Напряженно-деформированное состояние резервуара при развитии неравномерных осадок его основания Чепур Петр Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

1.1. Анализ аварийных ситуаций, вызванных неравномерными осадками основания 11

1.2. Обзор научных исследований, посвященных неравномерным осадкам резервуаров 25

1.3. Классификация типов осадок оснований РВС 27

1.4. Анализ критериев оценки осадок оснований резервуаров. Обзор отечественной и зарубежной нормативной документации по вопросу исследования 32

1.5. Постановка задач исследования 60

1.6. Выводы по главе 62

ГЛАВА II. Аналитический и численные методы решения задач деформирования цилиндрической оболочки 63

2.1. Расчет НДС резервуара аналитическим методом 63

2.2. Численный метод расчета НДС резервуара с использованием программы ANSYS. Разработка конечно-элементной модели резервуара РВС-20000

2.2.1. Геометрическое моделирование резервуара 75

2.2.2. Создание конечно-элементной сетки 79

2.2.3. Задание граничных условий и контактных пар 82

2.2.4. Нагрузки и воздействия 86

2.2.5. Верификация конечно-элементной модели РВС-20000 и постпроцессинговая обработка результатов 88

2.3. Выводы по главе 93

ГЛАВА III. Исследование изменения ндс резервуара при развитии неравномерной осадки наружного контура днища 94

3.1. Обзор научных работ, посвященных исследованию НДС резервуаров при неравномерных осадках 94

3.2. Моделирование неравномерной осадки наружного контура днища с реализацией в программе ANSYS Workbench 14.5 102

3.3. Планирование численного эксперимента 106

3.4. Результаты численного эксперимента 110

3.5. Исследование влияния выступа окрайки на НДС резервуара 120

3.6. Исследование влияния элементов дополнительной жесткости на НДС резервуара при развитии осадки

3.6.1. Оценка воздействия приемо-раздаточного патрубка 125

3.6.2. Оценка воздействия трубопровода системы аварийного сброса 130

3.6.3. Оценка воздействия трубопровода газоуравнительной системы 135

3.6.4. Оценка воздействия трубопроводов подслойного пожаротушения и аварийного орошения 139

3.7. Выводы по главе 141

ГЛАВА IV. Методика обоснования изменения сроков ремонтных работ рвс-20000 по параметрам неравномерной осадки 143

4.1. Введение 143

4.2. Анализ подходов действующей нормативно-технической документации к предельным состояниям резервуаров 144

4.3. Алгоритм определения необходимости ремонта РВС-20000 при осадках основания 149

4.4. Выводы по разделу 159

Основные выводы по работе 161

Библиографический список 163

• Классификация типов осадок оснований РВС
• Численный метод расчета НДС резервуара с использованием программы ANSYS. Разработка конечно-элементной модели резервуара РВС-20000
• Моделирование неравномерной осадки наружного контура днища с реализацией в программе ANSYS Workbench 14.5
• Анализ подходов действующей нормативно-технической документации к предельным состояниям резервуаров

Введение к работе

Актуальность работы. Вертикальные стальные резервуары (РВС) являются неотъемлемым звеном в технологической цепочке магистрального транспорта нефти. В исследованиях отечественных и зарубежных авторов – В.Б. Галеева, М.В. Саяпина, Г.Г. Хопёрского, К. Кавано, Р. Бэлла, Д. Гринвуда, Е. Де Бира убедительно доказывается, что до 60% эксплуатируемых в настоящее время резервуаров имеют в том или ином виде неравномерную осадку наружного контура днища. Неравномерная осадка основания резервуаров нередко приводит к возникновению недопустимых напряжений в металлоконструкциях, а иногда становится причиной аварий.

Существующие аналитические зависимости и численные решения не позволяют с достаточной точностью оценить напряженно-деформированное состояние (НДС) и наступление предельных состояний конструкции при развитии неравномерных осадок. Зарубежные источники – научные исследования и требования нормативных документов (API, British Standard, Eurocode), не могут быть использованы для оценки НДС отечественных резервуаров ввиду принципиальных различий в их конструкции. При появлении зон неравномерной осадки деформации металлоконструкций имеют конечные значения и зависят от жесткости резервуара, однако определить эти величины можно лишь создав численную модель объекта с максимальной детализацией элементов и выполнив соответствующие вычисления.

