Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

NUMERICAL ANALYSIS OF HARDNESS GAS SYSTEM EQUALIZATION IN DIFFERENTIAL SETTLEMENT DEVELOPMENT OF TANK

Chepur P.V. 1 Tarasenko A.A. 1 Gruchenkova A.A. 1 Antonov I.V. 2
1 Tyumen State Oil and Gas University
2 Simplex
На основе МКЭ разработана модель деформирования резервуара РВС-20000 при развитии осадок основания с учетом элементов дополнительной жесткости газоуравнительной системы. Решена контактная задача взаимодействия трубопровода ДУ700 ГУС со стенкой резервуара через балочные связи (профиль – уголок равнополочный). Также решена задача кинематического взаимодействия трубопровода ГУС в зоне узла сопряжения с тонкостенным листом кровли. Получены зависимости действующих эквивалентных напряжений в металлоконструкциях стенки и трубопровода ГУС от величины осадки РВС-20000. Наибольшие напряжения возникают в трубопроводе ГУС в зоне его выхода на дневную поверхность. Предельное состояние возникает при величине осадки 30 мм, эквивалентные напряжения в металле 09Г2С при этом достигают предела текучести 325 МПа. В местах прикрепления трубопровода к стенке посредством металлических балочных связей-уголков опасных напряжений не возникает. В зонах сварного соединения балок со стенкой максимальные напряжения не превышают 100 МПа при 30 мм осадки. Установлено, что используемая конструкция U-образного компенсатора позволяет избежать появления избыточных напряжений в металлоконструкциях верхнего узла резервуара и трубопровода ГУС при развитии осадки основания РВС-20000. Полученные результаты позволяют внести дополнения в методику [13] оценки технического состояния резервуара РВС-20000 при развитии осадок основания в части учета влияния элементов дополнительной жесткости на НДС резервуара.
On the basis of the FEM model is developed deformation tank RVS-20000 at the base of the development of the precipitate with the elements added rigidity GSE. Solved the contact problem of the interaction of the pipeline DN700 GSE vessel wall through beam connection (profile – Equal Area). Also solved the problem of the kinematic interaction of the pipeline in the area of ​​GSE node interface with thin-leaf roof. The dependences of the current equivalent stress in structures and pipe wall GSE on the value of rainfall RVS-20000. The highest stresses occur in the pipeline in the area of ​​GSE its release to the surface. The limiting condition occurs at the value 30 mm rainfall equivalent stress in the metal 09G2S thus reach the yield strength 325 MPa. In the field of attachment to the wall of the pipe by means of metal-beam connections over the dangerous voltages arises. In the weld beams to the wall of the maximum voltage does not exceed 100 MPa at 30 mm rainfall. Established that the design used a U-shaped compensator avoids the appearance of excess stresses in structures of the upper node of the tank and piping in the development of GSE rainfall base RVS-20000. The obtained results allow us to make additions to the methodology [11] evaluate the technical condition of the tank RVS-20000 in the development of sediment in the base of the accounting impact of the elements added rigidity to the stress-strain state tank.
tank
aboveground tank
stress-strain state
base
foundation
FEM
GSE
1. Tarasenko A.A. Patent RU 93018681 A, 7.04.1993.
2. Tarasenko A.A. Patent SU 1778517 A1, 17.12.1990.
3. Tarasenko A.A., Nikolaev N.V., Hoperskij G.G., Ovchar Z.N., Sajapin M.V. Izvestijavuzov.Neft›igaz. 1998, no.1, pp. 59–68.
4. Tarasenko A.A., Chepur P.V. Fundamental research, 2014, no. 9–11, pp. 2421–2425.
5. Tarasenko A.A., Chepur P.V., Kuzovnikov E.V., Tarasenko D.A. Fundamental research, 2014, no. 9–7, pp. 1471–1476.
6. Tarasenko A.A., Chepur P.V., Tarasenko D.A. Fundamental research, 2014, no. 6–3, pp. 485–489.
7. Tarasenko A.A., Chepur P.V., Sharkov A.E., Gretchenko D.A. Fundamental research, 2014, no. 9–8, pp. 1703–1708.
8. Tarasenko A.A., Chepur P.V., Chirkov S.V. Fundamental research, 2013, no. 10–15, pp. 3409–3413.
9. Tarasenko A.A., Chepur P.V., Chirkov S.V. Bezopasnost truda v promyshlennosti, 2014, no. 5, pp. 60–63.
10. Tarasenko A.A., Chepur P.V., Chirkov S.V., Tarasenko D.A. Fundamental research, 2013, no. 10–15, pp. 3404–3408.
11. Tihanov E.A., Tarasenko A.A., Chepur P.V. Fundamental research, 2014, no. 6–2, pp. 330–334.
12. Chepur P.V., Tarasenko A.A. Fundamental research, 2014, no. 8–7, pp. 1560–1564.
13. Chepur P.V., Tarasenko A.A. Fundamental research, 2014, no. 8–6, pp. 1336–1340.
14. Chepur P.V., Tarasenko A.A., Tarasenko D.A. Fundamental research, 2013, no. 10–15, pp. 3441–3445.
15. Chirkov S.V., Tarasenko A.A., Chepur P.V. Fundamental research, 2014, no. 9–5, pp. 1003–1007.

