Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,118

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДЪЕМА РЕЗЕРВУАРА ПРИ РЕМОНТЕ КОЛЬЦЕВОГО ФУНДАМЕНТА

Тарасенко А.А. 1 Чирков С.В. 1
1 «Тюменский государственный нефтегазовый университет»
Рассмотрена практика выполнения ремонта вертикальных стальных резервуаров с подъемом и временным перемещением, проанализирован опыт таких технологий, освоенный американской фирмой MTS (Mix bros. Tank services). Выполнено численное моделирование подъема вертикального стального цилиндрического резервуара РВС-20000, подкрепленного элементами дополнительной жесткости, в программном комплексе ANSYS APDL. Предложена и обоснована схема усиления оболочек резервуара вертикальными рамами жесткости, треугольными косынками (укрепление узла сопряжения стенки и окрайки). Рассчитаны значения действующих напряжений и перемещений в оболочечной конструкции РВС и в дополнительно установленных усиливающих элементах. Произведено сравнение действующих напряжений и перемещений по критериям работоспособности, получено заключение о не превышении критических значений. Полученный запас прочности имеет трехкратный запас. Также рассчитан коэффициент запаса устойчивости. С учетом реальной геометрии стенки резервуара коэффициент запаса устойчивости равен 5,963.
резервуар
РВС
НДС
подъем
основание
МКЭ
прочность
подъем домкратами.
1. РД-23.020.00-КТН-283-09. Правила ремонта и реконструкции резервуаров для хранения нефти объемом 1000–50000 куб. м.
2. СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия: актуализированная редакция. СНиП 2.01.07-85*. – Изд. офиц. – Взамен 20.13330.2010. – М., 2011. – 81 с.
3. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции: актуализированная редакция СНиП II-23-81*. – Изд. офиц. – Взамен СП 16.13330.2010. – М., 2011. – 171 с.
4. Тарасенко А.А. Напряженно-деформированное состояние крупногабаритных резервуаров при ремонтных работах: дис. … канд. техн. наук. – Тюмень, 1991. – 254 с.
5. Тарасенко А.А. Разработка научных основ методов ремонта вертикальных стальных резервуаров: дис. … докт. техн. наук. – Тюмень, 1999. – 299 с.
6. Тарасенко А.А., Николаев Н.В., Хоперский Г.Г., Саяпин М.В. Напряженно-деформированное состояние стенки резервуара при неравномерных осадках основания // Известия вузов “Нефть и газ”. – Тюмень. – 1997. – №3. – С. 75-79.
7. Тарасенко А.А., Саяпин М.В. Результаты статистической обработки измерений неравномерных осадок наружного контура днища вертикальных стальных резервуаров // Известия вузов «Нефть и газ». – Тюмень. – 1999. – №1. – С. 52-56.
8. Тарасенко А.А., Сильницкий П.Ф., Тарасенко Д.А. Противоречия в современной нормативно-технической базе при ремонте резервуаров // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-15. – C. 3400-3403.
9. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Тарасенко Д.А. Деформирование верхнего края оболочки при развитии неравномерных осадок резервуара // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 6-3. – C. 485-489.
10. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Чирков С.В. Исследование изменения напряженно-деформированного состояния вертикального стального резервуара при развитии неравномерной осадки наружного контура днища // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-15. – C. 3409-3413.
11. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Чирков С.В. Обоснование необходимости учета истории нагружения конструкции при ремонте фундамента с подъемом резервуара // Безопасность труда в промышленности. – Москва. – 2014. – №5. – С. 60-63.
12. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Чирков С.В., Тарасенко Д.А. Модель резервуара в среде ANSYS Workbench 14.5 // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-15. – C. 3404-3408.
13. Тиханов Е.А., Тарасенко А.А., Чепур П.В. Оценка экономической эффективности капитального ремонта основания вертикального стального резервуара методом перемещения // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 6-2. – C. 330-334.
14. Хоперский Г.Г., Овчар З.Н., Тарасенко А.А., Николаев Н.В. Определение неравномерной составляющей осадки резервуаров, вызывающей неосесимметричную деформацию // Известия вузов “Нефть и газ”. – Тюмень, – 1997. – № 5. – С. 80-85.
15. Чепур П.В., Тарасенко А.А., Тарасенко Д.А. Исследование влияния величины выступа окрайки на напряженно-деформированное состояние вертикального стального цилиндрического резервуара при развитии неравномерной осадки наружного контура днища // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-15. – C. 3441-3445.