Появление новых программных комплексов на основе метода конечных элементов (МКЭ) позволило разработать модель резервуара РВС-20000 с учетом особенностей геометрии металлоконструкций, контактных взаимодействий элементов, граничных условий и нагрузок, влияющих на точность расчета НДС резервуара при неосесимметричном нагружении, в том числе за пределами упругости стали. Совершенствование метода определения изменения НДС резервуара, случаев возникновения недопустимых напряжений в металлоконструкциях вследствие развития неравномерных осадок основания, и разработка на его основе методики оценки технического состояния резервуара, является актуальной задачей.

Цель работы заключается в теоретическом обосновании методики оценки технического состояния резервуара, имеющего неравномерные осадки наружного контура днища.

Для достижения поставленной цели были сформулированы задачи: 1. Разработать и верифицировать конечно-элементную модель резервуара РВС-20000, выполненного по проекту ТП-704-1-60, с учетом особенностей

геометрии металлоконструкций, контактных взаимодействий элементов, граничных условий и нагрузок, влияющих на точность расчета НДС резервуара при неосесимметричном нагружении, в том числе за пределами упругости стали.

1. Получить зависимости действующих эквивалентных напряжений в металлоконструкциях при развитии осадки РВС-20000 от воздействия условных элементов жесткости, имеющих собственный фундамент: приемо-раздаточного узла (ПРУ), газоуравнительной системы (ГУС), систем аварийного сброса нефти, трубопроводов подслойного пожаротушения (СППТ). Установить влияние опорного кольца жесткости, балочной конструкции стационарной кровли, листов настила кровли, окрайки на общую жесткость РВС.

2. Определить величины деформаций и напряжений в металлоконструкциях для всех интервалов возможных значений неравномерной осадки по данным диагностики в случаях заполненного и опорожненного состояний резервуара.

3. Установить зависимости между сектором зоны депланации и максимальной величиной вертикальной составляющей неравномерной осадки РВС-20000, характеризующие жесткость конструкции резервуара.

4. Разработать алгоритм, который позволит по данным диагностики без дополнительных расчетов принимать управленческое решение о необходимости ремонта РВС-20000 либо возможности переноса сроков ремонтных работ до следующего планового.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получены значения деформаций и напряжений в металлоконструкциях для всех возможных значений интервалов осадки РВС-20000 по данным диагностики 92% резервуаров, эксплуатируемых в Западной Сибири.

2. Получены зависимости действующих эквивалентных напряжений в металлоконструкциях резервуара от величины осадки при наличии элементов условного защемления, имеющих собственный фундамент: трубопроводов ПРУ, СППТ, ГУС и аварийного сброса нефти.

3. По результатам численного эксперимента предложены аналитические зависимости между параметрами НДС металлоконструкций резервуара и величинами неравномерной осадки, характеризующие пределы деформируемости конструкции РВС-20000. Показано, что развитие осадок сверх установленных предельных значений является следствием брака строительно-монтажных работ.

4. На основании выполненных расчетов разработан алгоритм принятия решения о необходимости ремонта РВС-20000 при осадках его основания.

Практическая значимость:

5. Создана и верифицирована численная модель резервуара РВС-20000 в программе ANSYS, позволяющая рассчитать НДС вертикального стального резервуара при неравномерных осадках наружного контура днища с учетом влияния конструктивных элементов: кольца жесткости, окрайки, центральной части днища, балочной и листовой конструкций кровли. При этом учтена физическая и геометрическая нелинейность модели. Разработанная конечно-элементная модель резервуара РВС-20000 позволяет рассчитывать напряженно-деформированное состояние для широкого спектра нагрузок и воздействий.

6. Разработанная на основе анализа жесткости конструкции РВС-20000 инженерная методика, при любых эксплуатационных нагрузках с высокой достоверностью позволяет выделить зоны деформаций, не связанные с развитием неравномерной осадки и перенести сроки ремонта. Сформулированы предложения для внесения изменений в действующую нормативно-техническую документацию.

7. Результаты работы внедрены в АО «Транснефть–Сибирь» на площадке ЛПДС «Торгили»; акт внедрения №160-22/743-1 от 08.10.2014.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Рассматриваемая область исследования НДС резервуара при развитии неравномерных осадок его основания соответствует паспорту специальности 25.00.19 – «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ», а именно: по п. 1 «Напряженное состояние и взаимодействие с окружающей средой трубопроводов, резервуаров и оборудования при различных условиях эксплуатации с целью разработки научных основ и методов прочностного, гидравлического и теплового расчетов нефтегазопроводов и газонефтехранилищ», п. 5 «Разработка научных основ и усовершенствование технологии хранения нефти, газа и нефтепродуктов и методов сооружения подземных и наземных газонефтехранилищ».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2013); IX Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2013» (Уфа, 2013); XI Международной научно-практической конференции «Тенденции и инновации современной науки» (Краснодар, 2013); Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, посвященной 50-летию создания Тюменского индустриального института «Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе» (Тюмень, 2013);

Международном семинаре «Рассохинские чтения» (Ухта, 2014); XV Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям ИВТ СО РАН (Тюмень, 2014); VI Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях» (ВДНХ, Москва, 2014).