При анализе работ [3, 5, 12–13] выяснилось, что осадка основания резервуара может приводить к появлению опасных избыточных напряжений, в особенности при наличии конструктивных элементов дополнительной жесткости. Авторами в работе [3] проанализировано влияние приемо-раздаточного устройства на изменение НДС резервуара РВС-20000 при осадках основания, работа [12] посвящена исследованию влияния системы трубопроводов аварийного сброса нефти. В данной статье предполагается выяснить, как жесткость трубопровода ДУ700 газоуравнительной системы (ГУС) влияет на напряженное состояние РВС-20000 при развитии осадки наружного контура днища. На рис. 1 представлен РВС с трубопроводом ГУС, выходящим на дневную поверхность на расстоянии 2,5 от кольцевого фундамента, имеющим 4 точки присоединения к стенке резервуара, а также узел сопряжения с кровлей посредством использования сварного патрубка, резинотканевого компенсатора, смонтированного посередине U-образного участка трубопровода.

pic_39.tif pic_40.tif

Рис. 1. Общий вид узла соединения ГУС с РВС-20000

Авторами предлагается выполнить численное моделирование деформирования металлоконструкций РВС-20000 при развитии осадки основания с учетом жесткости трубопровода ГУС. Наиболее приемлемым для целей исследования является метод конечных элементов (МКЭ) с реализацией в пакете ANSYS, программная среда которого позволяет строить максимально точную геометрическую модель с учетом нелинейностей и возможностями неосесимметричных расчетов. Известно, что для снижения трудоемкости расчетов с применением МКЭ во многих работах вырезается сегмент модели, после чего, с применением ряда ограничений и допущений, рассчитывается задача в осесимметричной постановке. Однако такой подход не позволяет с достаточной точностью оценить влияние неосесимметричной нагрузки на элементы дополнительной жесткости при развитии осадки резервуара. Поэтому авторы постарались максимально точно выполнить геометрическое моделирование исследуемого объекта – РВС-20000 с учетом особенностей реальной конструкции ГУС. На рис. 2, а, представлена расчетная схема деформирования РВС при развитии осадки основания. Модель резервуара выполнена авторами в [8], а верифицирована в [10]. В данной работе построена модель системы ГУС на основе РВС-20000 с учетом следующих граничных условий: жесткого защемления нижнего торца трубопровода ДУ700, подвижного закрепления верхнего торца с листом кровли, контактного взаимодействия балок-связей со стенкой РВС и трубопроводом ГУС. Осадку предлагается задавать при помощи табулированной функции «tabular data» (рис. 2, б). Исходя из полученных результатов оценочного расчета, авторами задано 10 этапов с увеличением уровня осадки от 0 до 3 см. Шаг увеличения величины осадки для каждого последующего расчетного этапа варьируется от 10 до 50 мм, значения шага для каждого этапа представлены в таблице на рис. 2, б. Также на данном рисунке приведен график функции приращения величины осадки.

При моделировании верхнего узла сопряжения ГУС с кровлей резервуара необходимо было решить задачу формирования кинематической связи элементов компенсатора на U-образном участке трубопровода. Для этого в программе ANSYS Workbench 14.5 авторами был применен специальный пакет инструментов «Joints». В данном случае были назначены опорные (лист настила кровли толщиной 4 мм) и подвижная (трубопровод ГУС ДУ700) части. При моделировании узла был назначен тип кинематической связи «Planar», при котором для всех узлов опорной и подвижной частей связываются вращательные степени свободы ROTX и ROTY (оси X и Y лежат в горизонтальной плоскости проекции), а также поступательная степень свободы UZ (в осевом направлении).

