С развитием нефтегазовой промышленности география объектов инфраструктуры магистрального транспорта нефти постепенно расширяется на территории со сложными климатическими и геологическими условиями. Это приводит к необходимости более детально подходить к вопросам обеспечения надежности промышленных объектов. Вертикальные стальные резервуары, являясь неотъемлемым звеном в структуре добычи и магистрального транспорта нефти, требуют особого подхода к обеспечению надежности конструкций. Резервуар – сооружение, испытывающее значительные эксплуатационные нагрузки (гидростатическое давление столба жидкости, снеговая и вакуумметрическая нагрузка, ветровая нагрузка, а также вес установленного оборудования, сейсмическая нагрузка). Суммарная нагрузка от веса конструкций резервуара передается на железобетонное фундаментное кольцо, которое, в свою очередь, опирается на грунтовое основание. Согласно статистическим данным, опубликованным в работах [3, 4, 5], 33 % обследованных резервуаров имеют показатели неравномерности осадки значительно превышающие допустимые. Статистика приводится для 310 исследованных резервуаров типоразмеров от 400 до 50000 м3. В работах [6, 7, 8, 9] исследованы особенности изменения НДС резервуаров при неравномерных осадках.

Широко известно аналитическое решение для узла сопряжения стенки с днищем при осесимметричной постановке, полученное методом сил для полоски единичной ширины [1], в котором изменение величины выступа окрайки существенно изменяет общее напряженно-деформированное состояние конструкции. Для новых резервуаров в ГОСТ Р 59910-2008 рекомендовано выступ листов окрайки за стенку резервуара назначать в интервале 50–100 мм.

Авторами проанализированы результаты проведения дефектоскопии более 300 резервуаров, выполненной НПП «Симплекс». Некоторые иллюстрации проблемы представлены на рис. 1. Как следует из анализа, величина выступа находится в пределах 15–150 мм и может изменять свою величину по радиусу РВС либо образовывать дефект типа «ступенька». В таких местах создаются зоны повышенных напряжений даже при обычных сливо-наливных операциях. Рекомендуется при ремонтах резервуаров устранять подобные дефекты. Однако значительная часть резервуаров с дефектами по-прежнему эксплуатируется, имея и более сложные условия нагружения. Авторами предлагается рассмотреть случай неосесимметричного нагружения оболочки, вызванного неравномерной осадкой наружного контура днища РВС-20000, для различной величины выступа окрайки. Модель РВС-20000 реализована в среде ANSYS Workbench 14.5.

Недостаточный выступ окрайки

Недопустимо большой выступ окрайки

Неравномерный выступ окрайки

Недопустимый выступ окрайки («ступенька»)

Недопустимая деформация листов металла окрайки

Рис. 1. Примеры недопустимых выступов окрайки

Расчетная схема представлена на рис. 2 и включает в себя действие нагрузки от веса стационарного покрытия и оборудования, снегового покрова и собственного веса стенки резервуара.

Фундаментное кольцо опирается на основание со значением коэффициента постели 200 МПа/м3. Для решения контактной задачи используются конечные элементы CONTA175 и TARGE170, взаимодействие элементов конструкций требует назначения контактной пары (contactpair) поверхностей или твердых тел, где один из объектов – контактный (contact), а другой – целевой (target). Зоны контакта фундаментного кольца и грунтового основания, а также контакта центральной части днища и основания рассматриваются как «упруго закрепленные» (elasticsupport). На рис. 2 представлена расчетная схема.

Рис. 2. Расчетная схема: 1 – упругое закрепление «elasticsupport»; 2 – контакт фундаментного кольца и окрайки (manualcontactregion «surfacebodytosolid»); 3 – контакт листов стенки и окрайки (manualcontactregion «surfacebodytoedge»); 4 – контакт окрайки и центральной части днища (manualcontactregion «surfacebodytosurfacebody»); 5 – кольцевой фундамент; 6 – окрайка; 7 – центральная часть днища; 8 – стенка; Pz– суммарная нагрузка от веса стационарного покрытия и оборудования, снегового покрова и собственного веса стенки резервуара; L – дуговой размер зоны просадки

Геометрическая модель резервуара построена в соответствии со значениями, принятыми в типовом проекте для РВС-20000 (ТП 704-1-60). Радиус резервуара составляет 22,85 м, высота стенки 11,92 м. Толщина стенки для первого пояса – 13 мм, для 2–8 поясов – 11 мм. Листы стенки выравниваются по внутреннему краю. В предлагаемой модели стенка, окрайка, днище, кольцо жесткости представлены оболочечными конечными элементами SHELL181. Кровля моделируется балочными конечными элементами BEAM4 и состоит из 48 двутавров, профиль I35Б1поГОСТ 8239-89. Материал металлоконструкций – сталь малоуглеродистая низколегированная 09Г2С.

В расчетах величина окрайки изменяется от 0 до 300 мм. Просадочные зоны задаются путем удаления части фундамента, согласно рекомендациям [2]. Неравномерная осадка резервуара моделируется путем вырезки сегмента фундаментного кольца размером L (рис. 3). Для удобства представления результатов расчетов предлагается использовать безразмерный, принятый в теории оболочек параметр n, который учитывает размер зоны нагружения (осадки резервуара):

n = πR/L, (1)

где L – дуговой размер зоны просадки; R – радиус резервуара.

Автором предлагается расчет НДС резервуара при значениях n = 2, 6 (на рис. 3 представлена схема моделирования просадочной зоны при различных значениях n).

В таблице представлена схема планирования эксперимента. Опыт предполагает наличие двух факторов. Первым фактором (a) является величина выступа окрайки с тремя комбинациями: недостаточный выступ – 0 мм (a1), нормативный выступ – 60 мм (a2), недопустимо большой выступ – 300 (a3). Вторым фактором (b) является значение коэффициента n, при этом автором предлагается 2 возможные комбинации: n = 2 (b1), n = 6 (b2).

Рис. 3. Схема моделирования просадочной зоны: L – дуговой размер зоны просадки; R – радиус резервуара; H – высота резервуара; W – радиальные перемещения стенки; u – вертикальные перемещения стенки и окрайки

Рис. 4. Случай осесимметричного загружения (без осадок) с учетом гидростатического давления (увеличен масштаб по высоте стенки)

Выводы

– Авторами создана модель резервуара, позволяющая определять изменение НДС резервуара при неравномерных осадках с учетом реальной величины выступа окрайки.

– Выступ окрайки 60 мм обеспечивает наименьшие напряжения и прогибы стенки резервуара при неравномерной осадке.

– При неравномерной осадке наружного контура днища появляются предельные прогибы несущих балок стационарной кровли, расположенных над просадочной зоной.

– Наибольшие напряжения в стенке при неравномерной осадке возникают на высоте 1–2,5 м. над краями просадочной зоны (с двух сторон).

Рис. 5. Эпюра перемещений конструкций кровли в случае неосесимметричного загружения при n = 2. Выступ окрайки 0 мм, отсутствует гидростатическая нагрузка

Обухов А.Г., д.ф.-м.н., профессор кафедры «Высшая математика», 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», Почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации, г. Тюмень.

Работа поступила в редакцию 05.12.2013.