Личный вклад соискателя состоит в постановке и реализации задач исследования, сборе и обработке статистических данных, формулировке основных положений научной новизны и практической значимости, разработке конечно-элементной модели и планировании численного эксперимента, выполнении расчетов, создании методики оценки технического состояния РВС-20000 при осадках основания, внедрении полученных результатов.

На защиту выносятся:

8. Зависимости возникающих в металлоконструкциях резервуара напряжений от величины неравномерной осадки, полученные на основе численного эксперимента с созданием конечно-элементной модели РВС-20000, учитывающей влияние кольца жесткости, окрайки, центральной части днища, балочных и листовых конструкций кровли, контактное взаимодействие с основанием, геометрическую и физическую нелинейность модели, реализованную в программном комплексе ANSYS.

9. Обобщенная зависимость между длиной сектора зоны неравномерной осадки и величиной вертикальной составляющей осадки РВС-20000, позволяющая определять пределы деформирования наружного контура днища резервуара с учетом максимальных эксплуатационных нагрузок.

10. Зависимости эквивалентных напряжений в металлоконструкциях РВС-20000 от величины осадки резервуара с учетом влияния подключенных элементов условной жесткости (ПРП, ГУС, СППТ, сбросной трубопровод), расположенных на отдельно стоящих фундаментах.

11. Алгоритм принятия решения о необходимости ремонта РВС-20000, подверженного осадкам основания.

Методологические основы и достоверность исследований.

В диссертации использованы классические положения строительной механики, теории упругости, механики деформируемого твердого тела, метода конечных элементов, теории оптимального планирования эксперимента. Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы подтверждается удовлетворительной корреляцией результатов, полученных с помощью численных моделей на основе МКЭ, с широко известными аналитическими решениями, а также сходимостью с

результатами работ других авторов; обеспечивается методологией исследований, основанной на трудах отечественных и зарубежных ученых, использованием нормативных документов, статистических данных, минимальными погрешностями расчетных и экспериментальных данных и непротиворечивостью известным научным положениям. Результаты исследования прошли рецензирование в научных журналах из перечня ВАК. Исходные данные взяты из реальных отчетов по диагностике, выполненных организациями, имеющими соответствующее лицензирование, с участием аттестованных специалистов на сертифицированном оборудовании. Теоретические исследования выполнены с использованием методов математического анализа и численного моделирования на сертифицированном Госатомнадзором России ПК ANSYS. Верификация комплекса подтверждается Свидетельством № 02/ANSYS/2009 Российской академии архитектуры и строительных наук о верификации программного средства, применяемого для решения задач статического, температурного и динамического напряженно-деформированного состояния пространственных конструкций, зданий и сооружений с учетом эффектов физической, геометрической и структурной нелинейностей на основе МКЭ.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 16 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 179 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений, включает 20 таблиц, 76 рисунков. Библиографический список включает 155 наименований, в том числе 27 иностранных.

Классификация типов осадок оснований РВС

После слива воды и обводнения участков в пределах обвалования, аварийный резервуар сняли с основания и отбуксировали. После осушения площади удалили насыпную часть основания, состоящую из гравия, и слой бурой пластичной глины, залегавший до глубины 1,8 м. Затем основание восстановили путем укладки хорошо уплотненной сланцевой глины. Участок повторно залили водой и резервуар переместили на первоначальное место. После осушения участка вокруг резервуара уложили пригрузочный грунтовой слой толщиной 1,2-1,8 м. Вторичное гидравлическое испытание показало, что осадка стенок корпуса составила 15-21 см при максимальной неравномерности осадки 6 см. Это позволило в дальнейшем нормально эксплуатировать резервуар.

