Исследованиям напряженно-деформированного состояния (НДС) резервуарных металлоконструкций при осадках основания сооружения посвящены многие работы [2–3, 5–7, 10, 12–14]. В них рассмотрены предельные состояния элементов стенки, днища, кольца жесткости, окрайки, кровли и т.д., возникающие при неосесимметричном воздействии, вызванном неравномерными осадками. Однако для полной оценки технического состояния вертикальных стальных резервуаров, в случае выявления развития осадок оснований, необходимо учитывать влияние элементов дополнительной жесткости на изменение НДС металлоконструкций [1]. Такими элементами могут являться: приемо-раздаточный узел, трубопроводы газоуравнительной системы, узлы соединения шахтной лестницы со стенкой РВС. Авторами предлагается рассмотреть воздействие трубопроводов приемо-раздаточного устройства на общее напряженное состояние сооружения при развитии осадки основания.
Узел сопряжения приемо-раздаточного патрубка со стенкой резервуара является одной из наиболее нагруженных зон. Неблагоприятными факторами, влияющими на надежность узла сопряжения ПРП со стенкой, являются: концентраторы напряжений в сварных швах, циклические нагрузки от сливо-наливных операций, прогибы стенки при максимальном наливе продекта (до 20 мм в радиальном направлении для РВС-20000). Особую опасность представляют осадки резервуара, вызывающие появление дополнительных напряжений в металлоконструкциях, которые, суммируясь с эксплуатационными, могут в дальнейшем привести к возникновению предельных состояний в металле [4, 15]. В таком случае, при появлении непроектных нагрузок от неосесимметричного воздействия неравномерной осадки требуется дополнительное исследование влияния узла ПРП на НДС элементов сооружения.
Для получения численных зависимостей величины осадки на напряженное состояние элементов резервуара вблизи узла сопряжения стенки с ПРП авторами предлагается воспользоваться численными методами на основе конечно-элементного анализа. Программная среда, ANSYS Workbench 14.5, позволяет выполнять расчеты неосесимметричного деформирования цилиндрической оболочки с учетом физической и геометрической нелинейности модели. На основе полученной в [8] модели РВС-20000 построен узел сопряжения ПРП-700 со стенкой резервуара, учитывающий реальную геометрию металлоконструкций: трубопроводы ДУ700 с поворотным отводом 90°, усиливающие воротники с учетом проектного радиуса изгиба стенки. Решена контактная задача соединения трубопровода со стенкой и воротником, учитывающая неразъемное сварное соединение на основе связанного контакта «bonded». Учтены граничные условия взаимодействия трубопроводов ПРП со скользящей опорой: трубопроводы имеют полную свободу перемещения в горизонтальной плоскости, а также могут перемещаться в вертикальной в направлении «вверх». При этом запрещается перемещение в направлении «вниз», т.к. конструкции опор, на которые опираются трубопроводы ПРП, не предполагают просадки. На рис. 1 приведена расчетная схема узла приема-раздачи РВС-20000.
Рис. 1. Расчетная схема
Осадка резервуара РВС-20000 моделируется при помощи условия заданного перемещения «dispacement». Величина осадки задается табулированной функцией, в которой учитываются предельные значения осадки от 1 до 50 мм. Были проведены предварительные оценочные расчеты, на основе которых определены границы предельной осадки. Так, при величинах осадки < 1 мм значения напряжений не превышают 150 МПа даже при полностью наполненном РВС. При величине осадки > 50 мм возникают напряжения более 500 МПа в стенке РВС даже в случае полного отсутствия продукта. Для выполнения расчетов было произведено разбиение модели на конечно-элементную сетку. Трубопроводы моделировались при помощи конечных элементов SHELL181, а усиливающие воротники – SOLID186. Поэлементное измельчение сетки составило 0,05 м, на рис. 2 представлено разбиение элементов модели на конечно-элементную сетку.
Для получения численных зависимостей действующих эквивалентных напряжений в конструкциях от величины осадки РВС было рассмотрено 8 случаев нагружения РВС: опорожненный резервуар, полностью заполненный резервуар нефтью с уровнем налива 10,88 м, а также 6 вариантов заполнения на величину: 1,5; 3; 4,5; 6; 7,5; 9 м. Плотность нефти принимается равной 865 кг/м3. Такой подход позволяет произвести оценку напряженно-деформированного состояния узла соединения ПРП со стенкой резервуара в различных экспуатационных состояниях, а также определить предельно допустимую величину взлива нефти при выявлении осадки основания.
