Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

EXPLORATION OF STRAIN IN ROOF TANK WITH DIFFERNTIAL SETLEMENTS OF FOUNDATION

Tarasenko A.A. 1 Chepur P.V. 1
1 Tyumen State Oil and Gas University
Разработана уточненная численная модель верхнего узла резервуара РВС-20000, отражающая реальные проектные геометрические и конструкционные параметры металлоконструкций кровли: опорного кольца, листов и балочного каркаса. Создана численная модель при помощи программных модулей продукта ANSYS, реализующего метод конечных элементов: EngineeringData, DesignModeller, StaticStructure. Установлены зоны деформирования металлоконструкций кровли РВС-20000 при различных величинах просадочной зоны: от 18 до 72 м по наружному контуру днища. Получены зависимости величин деформаций металлоконструкций стационарного покрытия от величины просадочной зоны для трех различных расчетных схем: с учетом несущих балок кровли, с учетом несущих и промежуточных балок кровли, с учетом всего каркаса и листов настила кровли. В модели получены значения деформаций кровли для трех типов расчетных схем: с несущими балками кровли, с несущими и промежуточными балками кровли, с балочным каркасом и листовым настилом. Авторами даны рекомендации по ужесточению требований действующей нормативно-технической документации (НТД) в части диагностики и оценки технического состояния конструкций кровли при обнаружении неравномерных осадок наружного контура днища.
Developed a refined numerical model of the upper reservoir unit RVS-20000, which reflects the actual design geometric and structural parameters of metal roofing: a support ring, sheets and beam frame. A numerical model using the software modules of the product ANSYS, implementing the finite element method: EngineeringData, DesignModeller, StaticStructure. Established zones of deformation of metal roofing RVS-20000 at different values ​​of subsidence zones from 18 to 72 m along the outer contour of the bottom. The dependences of the steady-state values ​​of deformations of metal coating on the magnitude of subsidence zone for three different design schemes: with the support beams of the roof, with the bearing and intermediate beams of the roof, taking into account all the frame and roof decking sheets. In the model, the values ​​of deformation of the roof for the three types of design models: with supporting beams of the roof, with bearing and intermediate beams of the roof, with beam frame and sheet flooring. The authors give recommendations for stricter enforcement of existing documentation in terms of diagnosis and evaluation of the technical state of the structures of the roof when it detects irregular outer contour of the bottom sediment.
tank
aboveground tank
stress-strain state
base
foundation
FEM
roof
1. Tarasenko A.A., Nikolaev N.V., Hoperskij G.G., Ovchar Z.N., Sajapin M.V. Izvestijavuzov.Neft’igaz. 1998, no. 1, pp. 59–68.
2. Tarasenko A.A., Sajapin M.V. Izvestijavuzov.Neft’igaz. 1999, no. 1, pp. 52–56.
3. Tarasenko A.A., Turin D.V. Izvestijavuzov.Neft’igaz. 2001, no. 4, pp. 65–69.
4. Tarasenko A.A., Chepur P.V., Kuzovnikov E.V., Tarasenko D.A. Fundamental research, 2014, no. 9–7, pp. 1471–1476.
5. Tarasenko A.A., Chepur P.V., Tarasenko D.A. Fundamental research, 2014, no. 6–3, pp. 485–489.
6. Tarasenko A.A., Chepur P.V., Chirkov S.V. Fundamental research, 2013, no. 10–15, pp. 3409–3413.
7. Tarasenko A.A., Chepur P.V., Chirkov S.V. Bezopasnosttrudavpromyshlennosti, 2014, no.5, pp. 60-63.
8. Tarasenko A.A., Chepur P.V., Chirkov S.V., Tarasenko D.A. Fundamental research, 2013, no. 10–15, pp. 3404–3408.
9. Tihanov E.A., Tarasenko A.A., Chepur P.V. Fundamental research, 2014, no. 6–2, pp. 330–334.
10. Tarasenko M.A., Sil’nitskiy P.F., Tarasenko A.A. Izvestijavuzov. Neft’igaz. 2010, no. 5, pp. 78–82.
11. Hoperskij G.G., Sajapin M.V., Tarasenko A.A. Izvestijavuzov.Neft’igaz. 1998, no. 2, pp. 60–64.
12. Chepur P.V., Tarasenko A.A. Fundamental research, 2014, no. 8–7, pp. 1560–1564.
13. Chepur P.V., Tarasenko A.A. Fundamental research, 2014, no. 8–6, pp. 1336–1340.
14. Chepur P.V., Tarasenko A.A., Tarasenko D.A. Fundamental research, 2013, no. 10–15, pp. 3441–3445.
15. Chirkov S.V., Tarasenko A.A., Chepur P.V. Fundamental research, 2014, no. 9–5, pp. 1003–1007.