Еще одна авария, связанная с локальной потерей устойчивости, произошла в основании резервуара диаметром 35,4 м и высотой 9,2 м. Резервуар установлен на толстом слое очень слабой илистой глины, сверху которой отсыпана подушка толщиной 0,6 м из гравелистого материала, пропитанного нефтью. Резервуар заполнялся продуктом в течение 30 дней, и уровень нагрузки поддерживался еще в течение 42 дней. К концу этого периода был отмечен некоторый выпор грунта за пределами резервуара, однако потеря устойчивости не имела катастрофических последствий. Продукт из резервуара удалили и выполнили геодезические измерения положения его днища. Приведенные результаты измерений показывают, что под одной частью резервуара осадки, вызванные выпором грунта, значительно превысили осадки противоположной части днища. Замеренный за пределами резервуара подъем поверхности грунта достигал 7 см, что свидетельствовало о начале выпора. Своевременная разгрузка основания позволяла избежать полной потери его устойчивости. Выполненные расчеты показали, что коэффициенты надежности составили: 0,81 для общей потери устойчивости основания и 0,72 для потери устойчивости основания на локальном участке. И в этом случае основной причиной аварии было названо быстрое приложение нагрузки, развитие нестабилизированного состояния грунта в основании и связанный с этим выпор грунта, определивший характерный профиль неравномерных перемещений днища резервуара.

Аналогичная форма днища была зафиксирована и при аварии резервуара Т-1701 [134]. Этот резервуар был возведен на тонких слоях мелкого песка, под которыми залегал слой слабого илистого грунта. Резервуар имел диаметр 45,7 м и высоту 14,6 м. Данные о свойствах грунтов в основании резервуара и данные о скорости его заполнения отсутствуют. Известно лишь, что этот резервуар испытывался водой дважды, и в обоих случаях происходили разрывы днища из-за больших неравномерных осадок. Профили осадок днища после двух испытаний позволяют предположить, что в обоих случаях происходил выпор в краевых участках резервуара, характерный для локальной потери устойчивости основания. В результате под часть резервуара пришлось установить сваи, а по периметру резервуара – кольцевые железобетонные стенки. Проведенное после этого гидроиспытание резервуара прошло успешно, и он был принят в эксплуатацию.

Рассмотренные аварии позволяют назвать несколько характерных особенностей, связанных с потерей устойчивости оснований резервуаров. Во-первых, во всех случаях отмечается быстрое приведение нагрузки на основания, сложенные слабыми водонасыщенными грунтами, вследствие чего в поровой воде возникают значительные избыточные давления, которые из-за низких фильтрационных свойств грунтов приводят к возникновению нестабилизированного состояния. Сопротивление сдвигу грунтов в таком состоянии сказывается уменьшенным за счет снижения эффективных напряжений в скелете грунта. Во-вторых, во всех случаях отмечается подъем поверхности территории за пределами резервуаров, обусловленный выпором части грунта из-под резервуара. При этом возможны общая потеря устойчивости основания, когда грунт выдавливается в одну сторону и резервуар опрокидывается как единое жесткое сооружение, или выпор грунта из-под части резервуара, свидетельствующий о местной (локальной) потере устойчивости основания. Такому развитию событий способствует высокая гибкость и податливость конструкций резервуара. Аварии в этом случае, как правило, не имеют катастрофических последствий, однако необходимы систематические наблюдения за развитием осадок резервуаров с тем, чтобы можно было принять своевременные меры по предупреждению таких аварий и по обеспечению необходимых для нормальной эксплуатации условий.

В августе 1966 г. на площадке нефтебазы вблизи Лондона произошла авария двух резервуаров вместимостью 2000 и 5000 м3. Оба резервуара имели высоту 12,8 м. Диаметр меньшего резервуара составлял 14,6 м, большего – 24,4 м. На первой очереди строительства было построено 33 резервуара, которые с февраля 1966 г. подвергались гидравлическим испытаниям. Эти испытания проводились одновременно для двух резервуаров; на слив затрачивалось не более одной недели. Резервуары, на которых произошла авария, заполнялись водой в последнюю очередь, причем оба резервуара разрушились один за другим в течение одной недели после того, как находились под нагрузкой в течение месяца. Исследования обстоятельств аварии показали, что в днище возникли разрывы, а быстрое опорожнение привело к образованию вакуума, который вызвал разрушение резервуара. Днища других резервуаров, находящихся на этой площадке, в большинстве случаев имели повреждения, возникшие при гидравлических испытаниях, а искажение формы оболочки некоторых резервуаров было столь значительным, что образование разрывов днища было вполне вероятным. Поскольку разрушенные резервуары были быстро демонтированы и осадки их оснований не установлены, в 1967 г. на этой же площадке произведено опытное наполнение резервуара диаметром 17,1 м высотой 12,8 м. Так как инженерно-геологические условия оснований были практически равноценными, то можно считать, что осадка опытного резервуара примерно равна осадке разрушившихся резервуаров. Соотношение осадки центра основания к осадке его края составило примерно один к двум. По результатам натурных наблюдений и данным компрессионных испытаний образцов грунтов были вычислены мгновенные осадки и осадки уплотнения, накопившиеся после месячной выдержки нагрузки.

