Вертикальные стальные резервуары (РВС) для хранения товарной нефти являются неотъемлемым звеном в технологической цепочке магистрального трубопроводного транспорта. Резервуар с момента строительства и сдачи в эксплуатацию испытывает неосесимметричные нагрузки, которые часто не предусмотрены проектом, например вызванные неидеальным фундаментом, работой приемо-раздаточных устройств, действием неравномерно распределенной ветровой и снеговой нагрузки и др. Наиболее опасным случаем неосесимметричного нагружения является неравномерная осадка РВС [4–6, 13]. Причинами развития неравномерной осадки могут быть: ошибки в проектировании, брак строительно-монтажных работ, изменение гидрологических условий на площадке эксплуатируемого РВС. Нередко на определенных этапах эксплуатации резервуара возникает необходимость исправления проектного положения наружного контура днища резервуара, что нашло отражение как в нормативно-технической документации, так и в научных исследованиях [10]. Другой важной задачей является возможность поднять или переместить резервуар при ремонте его фундамента. Для исправления проектного положения наружного контура днища РВС используют способ подъема РВС с применением системы гидродомкратов. Существует проблема оценки напряженно-деформированного состояния конструкций резервуара при подъеме [2–3, 12, 14]. Во-первых, не всегда известна достоверная история нагружения, т.е. не велись или утеряны многолетние наблюдения за развитием осадки [7], что не позволяет точно вычислить массив точек высотных отметок для подъема. Во-вторых, в отечественной практике усилия от домкратов не всегда синхронизируются, что также вызывает изменение общего НДС конструкции.
Для того чтобы исследовать сформулированные актуальные вопросы изменения НДС резервуара при подъемных операциях, авторами предлагается воспользоваться численными методами [1, 8] для создания максимально реалистичной модели наиболее распространенного резервуара РВС-20000. Программный комплекс ANSYS, реализующий метод конечных элементов, выбран в качестве инструмента для создания модели.
Для создания адекватной модели была составлена расчетная схема, в которой авторы учли максимальное количество элементов металлоконструкций. Предлагаемая расчетная схема включает в себя действие неравномерно распределенной снеговой нагрузки по стационарному покрытию, ветровой нагрузки по стенке, веса стационарного оборудования. Величины нагрузок приняты в соответствии с действующей НТД для самых невыгодных условий. В геометрической модели учитываются реальные размеры и конструктивные особенности основных элементов РВС-20000 по типовому проекту 704-1-60: оболочечная конструкция стенки, листового настила кровли, опорного кольца жесткости; балочная конструкция каркаса кровли. Также для рассматриваемого случая подъема РВС смоделированы усиливающие конструкции в соответствии с реальным рабочим проектом: вертикальные рамы жесткости с приварными пластинами для крепления к стенке, дополнительное усиливающее кольцо жесткости на 4 поясе РВС, усиливающие элементы окрайки – косынки и подкосы.
На рис. 1 представлена расчетная схема, на которой приведены действующие нагрузки, граничные условия, основные конструктивные элементы резервуара, подготовленного к подъему. На рис. 2–4 укрупненно приведены основные узлы элементов РВС-20000.
Рис. 1. Расчетная схема РВС-20000 при подъеме: 1 – стенка; 2 – настил кровли; 3 – продольные и поперечные балки настила кровли (изображены для визуализации, балки находятся под настилом кровли); 4 – опорное кольцо; 5 – усиливающее (дополнительное) кольцо жесткости; 6 – вертикальные рамы жесткости под домкраты; 7 – узел сопряжения усиливающего кольца жесткости и вертикальной рамы; 8 – узел приложения нагрузки гидродомкрата; 9 – снеговая нагрузка с учетом «снежных мешков»; 10 – ветровая нагрузка; 11 – заданное перемещение вдоль вертикальной оси Z с ограничением степеней свободы по осям X, Y (лежащим в плоскости, перпендикулярной стенке)
Для назначения граничных условий используется функция заданного перемещения – «displacement». Во время подъема резервуар в 24 узлах опирается на установленные гидродомкраты, которые передают нагрузку на плоскость нижних граней вертикальных рам жесткости прямоугольного профиля (рис. 4). В предложенной авторами расчетной схеме величина заданного перемещения равна 100 мм в вертикальном направлении Z для каждого узла приложения нагрузки. Свобода перемещения по осям X, Y (лежащим в плоскости, перпендикулярной стенке) полностью ограничена. Сила реактивного отпора на плоскость одного домкрата составляет 191,1 кН в точке конечного подъема РВС балочных (BEAM4, BEAM188), оболочечных (SHELL181, SURF156), твердотельных (SOLID186) и контактных конечных элементов (CONTA175, TARGE170). В статьях [9, 11, 15] подробно представлены этапы построения модели РВС-20000 по типовому проекту 704-1-60 в условиях нормального эксплуатационного состояния (резервуар установлен на фундаментное основание), поэтому авторами предлагается рассмотреть особенности моделирования усиливающих конструкций для подъема: вертикальной рамы, кольца жесткости, косынок и подкосов окрайки.