Исследованиям изменения напряженно-деформированного состояния крупногабаритных вертикальных стальных резервуаров (РВС) при неравномерных осадках основания посвящены работы [5–8, 11–13]. В большей части исследований рассматриваются вопросы деформирования оболочечной конструкции стенки РВС, при этом вносятся значительные упрощения и допущения, касающиеся учёта металлоконструкций кровли резервуара: кольца жесткости, балок и настила кровли. Использование численных методов позволяет создать модель, геометрия которой будет максимально приближена к реальным параметрам сооружения. В работе [6] с помощью применения методов конечно-элементного анализа, реализованных в программном пакете ANSYS, установлено, что при неосесимметричном нагружении РВС значения параметров НДС конструкции могут отличаться на 2 порядка для расчетных схем, учитывающих и не учитывающих особенности геометрии кровли.

В данной работе авторами предлагается исследовать деформационные свойства стационарной крыши резервуара при неравномерных осадках. Величину просадочной зоны планируется задавать при помощи безразмерного параметра n в соответствии с [14]. Также предполагается рассмотреть 3 различные расчетные схемы РВС, отличающиеся только геометрической конструкцией кровли:

  • кровля моделируется только несущими балками без промежуточных балок-связей;
  • кровля моделируется несущими и промежуточными балками-связями;
  • кровля моделируется несущими и промежуточными балками-связями, а также листовым настилом, имеющим контактное взаимодействие с несущими балками.

По данным [2] известны случаи эксплуатации резервуаров со следующими отклонениями в конструкции покрытия:

  • нарушение, повреждение узлов и соединений балок-связей с несущими балками;
  • выпучивание листов настила с повреждением контактного узла «балка  – лист»;
  • ненормативное состояние узла сопряжения опорного кольца и балочного каркаса.

Исследования [5] позволили определить подходы к исследованию деформаций стационарной крыши при неравномерных осадках. Резервуар РВС-20000 является сооружением с относительно большой конечной жесткостью, поэтому для получения адекватных зависимостей деформаций крыши от величины неравномерной осадки предлагается рассматривать модель резервуара при величинах просадочной зоны от n = 4 до n = 1 (18–72 м).

Авторами предлагается следующая расчетная схема:

  • геометрическая модель создается по типовому проекту РВС-20000, ТП-704-1-60, в модели учитываются: стенка, днище, окрайка, кольцо жесткости, листовой и балочный настил;
  • граничные условия определяются упругим контактным взаимодействием фундаментного кольца с грунтовым основанием, заданным с помощью коэффициента постели, просадочная зона моделируется вырезкой сегмента фундаментного кольца, создается полное провисание окрайки над грунтовым массивом;
  • прикладываются все эксплуатационные нагрузки в соответствии с [8] (ветровая, снеговая, избыточное давление, вакуум) – кроме гидростатической;
  • контакты металлоконструкций моделируются как «связанные» – bonded, исключающие взаимное проникновение и разделение.

В общем случае при осадках наружного контура днища характер деформирования металлоконструкций стационарной кровли соответствует следующей схеме (рис. 1). При этом образуются 3 основные зоны: 1-я – центральная, зона проседания конструкций, 2-я и 3-я зоны выпирания конструкций, расположенные по краям относительно просадочной зоны.

pic_20.tif

Рис. 1. Зоны деформирования металлоконструкций кровли РВС-20000

Всего выполнено 12 расчетов: для 3-х расчетных схем (с различной геометрией кровли) рассмотрены 4 варианта осадки – n = 1, n = 2, n = 3, n = 4.