Численный метод расчета НДС резервуара с использованием программы ANSYS. Разработка конечно-элементной модели резервуара РВС-20000

Таким образом, НДС днища как при общей, так и при локальной осадке имеет похожий характер. В критерий Хаяши и Губера для локальной осадки днища без взаимного влияния со стенкой закладываются свойства металла днища, а определяющим значением является величина допустимой неравномерной осадки S. Авторами [149] сделан вывод о том, что данный критерий является наиболее рациональным для ограничения неравномерной осадки центральной части днища, при условии отсутствия взаимного влияния со стенкой:

При расчете допустимой осадки днища по формуле (1.16), следует выбирать соответствующие характеристики стали, а именно, предел прочности для стали днища. Согласно [149], оболочечная конструкция стенки способствует уменьшению напряжений, возникших в днище при локальных деформациях вблизи стенки. В связи с эти возможно смягчить требования к допустимым значениям осадки днища в зоне влияния стенки. Губер в [142] описал кривые оценки осадок и деформаций центральной части днища в зоне, подверженной влиянию стенки резервуара, даны соотношения: d D/4 иd 2d (1.17) где d - наибольший диаметр локальной просадочной зоны, м; d - дуговой размер просадочной зоны, м.

Рассмотренные кривые определяют пределы локальных просадочных зон, которые варьируется в пределах от d/17–d/33 для однопроходных сварных швов и d/13-d/26 для многопроходных сварных швов. В выражении (1.18) дано численное описание зависимостей, полученных Губером [142], определяющих допустимые значения локальных осадок центральной части днища в зоне влияния стенки: Выражение (16) адекватно определяет значения допустимых осадок днища в зонах влияния стенки. Критерий, приведенный выше, применим только в том случае, если локальная неравномерная осадка центральной части днища будет иметь «чашеобразный» профиль. Однако, при рассмотрении совместного случая общей и локальной осадки днища, значения напряжений могут быть значительно больше, чем при рассмотрении локальной и общей осадок в отдельности.

Анализируя критерии для узла сопряжения стенки и окрайки рассмотрим два основных случая. В первом случае, рассматривается условие, при котором стенка и днище имеют совместную осадку. Этот случай приведен в трудах Губера [142], посвященных локальным деформациям днища в зоне влияния стенки. Второй случай возникает, когда стенка сохраняет свое положение над зоной неравномерной осадки, днище деформируется совместно с основанием. Значительные растяжения конструкций в узле сопряжения могут послужить причиной его разрушения. Исследователями в литературе отражена информация о потенциальной опасности при данном типе деформирования конструкций [149]. Очевидно, что данный случай деформировании рассматривается настолько серьезно, что в случае выявления осадки такого рода, необходимо сразу же принять меры для предотвращения ее развития. В случае обнаружения зон расстыковки стенки и основания, необходимо за минимально короткое время заполнить образовавшуюся щель специальными уплотняющими составами.

Такой подход является допустимым до того момента, пока методы диагностики позволяют обнаруживать такие области. Однако на определенных участках окрайки, выступающих за пределы стенки наружу, возможны скрытые зоны разъединения стенки и основания. В таком случае, определить месторасположение просадочной зоны можно только путем измерения и сопоставления геодезических отметок конструкций фундаментного кольца, окрайки, стенки. При этом, опорожнение резервуара до измерения отметок фундамента и стенки, может привести к возвращению днища и узла сопряжения к первоначальному состоянию, что не позволит выявить области зон неравномерной осадки.

Обеспечение нормального эксплуатационного состояния узла сопряжения стенки и днища является важнейшим аспектом для рассмотрения. На данный момент не существует достаточно точных критериев, определяющих области допустимых значений деформаций данного узла, а большинство существующих методов недостаточны для определения истинных деформаций окраечной зоны. Рассмотрение данного вопроса требует дальнейших исследований. Инженерами не рассматриваются случаи горизонтальных перемещений оснований резервуаров, и их влияние на общее состояние РВС. Такие перемещения возникают от сдвигов основания, внешних факторов, землетрясений. В изученной автором литературе не найдено критериев, определяющих области допустимых боковых перемещений оснований резервуаров. Большое число вопросов остается неразрешенными. Какое воздействие горизонтальные перемещения оказывают на напряжения в различных элементах резервуара? Могут ли горизонтальные смещения вызвать разрушения или повреждения стенки и днища? Нужно ли учитывать совместное действие вертикальных и горизонтальных перемещений?

