В настоящий момент разветвленная сеть магистральных нефтепроводов России связывает районы с различными физико-географическими характеристиками. Инфраструктура магистрального транспорта нефти распространена от полярных районов добычи сырья до южных районов, где осуществляется отгрузка на морской транспорт. Неотъемлемыми сооружениями в технологической цепочке являются крупногабаритные стальные резервуары (РВС), получившие большое распространение. В процессе эксплуатации резервуары испытывают сложное сочетание действующих нагрузок: гидростатическую (от веса продукта); собственный вес корпуса и покрытия; вакуум и избыточное давление (охлаждение/нагревание или слив/налив продукта соотв.); снеговая и ветровая нагрузки – в наибольшей степени обусловлены природно-климатическим фактором. Многолетний опыт проектирования резервуаров показал, что учёт ветровой нагрузки, представляющей собой случайное поле аэродинамических давлений, неосесимметрично распределенного по поверхности сооружения, имеет ряд нюансов. Поскольку РВС представляет собой сочленение различных металлоконструкций с разной кривизной, имеющих к тому же несовершенства геометрической формы, то для каждого резервуара распределение аэродинамического коэффициента ветрового потока по поверхности корпуса и кровли уникально, несмотря на однотипность резервуарных конструкций: отношения высоты к диаметру H/D, тип покрытия (стационарное, плавающее и др.), установленное технологическое оборудование на стенке и кровле (люки, патрубки, трубопроводы), рельеф площадки и прилегающей территории (а также рядом стоящие сооружения) – все эти факторы имеют существенное значение для распределения ветрового потока по поверхности конкретного резервуара. Поэтому авторами поставлена задача оценить НДС резервуара при воздействии ветровой нагрузки с учетом неравномерности распределения аэродинамического коэффициента, а также определить действующие напряжения и деформации корпуса и стационарной крыши распространенного резервуара РВС-20000, построенного по типовому проекту 704-1-60.
В работе [1] предложена гипотеза представления турбулентного потока ветра, заключающаяся в том, что на некоторую, в среднем установившуюся скорость потока воздуха накладываются скорости порывов, т.е. на установившееся в среднем давление, которое практически постоянно, накладывается пульсация давления, носящая случайный характер. Пульсации скоростного напора, вызванные порывами ветра, оказывают на сооружение динамическое воздействие, которое учитывается путем умножения скоростного напора на коэффициент ?:
qв = ?KQв, (1)
где ? – коэффициент увеличения скоростного напора, зависящий от пульсации ветрового потока и динамических характеристик сооружения; K – аэродинамический коэффициент; Qв – расчетный скоростной напор, Па.
Коэффициент увеличения скоростного напора определяется по формуле
? = 1 + ?m, (2)
где ? – коэффициент динамичности, зависящий от периода собственных колебаний сооружения Т и логарифмического декремента затухания колебаний сооружения; m – коэффициент пульсации скоростного потока ветра.
Поскольку определение аэродинамического коэффициента по всей поверхности резервуара является сложной экспериментальной задачей, для расчета параметров НДС сооружения нами были использованы результаты исследований работ [1, 14–15], полученных путём экспериментов на уменьшенной геометрически подобной модели РВС-20000 (масштаб 1:100) в аэродинамической трубе ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского. Значение аэродинамического коэффициента К есть отношение избыточного давления p на поверхности резервуара к нормативному скоростному напору Qн, назначаемому по СП 20.13330.2011:
(3)
Величины аэродинамического коэффициента K для РВС-20000 со стационарной крышей представлены в табл. 1.
Для определения напряжений и деформаций металлоконструкций РВС-20000 авторами предложена расчетная схема, представленная на рис. 1. Её реализация осуществлялась в конечно-элементной программе ANSYS, основные параметры представлены в табл. 2.