Разбиение на сетку осуществлялось в автоматическом режиме со сгущением плотности в контактных зонах. Для элементов металлоконструкций ГУС использовались балочные BEAM188 (связи со стенкой) и оболочечные SHELL181 (трубопровод) элементы. В соответствии с предложенной расчетной схемой и настройками решателя были получены численные результаты изменения НДС РВС-20000 при развитии осадки основания с учетом реальной конструкции системы ГУС. На рис. 3 и 4 представлены эпюры распределения деформаций и эквивалентных напряжений по фон Мизесу в металлоконструкциях РВС-20000 и элементах ГУС.

pic_41.tif а pic_42.tif  б

Рис. 2. а – расчетная схема РВС-20000 с ГУС при развитии осадки основания; б – табулированная функция развития осадки

pic_43.tif pic_44.tif

Рис. 3. Деформации металлоконструкций РВС-20000 в местах соединения с ГУС

На основе полученных данных конечно-элементного анализа построены функциональные зависимости значений эквивалентных напряжений в металлоконструкциях от величины осадки основания РВС. Авторами предложено оценить значения действующих напряжений в стенке РВС и трубопроводе при значениях осадки от 0 до 30 мм, а также сравнить величину полученных напряжений с предельными значениями.

На рис. 5 представлен график зависимости действующих эквивалентных напряжений в металлоконструкциях стенки и трубопровода ГУС от величины осадки РВС-20000.

pic_45.tif pic_46.tif

Рис. 4. Действующие эквивалентные напряжения в металлоконструкциях РВС-20000

pic_47.wmf

Рис. 5. Зависимость действующих эквивалентных напряжений в металлоконструкциях стенки и трубопровода ГУС от величины осадки РВС-20000

Анализируя полученные зависимости, установлено, что при развитии осадки резервуара с трубопроводом ГУС предельное состояние возникает вначале в трубопроводе ДУ700 в месте его выхода на дневную поверхность. При этом в металлоконструкциях стенки в местах сопряжения с балками-связями трубопровода ГУС действующие напряжения не превышают 100 МПа даже при осадке 30 мм. С другой стороны, уже при величине осадки 22 мм напряжения в трубопроводе ГУС ДУ700 превышают допустимый порог, определенный в НТД (188 МПа), а при величине осадки 30 мм напряжения достигают предела текучести стали 09Г2С. На основе данных исследования авторами сделаны следующие выводы.

Выводы

1. На основе МКЭ разработана модель деформирования резервуара РВС-20000 при развитии осадок основания с учетом элементов дополнительной жесткости газоуравнительной системы. Геометрические, конструктивные характеристики модели в рамках предложенной расчетной схемы соответствуют реальным проектным параметрам ГУС для резервуара РВС-20000. В модели учитываются особенности нелинейного деформирования, свойства материалов модели и условия неосесимметричного нагружения.

2. Решена контактная задача взаимодействия трубопровода ДУ700 ГУС со стенкой резервуара через балочные связи (профиль – уголок равнополочный). Также решена задача кинематического взаимодействия трубопровода ГУС в зоне узла сопряжения с тонкостенным листом кровли.

3. Получены зависимости действующих эквивалентных напряжений в металлоконструкциях стенки и трубопровода ГУС от величины осадки РВС-20000. Наибольшие напряжения возникают в трубопроводе ГУС в зоне его выхода на дневную поверхность. Предельное состояние возникает при величине осадки 30 мм, эквивалентные напряжения в металле 09Г2С при этом достигают предела текучести 325 МПа. В местах прикрепления трубопровода к стенке посредством металлических балочных связей-уголков опасных напряжений не возникает. В зонах сварного соединения балок со стенкой максимальные напряжения не превышают 100 МПа при 30 мм осадки.

4. Установлено, что используемая конструкция U-образного компенсатора позволяет избежать появления избыточных напряжений в металлоконструкциях верхнего узла резервуара и трубопровода ГУС при развитии осадки основания РВС-20000.

5. Полученные результаты позволяют внести дополнения в методику [13] оценки технического состояния резервуара РВС-20000 при развитии осадок основания в части учета влияния элементов дополнительной жесткости на НДС 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 28.10.2014.