В рассмотренных трудах анализируется каждый вид деформирования конструкций в отдельности, и не учитывается их совместный эффект. Более того, устанавливаются области допустимых значений напряжений в различных элементах резервуара без учета совместного действия различных факторов, включая напряжений, возникших от веса хранимой жидкости. Приближенные вычисления показывают, что такие упрощения имеют не значительное влияние во многих случаях. Однако, есть необходимость учитывать комбинации различных факторов, вызывающих избыточные напряжения, если они оказывают значимое влияние. Так, например, считается, что общая осадка центральной части днища типа с большими локальными деформациями намного опаснее, чем отдельные небольшие участки с неравномерными осадками. Также существует проблема, связанная с тем, что значение НДС металлоконструкций резервуара становится неизвестным после исправления осадок наружного контура днища. В таблице 1.3 представлены предложенные требования к допустимым величинам неравномерной осадки стенки и днища, полученные разными исследователями. Исходя из критериев, [149] были сформулированы требования американского стандарта API 653 в части назначения допустимых областей неравномерной осадки.

Моделирование неравномерной осадки наружного контура днища с реализацией в программе ANSYS Workbench 14.5

Исследованиями напряженно-деформированного состояния (НДС) резервуаров занимались отечественные и зарубежные ученые, наибольшую известность получили работы: В.А. Буренина [22], В.Б. Галеева [26], А.Г. Гумерова [31], Г.Е. Коробкова [38], Б.А. Егорова [32], М.С. Иштирякова [35], П.А. Коновалова [37], В.В. Любушкина [41], М.К. Сафаряна [51], И.В. Слепнева [56], А.А. Тарасенко [60], Г.Г. Хоперского [92], В.Е. Шутова [120], Э.М. Ясина [123], К. Кавано [121], В. Кршупки [40], С. Ямамото [122] и др.

Согласно [64] в настоящий момент от 30 до 40% вертикальных стальных резервуаров имеют показатели неравномерности осадки значительно превышающие критические значения. Часто это связано с тем, что площадки строительства крупногабаритных резервуаров находятся на территории Западной Сибири, где преобладают переувлажненные и слабонесущие грунты. Также причинами неравномерных осадок могут служить как ошибки проектирования, так и строительно-монтажных работ. Исходными данными для исследования являются результаты диагностического обследования 300 крупногабаритных вертикальных стальных резервуаров [62]. Однако, автором работы не ставится задача исследования причин появления неравномерных осадок, предлагается руководствоваться принципом «как построено». Цель исследования – выяснить, как изменение параметров осадки влияет на возникновение предельных состояний металлоконструкций РВС на основе анализа напряженно-деформированного состояния. Традиционно такая задача решается методом сил, который впервые применили в своих работах С.П. Тимошенко [92], В.В. Любушкин [43], Л.З. Румшинский [52]. Так в работе С.П. Тимошенко [92] описывается расчетная схема, где днище рассматривается как плита на упругом основании, а стенка – как составная цилиндрическая оболочка переменной толщины. Автор применил метод сил для расчета узла сопряжения стенки резервуара с днищем. Однако для представления уравнений равновесия стенки и днища обыкновенными дифференциальными уравнениями четвертого порядка (аналогичными дифференциальному уравнению изгиба балки на упругом основании) потребовалось принять упрощающие допущения: - нагрузки и деформации осесимметричны; - кольцевыми усилиями, возникающими в днище можно пренебречь, т.к. поперечные смещения круглой плиты на упругом основании крайне малы.

Полученные С.П. Тимошенко решения просты и удобны для практического применения, однако их применение ограничено условием осесимметричности деформаций.

Т.к. неравномерная осадка вызывает неосесимметричную деформацию конструкций резервуара и, как следствие, изменение общего напряженно-деформированного состояния, для решения задач необходимо дать математическое представление явления неравномерной осадки. В работах [22, 27, 43, 62] В.А. Буренин, В.Б. Галеев, В.В. Любушкин, А.А. Тарасенко кривую неравномерной осадки аппроксимируют тригонометрическим полиномом, выполняется разложение в ряд Фурье по количеству точек нивелирования, далее определяются элементарные состояния и выполняется их сложение. Ряды Фурье приближенно описывают реальную кривую осадки, применение их связано с поиском коэффициентов Фурье, что не всегда удается, особенно для граничных условий и внешних воздействий, и нередко приходится довольствоваться их приближенными значениями.