На рис. 3 представлена модель узла ПРП с распределением действующих эквивалентных напряжений в металлоконструкциях. Представлен случай наступления предельного состояния в зоне сварного соединения трубопроводов ПРП-700 со стенкой при осадке 30 мм. Участок с наибольшими напряжениями находится в околошовной зоне под нижней частью патрубка.
Рис. 2. Конечно-элементная модель узла ПРП-700 РВС-20000
Рис. 3. Эквивалентные напряжения в металлоконструкциях для опорожненного резервуара при осадке 30 мм
Проектная конструкция скользящей опоры, установленной на отдельный фундамент, предусматривает ограничение перемещения трубопроводов узла приема-раздачи в вертикальном направлении «вниз» – т.е. совместно с проседающим РВС. Вследствие этого при осадке РВС возникают деформации металлоконструкций стенки, усиливающего воротника и самого трубопровода ПРП. На рис. 4 представлена модель узла ПРП с распределением деформаций металлоконструкций для полностью заполненного резервуара (высота налива нефти – 10,88 м) при осадке 30 мм. Для оценки характера перемещений конструкций рассматриваемого узла применен масштабный коэффициент х30 для деформаций. Коэффициент применен для глобальной аффинной системы координат в плоскостях X, Y, Z. Из рис. 4 видно, что наибольшие деформации испытывает оболочка стенки РВС-20000, на которую действуют непроектные неосесимметричные нагрузки, вызванные осадкой основания.
На основании выполненных конечно-элементных расчетов получены зависимости максимальных действующих эквивалентных напряжений в металлоконструкциях от величины осадки РВС-20000.
На представленных графиках определена зона наступления предельного состояния в металле, а именно обозначен предел текучести стали 09Г2С ?т = 325 МПа. Так, при полностью заполненном резевуаре предельное состояние в металле наступает уже при 3 мм осадки, в случае рассмотрения опорожненного состояния РВС-20000 – предельное состояние наступает при 30 мм осадки.
Выводы
1. На основе разработанной авторами конечно-элементной модели РВС-20000 в [8] выполнено моделирование узла приема-раздачи нефти ПРП-700. Учтена проектная геометрия конструкции: технологические трубопроводы с 90° отводами, усиливающие воротники, особенности контактного взаимодействия трубопроводов ПРП со скользящими опорами.
Рис. 4. Деформации металлоконструкций для полностью заполненного резервуара (высота налива нефти – 10,88 м) при осадке 30 мм
Рис. 5. Зависимости максимальных действующих эквивалентных напряжений в металле в зоне соединения ПРП-700 со стенкой от величины осадки РВС-20000
2. Предложена расчетная схема деформирования конструкции РВС-20000 с приемо-раздаточным узлом при развитии осадки резервуара. При этом рассмотрены случаи как опорожненного, так и заполненного до максимального уровня РВС, а также выполнены расчеты для 6 вариантов заполнения резервуара нефтью на величину 1,5; 3; 4,5; 6; 7,5; 9 м.
3. Получены зависимости максимальных действующих эквивалентных напряжений в металле в зоне соединения ПРП-700 со стенкой от величины осадки РВС-20000 для пустого резервуара и различных случаев нагружения гидростатической нагрузкой. При величине осадки 30 мм действующие напряжения достигают 325 МПа (что соответствует пределу текучести стали 09Г2С) во всех случаях нагружения, как в самом благоприятном – при пустом РВС, так и заполненном нефтью при различных уровнях. Наиболее опасным случаем является осадка РВС с полным заполнением нефтью, при этом предельное состояние наступает при 3 мм, а при величине осадки, превышающей 10 мм, действующие эквивалентные напряжения достигают величины 500 МПа, что приводит к возникновению недопустимых пластических деформаций.
4. Расчетные результаты напряженно-деформированного состояния металлоконструкций резервуара при осадках его основания и полученные зависимости могут быть использованы в качестве теоретической основы создания методики оценки технического состояния узла приема-раздачи нефти при выявленных осадках основания резервуара.
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 10.10.2014.