Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЖЕСТКОСТИ ГАЗОУРАВНИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ РАЗВИТИИ ОСАДОК РЕЗЕРВУАРА

Чепур П.В. 1 Тарасенко А.А. 1 Грученкова А.А. 1 Антонов И.В. 2
1 Тюменский государственный нефтегазовый университет
2 ООО НПП «Симплекс»
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.
резервуар
РВС
НДС
основание
фундамент
МКЭ
ГУС
1. Тарасенко А.А. Способ определения упругих постоянных материалов // Патент RU 93018681 A, 7.04.1993.
2. Тарасенко А.А. Способ измерения положения стенки резервуара // Патент SU 1778517 A1, 17.12.1990.
3. Тарасенко А.А., Николаев Н.В., Хоперский Г.Г., Овчар З.Н., Саяпин М.В. Исследование влияния приемораздаточных патрубков на напряженно-деформированное состояние стенки вертикальных цилиндрических резервуаров // Известия вузов «Нефть и газ». – Тюмень, 1998. – № 1. – С. 59–68.
4. Тарасенко А.А., Чепур П.В. Определение действующих напряжений от подъемных устройств при ремонте фундамента резервуара // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9–11. – С. 2421–2425.
5. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Кузовников Е.В., Тарасенко Д.А. Расчет напряженно-деформированного состояния приемо-раздаточного патрубка с дефектом с целью обоснования возможности его дальнейшей эксплуатации // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9–7. – С. 1471–1476.
6. 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.
7. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Шарков А.Е., Гретченко Д.А. Технология диагностики вертикальных стальных резервуаров без снятия антикоррозионного покрытия // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9–8. – C. 1703–1708.
8. 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.
9. 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. – 2014. – № 5. – С. 60–63.
10. 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.
11. 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.
12. Чепур П.В., Тарасенко А.А. Влияние параметров неравномерной осадки на возникновение предельных состояний в резервуаре // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 8–7. – С. 1560–1564.
13. Чепур П.В., Тарасенко А.А. Методика определения необходимости ремонта резервуара при осадках основания // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 8–6. – C. 1336–1340.
14. 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.
15. Чирков С.В., Тарасенко А.А., Чепур П.В. Конечно-элементная модель вертикального стального резервуара с усиливающими элементами при его подъеме гидродомкратами // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9–5. – С. 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.


Библиографическая ссылка

Чепур П.В., Тарасенко А.А., Грученкова А.А., Антонов И.В. ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЖЕСТКОСТИ ГАЗОУРАВНИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ РАЗВИТИИ ОСАДОК РЕЗЕРВУАРА // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11-6. – С. 1292-1296;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35717 (дата обращения: 21.07.2019).

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