В своих исследованиях автор выбрал другой подход, предложенный И.В. Слепневым и Ю.В. Соболевым [58]. Вводится безразмерный параметр n, определяющий размеры зоны депланации. В месте контактного взаимодействия днища и основания «вырезается» сектор, из которого удаляется грунт и фундаментное кольцо. Таким образом, какими бы физико-механическими свойствами не обладал грунт в секторе, рассматривается наихудший вариант – его отсутствие. Однако аналитические методы не позволяют решать поставленные автором задачи, поскольку для получения практически значимых результатов необходимо учитывать реальную геометрию конструкций РВС. Численные методы являются наиболее рациональными для получения достоверных решений.

Первыми учеными, применившими численные методы в своих исследованиях были: В.А. Буренин [22], В.Б. Галеев [27], Г.Е. Коробков [40], А.А. Тарасенко [62], И.В. Слепнев [58]. Работы перечисленных авторов посвящены изучению изменения НДС стенки и днища резервуара, происходящего под действием различных сочетаний нагрузок.

Широко известны работы Т.Т. Стулова [60], который предпринял попытки учета неравномерной осадки основания при оценке НДС резервуара. Ввиду того, что в принятой расчетной схеме принято множество упрощающих допущений, реальные условия работы нижнего узла резервуара не отражены с достаточной точностью.

Численному моделированию НДС стальных вертикальных резервуаров, эксплуатируемых в нестандартных условиях, посвятил свое исследование [40] Г.Е. Коробков. Используя метод конечных элементов, автору удалось создать расчетную модель резервуара, в которой учитываются особенности деформирования кольцевых и оболочечных элементов. В работе рассмотрены кинематические и физические соотношения, уравнения равновесия оболочечных элементов, моделирующих пояса стенки, днища и покрытия резервуара. Построены модели резервуаров РВС-20000 и РВС-50000, получены эпюры прогибов и напряжений в стенке, возникающих под действием осесимметричных нагрузок. Автор, решая практическую задачу численного моделирования НДС стенки резервуара, подверженной сплошной коррозии, не рассматривает случаев неосесимметричного нагружения. Также область исследований Г.Е. Коробкова не затрагивает вопросов численного моделирования РВС при неравномерных осадках.

Разработкой научных основ методов расчета вертикальных стальных резервуаров с учетом неоднородности грунтовых оснований занимался А.С. Горелов [30]. В исследовании автора установлены аналитические зависимости коэффициентов постели от нагрузки, а также их распределение в области неоднородности естественного грунтового основания резервуара. Рассмотрено влияние деформационных свойств неоднородных грунтов на работу конструктивных частей РВС, а также разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать неравномерные перемещения и деформации конструктивных частей РВС. Автор количественно исследовал влияние модуля деформации грунта на изгиб стенки и прогиб днища при различных способах задания краевых условий в уторном узле, предложил и обосновал модель совместной работы стенки и окрайки с учетом появления растягивающих усилий. К сожалению, автором не учитывалась реальная геометрия резервуара (конфигурация кольца жесткости и стационарной крыши, выступ окрайки и др.), что снижает точность расчета НДС при осадках основания.

Анализ подходов действующей нормативно-технической документации к предельным состояниям резервуаров

Предельное состояние резервуара при его деформировании определяется характеристикой собственной жесткости конструкции согласно [86]. Поэтому определяющим показателем реального технического состояния РВС при неравномерных осадках основания является собственная жесткость цилиндрической оболочки с проектными конструктивными элементами: стационарным покрытием, окрайкой, днищем, кольцом жесткости и т.д., влияющими на конечную жесткость всего сооружения. Существующая нормативная документация, регламентирующая необходимость и сроки ремонта РВС при осадках оснований, не учитывает их индивидуальные жесткостные характеристики. Зачастую, на основе таких требований принимаются решения о ремонте и выводе из эксплуатации резервуаров, техническое состояние и ресурс которых позволяет не выводить их из технологической цепочки перекачки нефти вплоть до плановых сроков.

Предлагаемая автором методика позволяет провести теоретическое обоснование возможности переноса сроков ремонта РВС-20000, подверженного осадке основания, что в конечном счете снизит издержки эксплуатирующей организации от простоя и преждевременного ремонта технологического сооружения.

