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.
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.
Рис. 2. Расчетная схема РВС-20000 с ГУС при развитии осадки основания
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.
Рис. 4. Действующие эквивалентные напряжения в металлоконструкциях РВС-20000: а – в стенке; б – в трубопроводе пожаротушения
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: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35830 (дата обращения: 29.03.2024).