Рис. 2. Узел сопряжения стационарной кровли и кольца жесткости (поз. 4 на рис. 1)
Рис. 3. Узел сопряжения кольца жесткости и вертикальной рамы (поз. 7 на рис. 1)
Рис. 4. Узел приложения нагрузки от гидродомкрата (поз. 8 на рис. 1) и усиливающие элементы окрайки
Численная модель резервуара состоит из вертикальной рамки жесткости, которая состоит из профиля прямоугольного сечения и пластин крепления к стенке. Профиль моделируется с использованием конечных элементов SOLID186, а пластины – SHELL181. Физическое взаимодействие пластин, вертикальной рамы и стенки определяется связанным контактом «bonded», моделирующим жесткое соединение сваркой. Аналогичные условия контактного взаимодействия имеют узлы сопряжения оболочечной конструкции усиливающего кольца жесткости и стенки; косынок, стенки и окрайки; а также балочной конструкции подкосов со стенкой и окрайкой. Подкосы, представляющие собой двутавр № 16 длиной 1,5 м моделируются балочным элементом BEAM188. Для косынок и дополнительного кольца жесткости выбран тип элемента SHELL181.
При разбиении на конечно-элементную сетку авторами заданы ограничения на минимальный и максимальный размер конечных элементов (КЭ). В зависимости от типа конструкции размер КЭ варьируется от 0,05 до 0,3 м.
Постпроцессинговая обработка результатов позволила получить градиенты перемещений, деформаций, эквивалентных напряжений для всех конструкций модели резервуара. Распределение действующих эквивалентных напряжений по Фон ‒ Мизесу для оболочечной конструкции стенки и узла вертикальной рамы в месте взаимодействия с домкратом представлено на рис. 5.
Рис. 5. Действующие эквивалентные напряжения в стенке и конструкциях вертикальной рамы жесткости
Анализ результатов постпроцессинга позволил определить, что наибольшие напряжения (до 140 МПа в нейтральном слое), действующие при подъеме РВС, возникают в нижнем узле вертикальной рамы жесткости, а именно в нижней пластине крепления к стенке и на боковых гранях прямоугольного профиля (в местах приварки к пластинам). В стенке же действующие напряжения не превышают 10 МПа. Это объясняется особенностью приложения нагрузки от гидродомкратов: значительные усилия распределяются неравномерно по усиливающей раме, при этом возникают моменты и изгибные напряжения в нижних пластинах. Это может привести к пластическим деформациям элементов вертикальной рамы в случае неравномерной работы домкратов, что на практике может проявиться при подъеме РВС с целью исправления неравномерной осадки, либо ремонта фундамента.
Выводы
- Создана конечно-элементная модель резервуара РВС-20000 для расчета общего НДС конструкции и отдельных элементов при подъемных операциях. В полученной модели учитываются реальные геометрические и конструктивные характеристики как основных элементов (стенки, кровли, окрайки, опорного кольца), так и усиливающих конструкций (вертикальные рамы, косынки, подкосы, дополнительное кольцо жесткости).
- Расчетная величина усилия на 1 гидродомкрат при равномерном подъеме РВС-20000 на величину 100 мм составила: F = 191,1 кН.
- Определено напряженно-деформированное состояние резервуара при равномерном подъеме корпуса резервуара на 100 мм. Максимальные напряжения возникают в усиливающих элементах РВС, а именно в пластинах крепления вертикальных рам жесткости к стенке – до 145 МПа (рис. 5). При этом действующие эквивалентные напряжения в стенке не превышают 10 МПа.
- Полученная модель верифицирована методом, описанным в [9, 11], и может быть использована в качестве расчетно-теоретической основы для практического использования при ремонте фундаментов либо исправлении неравномерной осадки, связанной с подъемом резервуара. Предложенная модель использована при опытно-промышленном подъеме РВС-20000 ЛПДС «Торгили» для ремонта фундамента.
Рецензенты:
Захаров Н.С., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «САТМ», 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 15.07.2014.