При назначении способов ремонта вертикальных стальных цилиндрических резервуаров (РВС) в последнее время нередко возникает необходимость выполнения ремонта железобетонного кольца, являющегося фундаментом резервуара [4–5, 13]. Практика ремонта фундамента захватками с удалением части металлоконструкций широко известна (рис. 1а) и не вызывает затруднений у ремонтных подразделений. Гораздо сложнее выполнить ремонт с подъемом или даже временным перемещением резервуара, освоенным американской фирмой MTS (Mix bros. Tank services) (рис. 1б) [8, 10].

5424.jpg 5418.jpg

Рис. 1. Примеры ремонта фундамента захватками (а) и с полным подъемом (б).

После выполнения дефектоскопии на одном из предприятий магистрального транспорта нефти возникла необходимость в полной замене фундамента под резервуаром РВС-20000. Было принято решение выполнить подъем резервуара по всему периметру, заменить фундамент и впоследствии опустить РВС. Поскольку конструкция резервуара представляет собой тонкостенную оболочку и не рассчитывалась при проектировании на сосредоточенные нагрузки от подъемных устройств, возникла необходимость выполнить теоретическое обоснование возможности выполнения такого ремонта [11]. Для проверки проектного решения необходимо выполнить расчет напряженно-деформированного состояния стенки при различных этапах подъема резервуара и ремонта фундамента. Расчет выполнен методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS.

Для создания расчетной модели были использованы значения толщины листов стенки резервуара по результатам ультразвуковой толщинометрии (УЗТ). Толщина стенки для 1–8 поясов и ремонтных вставок первого пояса дифференцируется от 12,3 мм до 9,1 мм. Конечно-элементная модель стенки (рис. 2) представляет собой стальную цилиндрическую оболочку с диаметром D = 45600 мм и высотой H = 11920 мм. Конструкции сферической крыши в расчетной схеме моделируются приложением вертикальной нагрузки от собственного веса элементов крыши и установленного оборудования к верхнему поясу стенки. Действие на крышу нагрузки от снега не учитывалось. Моментная и распорная составляющие нагрузки от веса крыши в расчетной схеме не учтены, т.к. они создают моментную нагрузку только в зоне действия краевого эффекта в верхних поясах стенки. При составлении расчетной схемы рассматривался подъем резервуара при отказе в работе четырёх домкратов как наиболее неблагоприятная, с точки зрения нагрузок, операция.

5413.jpg

Рис. 2. Конечно-элементная модель РВС-20000

В модели использовано 48974 оболочечных элемента SHELL181, 1924 балочных элемента BEAM188 и 30740 элементов типа SURF 154 для задания ветровой нагрузки [9, 12, 15].

Толщины поясов стенки соответствуют минимальным значениям, полученным по результатам ультразвуковой толщинометрии.

Опорные балки под установку подъемных устройств смоделированы стойками из двух швеллеров № 27 и ригелями из двух швеллеров № 12.

Граничные условия задавались на нижней линии уторного узла как ограничение вертикальных и радиальных перемещений. Комбинация нагрузок определена в соответствии с [1] и включает в себя собственный вес стенки и крыши, ветровое давление, включающее статическую и импульсивную составляющие (рис. 3).

Необходимо отметить, что, исходя из приведенных нагрузок, [1] предусматривает ремонт резервуара в условиях расчетного снега при штормовом ветре.

5404.jpg

Рис. 3. Эпюра ветрового давления

В расчетах учтен коэффициент надежности по нагрузке γf [2]:

– для ветрового давления: при расчете перемещений – 1, при расчете на прочность – 1,4;

– для веса металлоконструкций – 1,05.

Коэффициент надежности по назначению γn принят равным 1,1 [2].

Прочностные критерии определены в соответствии с [1] и представлены в таблице.

Условия жесткости для РВС-20000 принимают следующие значения:

– вертикальные перемещения не должны превышать 4 мм;

– радиальные перемещения не должны превышать 10 мм;

– окружные перемещения не должны превышать 10 мм.