Для получения зависимостей параметров напряженно-деформированного состояния металлоконструкций кровли от величины просадочной зоны была выполнена постпроцессинговая обработка результатов конечно-элементного силового анализа. На рис. 2–4 представлены эпюры деформаций конструкций РВС для трех рассматриваемых расчетных схем. Для визуализации использован масштабный коэффициент х20.

pic_21.tif

Рис. 2. Деформации металлоконструкций для расчетной схемы с несущими балками кровли и величиной просадочной зоны n = 2

pic_22.tif

Рис. 3. Деформации металлоконструкций для расчетной схемы с несущими и промежуточными балками кровли величиной просадочной зоны n = 2

pic_23.tif

Рис. 4. Деформации металлоконструкций для расчетной схемы с балочными и листовыми конструкциями кровли величиной просадочной зоны n = 2

Анализируя деформации металлоконструкций кровли РВС для различных расчетных схем, выявили, что совместная работа балочных и оболочечных элементов кровли обеспечивает высокие параметры жесткости конструкции. При том, что листы настила имеют толщину всего 4 мм, их жесткое соединение с балочным каркасом уменьшает прогибы балок до 5 раз при появлении просадочных зон. На рис. 5 представлены зависимости максимальных перемещений несущих балок от величины просадочной зоны, полученные по результатам численного моделирования в программе ANSYS. Графики построены для трех рассматриваемых расчетных схем.

pic_24.tif

Рис. 5. Зависимости максимальных перемещений несущих балок от величины просадочной зоны для различных расчетных схем конструкции кровли

Полученные результаты свидетельствуют о том, что для получения достоверных значений уровня НДС конструкций резервуара в случае неосесимметричного нагружения при конечно-элементном анализе необходимо учитывать не только балочный каркас, но и листовые элементы. С другой стороны, необходимо разрабатывать новые подходы к диагностике и проверке технического состояния металлоконструкций стационарной кровли, т.к. только совместная работа балочных и оболочечных элементов обеспечивает эксплуатационную надежность всей конструкции кровли, что особенно проявляется при неосесимметричных нагрузках.

Наиболее опасными участками верхнего узла РВС являются узлы сопряжения балочного каркаса с опорным кольцом. Большое количество сварных соединений, обеспечивающих жесткий контакт оболочки – кольца жесткости и пространственных несущих балок – испытывают нагрузки, которые могут привести к возникновению предельных состояний в металле. При моделировании неравномерной осадки РВС-20000 установлены участки с высокими концентрациями напряжений, значения которых превышают 300 МПа. Такие напряжения возникают в металлических монтажных пластинах, соединяющих несущие балки кровли и опорное кольцо. При действии неосесимметричных нагрузок на корпус резервуара опорное кольцо и балочный каркас испытывают изгибные напряжения, однако их пространственные схемы деформирования не лежат в одной плоскости: конструкции кровли перемещаются вдоль вертикальной оси РВС, а деформирование кольца жесткости характеризуется кручением относительно стыкового соединения со стенкой на 8 поясе. Поэтому оценка технического состояния конструктивных элементов верхнего узла РВС – кровли, опорного кольца, стенки и их сварных соединений должна быть обязательной, в особенности при выявлении неравномерных осадок наружного контура днища резервуара.

Выводы

  1. Разработана уточненная численная модель верхнего узла резервуара РВС-20000, отражающая реальные проектные геометрические и конструкционные параметры металлоконструкций кровли: опорного кольца, листов и балочного каркаса. Численная модель создана при помощи программных модулей продукта ANSYS, реализующего метод конечных элементов: EngineeringData, DesignModeller, StaticStructure.
  2. Установлены зоны деформирования металлоконструкций кровли РВС-20000 при различных величинах просадочной зоны: от 18 до 72 м по наружному контуру днища.
  3. Получены зависимости величин деформаций металлоконструкций стационарного покрытия от величины просадочной зоны для трех различных расчетных схем: с учетом несущих балок кровли, с учетом несущих и промежуточных балок кровли, с учетом всего каркаса и листов настила кровли. Наименьшие деформации получены в модели с каркасом и листовым настилом – от 7 до 54 мм (для просадочных зон от 18 до 72 м). Наибольшие деформации получены в модели, учитывающей только несущие балки – от 50 до 294 мм (для просадочных зон от 18 до 72 м).
  4. Авторами рекомендуется ужесточить требования действующей НТД в части диагностики и оценки технического состояния конструкций кровли при обнаружении неравномерных осадок наружного контура днища.

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 06.10.2014.