Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ СИСТЕМЫ ПОДСЛОЙНОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РЕЗЕРВУАРА ПРИ ОСАДКЕ ОСНОВАНИЯ

Тарасенко А.А. 1 Чепур П.В. 1 Грученкова А.А. 1 Соколов С.С. 2
1 Тюменский государственный нефтегазовый университет
2 ООО НПП «Симплекс»
Выполнено численное моделирование трубопровода системы подслойного пожаротушения ДУ100 на основе ранее разработанной модели РВС-20000. Реализован расчет деформирования конструкций резервуара при развитии осадок основания с помощью конечно-элементного программного комплекса ANSYS. При моделировании геометрии учтены основные проектно-конструктивные особенности реально эксплуатируемого объекта – резервуара РВС-20000 на ЛПДС «Торгили», Тюменская обл. Решена задача контактного взаимодействия элементов: трубопровод СППТ – стержневая связь – стенка РВС. Была использована модель «сварной контакт» – «spot weld» для расчета изменения НДС в металле в зонах влияния элементов дополнительной жесткости при развитии осадки основания РВС. Значения полученных результатов напряжений свидетельствуют о том, что при осадке РВС на величину 20 см эквивалентные напряжения в стенке не превышают 30 МПа. Сделаны предложения в части возможности применения компенсирующих устройств на технологических трубопроводах малого диаметра для минимизации рисков разрушения в случае развития осадок основания резервуара.
резервуар
РВС
НДС
основание
фундамент
МКЭ
СППТ
1. 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–
2. 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.
3. Тарасенко А.А., Чепур П.В. Напряженно-деформированное состояние верхнего опорного кольца резервуара при неосесимметричных деформациях корпуса // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11–3. – С. 525–529.
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 эксплуатации крупногабаритных вертикальных стальных резервуаров нередко приходится сталкиваться с проблемой осадок их оснований. Неравномерные осадки согласно [1] вызывают изменение напряженно-деформированного состояния конструкции РВС в различных узлах: стенке и уторном шве [14], опорном кольце [3], элементах стального покрытия [8]. Однако при наличии связей дополнительной жесткости – трубопроводов, патрубков и т.д. со стенкой даже равномерные по площади осадки могут вызвать опасные избыточные напряжения в металлоконструкциях резервуара. Учитывая неосесимметричный характер приложения нагрузок от элементов дополнительной жесткости при развитии осадок, существующие аналитические методики не позволяют с необходимой точностью оценить уровень НДС резервуара. Так, в работе авторов [5] численные методы с реализацией в программе ANSYS позволили оценить воздействие приемо-раздаточного патрубка на напряженное состояние резервуара РВС-20000 при развитии осадки основания.

Известно, что в составе технологической обвязки резервуаров присутствуют трубопроводы пожаротушения, аварийного орошения и т.д. Как правило, они посредством сварного соединения прикреплены к стенке через балки-связи различного профиля (уголок, швеллер, труба и др.). За пределами резервуара данные трубопроводы имеют отдельные от РВС фундаменты-стойки или вовсе проходят подземно с выходом на дневную поверхность непосредственно перед объектом. Обычно диаметр трубопроводов этих технологических систем не превышает 159 мм. Вследствие перечисленных особенностей при развитии осадок резервуара данные элементы не могут перемещаться совместно с корпусом РВС. Возникают деформации различных элементов и неосесимметричное изменение НДС металлоконструкций. В настоящей работе поставлена задача численно исследовать влияние трубопроводов системы подслойного пожаротушения (СППТ) на НДС конструкции при развитии осадки резервуара. На рис. 1 представлен резервуар РВС-20000 и обозначен рассматриваемый далее узел СППТ.

pic_16.tif

Рис. 1. Общий вид узла подключения трубопровода пожаротушения к РВС-20000

В [10] создана и верифицирована конечно-элементная модель РВС-20000 с помощью комплекса физического анализа ANSYS. На ее основе предлагается смоделировать процесс деформирования трубопровода СППТ при развитии осадки резервуара. Геометрические и конструкционные параметры модели приняты в соответствии с реально эксплуатируемым резервуаром на ЛПДС «Торгили» и его технологической обвязкой. Расчетная схема представляет собой опирающйся на кольцевой фундамент резервуар с жестко закрепленным трубопроводом СППТ, имеющим контактные связи со стенкой типа «точечная сварка» – «spot weld». Такой тип контакта позволяет выполнить симулящию закрепления оболочечного тонкостенного трубопровода на стенке через балочные стержневые элементы, которым соответствует задаваемый металлический профиль – уголок равнополочный 100×100×7. Осадка РВС-20000 моделируется с помощью команды «displacement» – заданное перемещение, целевая геометрия которой – нижняя грань фундаментного кольца и нижняя плоскость центральной части днища. Перемещение устанавливается при помощи команды табулированных функций «tabular data» с предельными значениями осадки от 10 до 200 мм. Предельные значения определены на основании оценочного расчета в соответствии с рекомендованной методикой [12]. Свободный торец трубопровода СППТ с диаметром ДУ100 жестко закреплен с полным запретом перемещений и вращений в осях глобальной системы координат. На рис. 2 представлена расчетная схема РВС-20000 с результатами разбиения на конечно-элементную сетку. Сетка создана в автоматическом режиме с зонами увеличенной дискретизации в контактных узлах элементов моделируемых металлоконструкций резервуара.

