избежание появления пластических деформаций при подъеме [13].

Для исследования предельных деформационных величин РВС-20000 авторами была создана численная модель в конечно-элементном программном комплексе ANSYS. Верифицированная в [12] модель РВС-20000 позволила определить параметры собственной жесткости резервуара при различных величинах неравномерной осадки. Для задания величины просадочной зоны неравномерной осадки использован принятый в теории оболочек безразмерный параметр «n», а для задания значений вертикальных перемещений неравномерной осадки – параметр «u» [11]. Предложенная авторами модель РВС-20000 в неосесимметричной постановке по типовому проекту 704-1-60 учитывает все эксплуатационные нагрузки: гидростатическую, ветровую, снеговую, избыточное и вакуумметрическое давление и т.д. Решена контактная задача взаимодействия грунтового основания и железобетонного фундаментного кольца. В модели учтена работа основных конструктивных элементов РВС: стенки, окрайки, опорного кольца жесткости, балок кровли, листового настила кровли, фундаментного кольца. Узел сопряжения стенки, окрайки и фундаментного кольца смоделирован с учетом полученных результатов работы [15].

Проведенные авторами исследования позволили разработать инженерную методику определения необходимости ремонта РВС-20000 при осадках оснований. На рис. 1 по результатам расчетов, интерпретации и анализе данных собственной жесткости резервуара приведена схема оценки реального технического состояния сооружения при неравномерных осадках. На схеме по имеющимся данным из отчета по диагностике резервуара – точке пересечения кривой депланации «n» (рассчитывается в зависимости от радиуса РВС и длины просадочной зоны) и величине вертикальной составляющей осадки «u» – можно определить «зоны опасности».

Рис. 1. Зоны опасности напряжений

I зона опасности определяет уровень НДС резервуара, при котором действующие напряжения не превышают допускаемые по НТД [1–3] и составляют [σ] = 188 МПа. Гарантируется, что в пределах этой зоны не может наступить предельное состояние ни первой, ни второй группы. II зона опасности ограничена пределом текучести резервуарной стали 09Г2С [σ] = 325 МПа. При определенных условиях в этой зоне возможно возникновение предельных состояний второй группы в конструкциях РВС, необходимо проведение ремонта во избежание дальнейшего развития уровня напряжений и деформаций. Попадание точки пересечения прямой «u» и кривой «n» в III зону опасности говорит о том, что в резервуаре могут возникнуть предельные состояния как I, так и II групп, РВС в таком случае находится в аварийном состоянии и требуется незамедлительное проведение ремонтных работ.

При комплексном анализе НДС конструкций РВС-20000 авторами были выявлены наиболее уязвимые зоны, проявляющиеся при неосесимметричном нагружении, которое вызывается неравномерной осадкой. При величине осадки n ≤ 3 появляются зоны увеличенных напряжений в стенке над линией «излома», геометрически являющейся хордой, проходящей через границы зоны депланации.

На рис. 2 представлена эпюра с распределением эквивалентных напряжений в данном узле.

Рис. 2. Действующие напряжения в стенке и зоне опорного кольца РВС-20000

Анализируя прогибы оболочечной конструкции стенки при неравномерных осадках, достигающие порой 30 см в радиальном направлении над просадочной зоной, возникает вопрос обеспечения устойчивости тонкой цилиндрической оболочки – стенки резервуара. Это направление заслуживает детальных исследований.

При изучении распределения напряжений в конструкциях обнаружено, что при значениях n ≤ 5 в узле сопряжения кровли, стенки и опорного кольца концентрируются значительные напряжения. Особый интерес вызывает тот факт, что наибольшие напряжения в этом узле возникают не в кольце жесткости, а в участке листа стенки 8-го пояса над кольцом жесткости. Это свидетельствует о необходимости введения дополнительных требований к контролю сплошности сварных соединений опорного кольца и стенки в рамках диагностического обследования при обнаружении неравномерной осадки.

Рассматривая влияние неравномерной осадки на НДС конструкций резервуара, выявлено возникновение значительных прогибов (до 25 см) балок кровли в осевом направлении. При эксплуатации реального объекта это может привести к разрыву сварного соединения листов настила кровли и, как следствие, к разгерметизации газового пространства РВС. Характер деформирования балочного каркаса кровли имеет форму полуволн, количество которых определяется собственной жесткостью РВС и параметрами просадочной зоны. На рис. 3 приведена иллюстрация с прогибами каркаса кровли РВС при неравномерной осадке с величиной просадочной зоны n=1 (масштаб деформаций увеличен в 50 раз для визуализации).

Рис. 3. Прогибы балочной конструкции кровли РВС-20000 при осадке n=1

Вывод

1. В программном комплексе ANSYS авторами создана численная модель резервуара РВС-20000, учитывающая максимальное количество элементов металлоконструкций с учетом их геометрии и соединений, влияющих на НДС резервуара при неосесимметричном нагружении, в том числе за пределами упругости стали.
2. Получены зависимости между параметрами НДС и величиной неравномерной осадки u для просадочных зон со значениями n = 1..6.
3. Полученные параметры собственной жесткости РВС-20000 позволили разработать методику оценки технического состояния сооружения при развитии неравномерной осадки наружного контура днища.
4. Получены зависимости действующих напряжений в конструкциях РВС от величин «n» и «u», определены области предельных состояний (рис. 1), в соответствии с которыми принимается решение о необходимости ремонта или возможности продолжения эксплуатации резервуара при условии технического обоснования.
5. Выявлены зоны концентрации повышенных напряжений при неравномерных осадках: в стенке над линией «излома» – 235 МПа при n=2; в 8 поясе стенки над сварным швом – 195 МПа. Обнаружены значительные прогибы балок кровли – до 25 см при n=1. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости введения дополнительных требований к диагностике приведенных узлов в случае выявления неравномерной осадки РВС.

Рецензенты:

Захаров Н.С., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «САТМ», 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 29.07.2014.