Элемент модели

Критерий работоспособности

Стенка

1. Срединные главные напряжения в кольцевом направлении не должны превышать предела текучести стали с учетом коэффициентов запаса:

5393.jpg (1)

где Ryn – минимальное значение предела текучести материала стенки;

γm – коэффициент надежности по материалу, равный 1,025;

γc – коэффициент условий работы, равный для первого пояса стенки, – 0,7, для остальных – 0,9.

2. Поверхностные (фибровые) главные напряжения в кольцевом направлении не должны превышать предела текучести стали:

σф ≤ Ryn (2)

3. Эквивалентные напряжения по Мизесу не должны превышать предела текучести стали:

σe ≤ Ryn (3)

 

Для стали 09Г2С, приведенное условие прочности принимает вид:

– для листов толщиной от 2 до 10 мм (4):

314003.PNG

Условие прочности для стержневых элементов каркаса рамы принято в соответствии с требованиями [3]:

314012.PNG (5)

где γс = 0,75 – коэффициент условия работы (табл. 1 [3]).

Для стали С245 предельное напряжение равно: 179,3 МПа.

Расчет проводился в геометрически нелинейной постановке в три этапа.

– первый этап: приложены нагрузки от собственного веса стенки, крыши, оборудования и вертикальных рам жёсткости;

– на втором этапе заданы граничные условия перемещения резервуара вдоль оси Z;

– на третьем этапе приложена нагрузка от ветрового давления.

В результате расчетов получены параметры напряженно-деформированного состояния в стенке резервуара и элементах рамы жесткости. Величины и распределение перемещений и напряжений в стенке резервуара и вертикальных рамах жесткости приведены на рис. 4 – 5.

5360.jpg

Рис. 4. Эквивалентные по Мизесу напряжения в стенке (мембранные напряжения), Па

5350.jpg

Рис. 5. Эквивалентные по Мизесу напряжения в элементах рамы жесткости, Па

Значения максимальных напряжений и перемещений лежат в допустимых пределах. Максимальные напряжения в стенке 1-го пояса составляют 17,2 МПА, 2–8 поясов – 6,13 МПа, в конструкциях усиливающего каркаса – 22,8 МПа, при допускаемых: 214 МПа, 275 МПа и 179,3 МПа соответственно. Максимальные радиальные, окружные и вертикальные перемещения стенки РВС не превышают 1,17 мм при минимально допустимом значении 4 мм, что говорит о достаточном обеспечении жесткости конструкции.

Поскольку при решении нелинейной задачи потери устойчивости конструкции не наблюдалось, коэффициент запаса устойчивости стенки по Эйлеру был определен стандартным образом, т. е. при решении задачи о собственных значениях [6–7, 14]. Коэффициент запаса при этом равен 5,963.

В результате расчетов установлено, что несущая способность стенки и рам жесткости при подъеме исследуемого резервуара для принятого проектного решения является обеспеченной.

Вывод

  1. Выполнено численное моделирование подъема резервуара РВС-20000, подкрепленного элементами дополнительной жесткости, в программном комплексе ANSYS APDL.
  2. Предложена и обоснована схема усиления оболочек резервуара вертикальными рамами жесткости, треугольными косынками (укрепление узла сопряжения стенки и окрайки).
  3. Рассчитаны значения действующих напряжений и перемещений в оболочечной конструкции РВС и в дополнительно установленных усиливающих элементах. Согласно приведенным в таблице 1 критериям работоспособности, действующие напряжения и перемещения не превышают критические значения более чем с 3-кратным запасом по прочности.
  4. С учетом реальной геометрии стенки резервуара коэффициент запаса устойчивости равен 5,963.

Рецензенты:

Мерданов Ш.М., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Транспортные и технологические системы», ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень;

Иванов В.А., д.т.н., профессор кафедры «Транспорт углеводородных ресурсов», ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.

Работа поступила в редакцию 29.07.2014.


Библиографическая ссылка

Тарасенко А.А., Чирков С.В. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДЪЕМА РЕЗЕРВУАРА ПРИ РЕМОНТЕ КОЛЬЦЕВОГО ФУНДАМЕНТА // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 8-7. – С. 1555-1559;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35251 (дата обращения: 16.08.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252