Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

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 σ_т = 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 H_взл = 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.

Рис. 1. Расчетная схема РВСПК-50000

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.

а)

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)