Использование предложенной авторами расчетной схемы позволило получить распределение деформаций и напряжений в металлоконструкциях РВС-20000 с учетом неосесимметричного воздействия ветровой нагрузки в соответствии с экспериментально полученными в [1] значениями аэродинамического коэффициента. На рис. 2 представлена эпюра перемещений листов стенки резервуара. Для визуализации применен масштабный коэффициент деформаций ?100; видно, что для заданных параметров ветровой нагрузки максимальные радиальные прогибы стенки (?ст = 1,19 мм) расположены на 8 поясе заветренной части сооружения. При этом резервуар имеет характерный наклон по направлению воздействия ветра.
При расчете НДС резервуара оказалось, что наибольшую опасность ветровая нагрузка представляет для конструкции кровли, в частности, узла сопряжения опорного кольца с балочным и листовым настилом, расположенного на наветренной части РВС, где возникает срыв ветрового потока. Ввиду особенностей геометрической формы РВС-20000 весь настил кровли находится под разряжением. В местах соединения несущих балок с кольцом жесткости возникают напряжения до 58 МПа при нормативном ветровом давлении 600 Па. Так как такие напряжения возникают только от действия ветра, они вносят большой вклад в общее напряженно-деформированное состояние резервуара, поскольку суммируются с напряжениями от столба жидкости, снега, вакуума. Еще большую опасность представляют собой ситуации, когда имеются отклонения геометрической формы металлоконструкций от проектных значений. В таком случае недопустимые напряжения могут концентрироваться в самых непредсказуемых местах, в особенности если деформации элементов конструкций вызваны развитием неравномерной осадки основания РВС [4]. На рис. 3 и 4 представлены полученные авторами распределение деформаций и напряжений в металлоконструкциях 8-го пояса стенки и стационарной кровли РВС-20000 при воздействии ветровой нагрузки в соответствии с принятой расчетной схемой на рис. 1.
Таблица 1
Значения аэродинамического коэффициента K для РВС-20000 со стационарной крышей
|
Координаты точек вдоль образующей стенки РВС-20000, м |
|||||||||
|
0 |
2,8 |
5,6 |
7 |
8,4 |
9,8 |
10,5 |
11,25 |
11,95 |
|
|
K |
1 |
0,97 |
0,9 |
0,82 |
0,65 |
0,5 |
0,185 |
–0,2 |
–1,56 |
Рис. 1. Расчетная схема: R – радиус резервуара; Нст – высота стенки; Vв – направление ветрового потока; К1 – разрежение воздуха по поверхности кровли; К2 – избыточное давление по поверхности передней стенки; К3 – разряжение воздуха по поверхности стенки в законтурной зоне; Н1 – распределение коэффициента К в плоскости уточного шва; Н2 – распределение коэффициента К на высоте 7,5 м; Н3 – распределение коэффициента К в плоскости верхней кромки стенки
Таблица 2
Параметры расчетной схемы РВС-20000 при анализе воздействия ветровой нагрузки, неосесимметрично распределенной по корпусу и стационарной крыше
|
1. Геометрическая модель |
|
В геометрической модели учитываются конструкции РВС-20000 согласно ТП-704-1-60: – железобетонного фундаментного кольца толщиной 0,3 м и шириной 1,5 м; – 8 поясов стенки толщиной от 13 до 11 мм, выравненные по внутреннему краю; – кровли, состоящей из 24 сегментов, сопряженных листами толщиной 6 мм и балками; – опорного кольца жесткости. Геометрическая модель резервуара использовалась при расчете НДС конструкции РВС-20000 при неравномерных осадках основания в [2, 5–7, 10-13] и прошла верификацию |
|
2. Действущие нагрузки |
|
– Расчеты выполнялись для опорожненного резервуара. – Распределенная нагрузка от стационарного оборудования кровли Fкр = 100 кН. – Снеговая нагрузка не учитывалась. – Ветровая нагрузка принята для V ветрового района (Новороссийск, Приморье) согласно СП 20.13330.2011 с учетом приведенных в табл. 1 и на рис. 1 значений аэродинамического коэффициента по поверхности стенки и кровли РВС, нормативный скоростной напор для этого района равен Qн = 600 Па. К V ветровому району относятся нефтебазы и морские терминалы на Черноморском побережье и Дальнем Востоке, где расположены резервуарные парки, наиболее сильно подверженные воздействию ветра в РФ, что обусловлено физико-географическим положением |