Согласно существующей НТД, расчет конструкций вертикальных стальных резервуаров (РВС) должен выполняться по методике предельных состояний первой и второй групп в соответствии с ГОСТ Р 54257-2010 [3].

Установленными в документе положениями указывается, что превышение параметров предельных состояний первой группы приводит к потере несущей способности строительных конструкций и сооружения в целом; второй группы – к нарушению нормальной эксплуатации строительных конструкций, исчерпанию ресурса их долговечности, снижению прочности.

Для вертикальных стальных резервуаров достижение предельного состояния первой группы может означать: – разрушение различного характера: пластическое, хрупкое, усталостное; – потерю устойчивости; – явления, при которых возникает необходимость аварийной остановки эксплуатации РВС: чрезмерные пластические деформации конструкций (стенки, центральной части днища, окрайки, кольца жесткости), сдвиги в соединениях и узлах (уторный шов; узел сопряжения стенки, опорного кольца и настила стационарной кровли), нарушение целостности сварных швов, раскрытие трещин в элементах несущих конструкций.

При достижении предельного состояния второй группы могут возникать следующие виды нарушений нормальной эксплуатации: – достижение предельных деформаций конструкций, устанавливаемых исходя из технологических требований, что не позволяет исправно работать установленному оборудованию и устройствам (например, заклинивание понтона вследствие значительной деформации стенки); – образование скрытых трещин и зон концентрации напряжений, которые в дальнейшем (при развитии и не исправлении причин их появления) могут привести к переходу в первое предельное состояние; – другие явления, при которых возникают ограничения по эксплуатации и снижение технико-эксплуатационных характеристик сооружения (например, необходимость уменьшения высоты взлива нефти в резервуаре).

Согласно [3] для каждого предельного состояния при проектировании РВС устанавливаются соответствующие расчетные значения: – нагрузок и воздействий (ветровая, снеговая, сейсмическая, нагрузка от действия избыточного давления и вакуума, нагрузка от веса металлоконструкций и оборудования и т.д.); – характеристик материалов и грунтов (плотность хранимого продукта, прочностные характеристики резервуарной стали, характеристики, определяющие несущую способность грунтового основания и т.д.); – геометрических параметров конструкций с учетом их возможных, наиболее неблагоприятных отклонений (предельные отклонения стенки от образующей, отклонения отметок наружного контура днища от проектных величин); – коэффициентов надежности, условий работы и сочетаний для длительных и кратковременных нагрузок; – предельно допустимых значений усилий, напряжений, прогибов, перемещений. Условия обеспечения надежности конструкций резервуара состоят в том, чтобы расчетные значения усилий, напряжений, деформаций, перемещений не превышали соответствующих им предельных значений, устанавливаемых нормами проектирования.

Современными нормативными документами: федеральным – РБ Серия 03. Выпуск 69 [4], СА-03-002-09 [11] и отраслевым (ОАО АК «Транснефть»), имеющим еще более жесткие требования, – РД-23.020.00-КТН-018-14 [6], регламентируются проверочные расчеты для определения величины предельных состояний первой и второй групп. Для этого предельные состояния первой группы проверяются расчетом на максимальные нагрузки и воздействия, возможные при нарушении нормальной эксплуатации, а предельные состояния второй группы – на нагружения, отвечающие нормальной эксплуатации конструкций. Несмотря на то, что данными нормативными документами учитываются основные нагрузки (гидростатическая, снеговая, ветровая, нагрузка от веса оборудования, избыточного давления и вакуума и т.д.), всё же рассчитывается идеализированный случай, в котором не отражены геометрические несовершенства формы при строительстве, отклонения отметок основания от проектных вследствие возможного брака СМР и т.д. Эти факторы влияют на общее НДС резервуара и в конечном счете на наступление предельных состояний.

Так, расчеты на прочность и устойчивость стенки резервуара являются основополагающими при обосновании и проверке выполненных проектных решений. Поверочный расчет на прочность для каждого пояса стенки резервуара должен выполняться в соответствии с требованиями СП 16.13330.2011 [14] по следующему неравенству: где alt - меридиональные напряжения в і-м поясе стенки, МПа; О2І - кольцевые напряжения в і-м поясе стенки, МПа. R - расчетное предельно допустимое напряжение, МПа. Расчетом проверяются все пояса стенки на уровне горизонтальных швов для гарантированного срока безопасной эксплуатации, назначенного в техническом задании на проектирование.