По завершении препроцессинговой подготовки модели – составления элементных матриц жесткости и внешних нагрузок, учета граничных условий с заданными нулевыми и ненулевыми смещениями узлов, запускается итерационный решатель ANSYS, в результате чего решаются системы разрешающих уравнений МКЭ. По завершении автоматизированного разложения матрицы коэффициентов и решения системы выполняется определение внутренних усилий в элементах РВС: составляются векторы перемещений для конечных элементов с необходимыми преобразованиями локальных систем координат, строятся матрицы напряжений и деформаций в отдельности для каждого конечного элемента. Результаты обрабатываются в рамках интерфейса ANSYS для дальнейшейшей постпроцессинговой обработки. Так, на рис. 3–4 представлены эпюры деформаций и напряжений конструкции РВС-20000 и элементов СППТ, полученные в результате моделирования согласно предложенной авторами расчетной схеме.

pic_17.tif

Рис. 2. Расчетная схема РВС-20000 с ГУС при развитии осадки основания

pic_18.tif pic_19.tif

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

Результаты постпроцессинга позволили получить зависимости действующих эквивалентных напряжений в металлоконструкциях стенки и трубопровода СППТ от величины осадки РВС-20000. На рис. 5 представлены графики с полученными функциональными зависимостями.

На графике рис. 5 также обозначены зоны наступления предельных состояний в металлоконструкциях. Первый горизонтальный отсекающий отрезок соответствует уровню допускаемых напряжений по НТД – 188 МПа [12]. Второй отсекающий отрезок соответствует наступлению предельного состояния в резервуарной стали σт 09Г2С = 325 МПа. При такой величине напряжений наступают опасные пластические деформации в металле, приводящие к нарушению эксплуатационной пригодности конструкции или, в худшем случае, аварийному разрушению узла или элемента. Полученные зависимости позволяют утверждать, что жесткое соединение трубопровода СППТ при развитии осадки не вызывает сколько-нибудь опасных напряжений в стенке РВС-20000 даже при просадке резервуара на величину 200 мм. При этом возникают избыточные напряжения в самом трубопроводе ДУ100, достигающие значений предела текучести при осадке на величину около 20 см. Значения полученных результатов напряжений и деформаций позволяют сделать следующие выводы.

pic_20.tif а pic_21.tif  б

Рис. 4. Действующие эквивалентные напряжения в металлоконструкциях РВС-20000: а – в стенке; б – в трубопроводе пожаротушения

pic_22.tif

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

Выводы

1. Выполнено численное моделирование трубопровода системы подслойного пожаротушения ДУ100 на основе ранее разработанной модели РВС-20000 в [10]. Реализован расчет деформирования конструкций резервуара при развитии осадок основания с помощью конечно-элементного программного комплекса ANSYS. При моделировании геометрии учтены основные проектно-конструктивные особенности реально эксплуатируемого объекта – резервуара РВС-20000 на ЛПДС «Торгили», Тюменская обл.

2. Решена задача контактного взаимодействия элементов: трубопровод СППТ – стержневая связь – стенка РВС. Была использована модель «сварной контакт» – «spot weld» для расчета изменения НДС в металле в зонах влияния элементов дополнительной жесткости при развитии осадки основания РВС.

3. Полученные результаты напряжений свидетельствуют о том, что при осадке РВС на величину 20 см эквивалентные напряжения в стенке не превышают 30 МПа. Однако при этих же значениях осадки напряжения в самом трубопроводе СППТ достигают критических значений – 325 МПа, что соответствует пределу текучести стали 09Г2С и переходу кривой деформирования в зону пластических деформаций металла. Допускаемые же напряжения – 188 МПа (по НТД) в трубопроводе ДУ100 СППТ превышаются уже при величине осадки 115 мм, в стенке, в свою очередь напряжения составляют 25 МПа.

4. Исходя из того, что осадки основания резервуара с подключенными трубопроводами СППТ могут вызывать предельные напряжения в самих элементах дополнительной жесткости, не подвергая реальной опасности элементы корпуса РВС, необходимо рассмотреть и обосновать возможность применения устройств компенсаций перемещений для технологических трубопроводов малого диаметра, таких как СППТ с условным диаметром 100 мм.

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 12.11.2014.


Библиографическая ссылка

Тарасенко А.А., Чепур П.В., Грученкова А.А., Соколов С.С. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ СИСТЕМЫ ПОДСЛОЙНОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РЕЗЕРВУАРА ПРИ ОСАДКЕ ОСНОВАНИЯ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11-8. – С. 1698-1702;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35830 (дата обращения: 07.12.2019).

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 = 1.074