|
3. Граничные и контактные условия |
|
– Железобетонное фундаментное кольцо и центральная часть днища упруго закреплены по нижней грани, для чего использована линейно-упругая модель Винклера. Коэффициент постели грунтового основания k = 2?108 МН/м3 принят для искусственно уплотненного песчано-глинистого грунта. – Контакт окрайки и фундаментного кольца учитывает абсолютно жесткую связь (связанный контакт «bonded») без возможности разъединения и проскальзывания. – Соединения металлоконструкций кровли с опорным кольцом неразъемные, сварные – связаны контактом типа «bonded». Кровля не защемлена, учитывается её реальная конструктивная жесткость |
|
4. Дискретизация модели КЭ-сеткой |
|
– Стенка, листовой настил кровли, окрайка, днище, кольцо жесткости смоделированы с помощью восьмиузловых оболочечных КЭ-элементов SHELL181 с 6-ю степенями свободы для каждого узла (вращение и перемещение по осям X, Y, Z). – Балки каркаса кровли смоделированы с помощью двухузлового КЭ-элемета BEAM188 с 7-ю степенями свободы для каждого узла (вращение и перемещение по осям X, Y, Z). – Ветровая нагрузка смоделирована восьмиузловым поверхностным КЭ-элементом SURF154, имеющим нулевую толщину с задаваемым контактным давлением по поверхности (в соответствии с величиной ветровой нагрузки). – Всего сгенерировано 123906 узлов, 191307 контактных узлов, 102562 твердотельных элементов, 335248 – общее число всех типов КЭ-элементов. |
Рис. 2. Перемещения стенки РВС-20000 при воздействии ветровой нагрузки
Рис. 3. Эквивалентные напряжения в металлоконструкциях 8-го пояса стенки и стационарной кровли РВС-20000 при воздействии ветровой нагрузки
Рис. 4. Перемещения металлоконструкций опорного кольца и балок кровли РВС-20000 при воздействии ветровой нагрузки
Выводы
1. Разработана конечно-элементная модель резервуара РВС-20000 для расчета влияния ветровой нагрузки на НДС резервуара с учетом массива дифференцированных значений аэродинамического коэффициента.
2. Получено распределение напряжений и деформаций металлоконструкций РВС-20000 при воздействии неравномерно распределенного ветрового давления с нормативным значением Qн = 600 Па (для V ветрового района). Установлено, что наибольшие деформации и напряжения возникают в узле сопряжения стенки и стационарного настила.
3. Несмотря на то, что действующие напряжения в стенке РВС не превышают 122 МПа при воздействии ветровой нагрузки с нормативным значением Qн = 600 Па, они складываются с напряжениями, возникающими от эксплуатационных и возможных непроектных нагрузок, что может привести к достижению предельных состояний металлоконструкций РВС-20000.
4. Результаты расчета и опыт работ [3, 9] показали, что отклонение геометрической формы РВС от проектных значений приводит к перераспределению значений аэродинамического коэффициента по поверхностям стенки и кровли. Эти значения можно определить только экспериментальным путем либо с помощью моделирования в КЭ-пакетах типа ANSYS «Fluent» на основании реальной 3D модели, «продуваемой» в виртуальной аэродинамической трубе. Учитывая, что большое количество существующих РВС эксплуатируются с отклонениями геометрической формы, возникает необходимость разработки универсальной методики и подходов, позволяющих рассчитывать воздействие ветровой нагрузки на конструкцию резервуаров с учетом несовершенств геометрии стенки, кровли и имеющегося технологического оборудования.
5. Сравнивая результаты расчета НДС резервуара РВС-20000 в случаях неосесимметрично и равномерно распределенного ветрового давления, установлено, что при учете неравномерного воздействия ветра действующие напряжения в узле сопряжения кровли и стенке на 55 процентов выше, чем в случае расчетной схемы с равномерной нагрузкой.