Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы повышения надежности стальных вертикальных резервуаров с понтонами 28
1.1 Влияние оборудования на надежность эксплуатации резервуаров.. 29
1.2 Недостатки понтонов, используемых в резервуарах со стационарными крышами 47
1.3 Методы расчета РВС с понтонами 57
1.3.1 Аналитические методы 57
1.3.2 Численные методы 69
1.4 Классификация понтонов РВС 71
2 Плавучесть, остойчивость и непотопляемость понтонов 78
2.1 Методика расчета плавающего покрытия 78
2.2 Исследование остойчивости понтонов РВС 83
2.3 Численное моделирование понтонов РВС при помощи пакета программ FlowVision
2.3.1 Метод контрольного объема
2.4 Применение пакета программ FlowVision для расчета остойчивости понтонов РВС 110
2.5 Определение при помощи пакета программ FlowVision нагрузок на уплотняющие затворы понтонов РВС П5
3 Исследования нашяженно-деформированного состояния понтонов 124
3.1 Применение численных методов для расчета понтонов 124
3.2 Влияние конструктивных параметров опоры понтона на его прочность 137
3.3 Расчет прочности понтонов из синтетических и армированных материалов на опоре в форме многолучевой звезды 149
3.4 Экспериментальные исследования НДС пенополиуретанового понтона под нагрузкой 161
3.5 Проверка адекватности моделей понтонов 167
4 Исследования напряженно-деформированного состояния РВС с понтоном при динамических нагрузках 174
4.1 Методические вопросы построения моделей в среде FlowVision для комплексного исследования процессов удаления отложений в нефтяных резервуарах 174
4.2 Возможности программных продуктов FlowVision и ANSYS для определения напряженного состояния нефтяных резервуаров 191
4.2.1 Анализ путей решения задачи 192
4.2.2 Постановка и решение гидродинамической части задачи 194
4.2.3 Постановка задачи по определению напряженного состояния конструкции резервуара
4.3 Исследования влияния устройства «Диоген» на напряженно-деформированное состояние вертикального стального резервуара. 204
4.4 Изучение влияния устройства «Диоген» на плавающие покрытия 221
4.5 Моделирование воздействия землетрясений на резервуары при помощи программного комплекса FlowVision 223
5 Оптимизация конструктивных параметров рвсп с учетом воздействия динамических нагрузок 230
5.1 Совершенствование конструкции понтонов РВС 230
5.2 Определение восстанавливающего момента понтона с успокоителями 236
5.3 Определение сил, действующих на успокоитель 248
5.4 Определение диаграммы статической остойчивости 250
5.5 Динамическая остойчивость 253
5.6 Диаграмма динамической остойчивости 256
5.7 Экспериментальные обоснования расчетов остойчивости понтона с успокоителями 259
5.8 Исследование остойчивости понтонов с успокоителями 262
Выводы по главе 5 269
Основные выводы 270
Список литературы 272
Приложение
- Недостатки понтонов, используемых в резервуарах со стационарными крышами
- Численное моделирование понтонов РВС при помощи пакета программ FlowVision
- Расчет прочности понтонов из синтетических и армированных материалов на опоре в форме многолучевой звезды
- Возможности программных продуктов FlowVision и ANSYS для определения напряженного состояния нефтяных резервуаров
Введение к работе
Актуальность работы
Стальные резервуары в общем объеме хранилищ составляют более 80%. Анализ показывает, что одним из наиболее эффективных методов борьбы с потерями от испарения в стальных вертикальных резервуарах является использование понтонов, плавающих крыш. Не все легколетучие нефтепродукты можно хранить в резервуарах с плавающими крышами; к последним относятся нефтепродукты, чувствительные к воде или содержащие водорастворимые присадки.
Эффективность понтонов как средства сокращения потерь достигает 90%. При одинаковой степени герметичности затвора и при одинаковом температурном режиме и испаряемости нефтепродукта в резервуаре с понтоном потери от испарения меньше, чем в резервуаре с плавающей крышей.
Первые исследования по созданию резервуаров с понтонами в нашей стране были начаты в 50-х годах под руководством профессора Н.Н. Константинова. Общие научные принципы проектирования, сооружения и эксплуатационной надежности резервуаров сформулированы в работах отечественных ученых и специалистов: Ф.Ф. Абузовой, В.Л. Березина, И.С. Бронштейна, В.А. Буренина, В.Б. Галеева, А.Г. Гумерова, С.Г. Едигарова, М.Г. Каравайченко, В.С. Корниенко, А.А. Коршака, Б.В. Поповского, М.М. Сафаряна, А.А. Тарасенко, В.Е. Шутова, В.Г. Шухова, Э.М. Ясина и других, а также зарубежных ученых: И. Виггинса, М. Ирвинга, А.Нельсона, В.Робертсона, Т. Цутому и др. Исследованием упомянутых проблем занимаются коллективы ВНИПИнефть, ВНИИмонтажспецстрой, ЦНИИпроектстальконструкция, ИПТЭР, ТатНИПИнефть, ЗАО «Нефтемонтаждиагностика», РГУНГ им.Губкина, Тюменский ГНУ и др.
Большое значение для обеспечения надежной эксплуатации резервуаров, снижения потерь нефти и нефтепродуктов от испарения имеет использование технически исправного резервуарного оборудования, правильный его монтаж и эксплуатация.
Постоянного внимания требуют вопросы своевременного удаления отложений из резервуаров, работоспособности и безопасности необходимого для реализации этих целей оборудования.
Внедрение нового оборудования, совершенствование конструкций стальных резервуаров и отдельных их элементов, выявление оптимальных габаритов, при которых обеспечивается минимальный расход металла и максимальное снижение потерь нефти и нефтепродуктов от испарения, требует разработки индивидуальных проектов на резервуары. При разработке последних необходимо использовать новые прогрессивные методы и программные средства для оптимизации расчетов.
Целью работы является повышение работоспособности стальных вертикальных резервуаров с понтонами на основе совершенствования методов расчета, учитывающих особенности конструкций и оборудования, в том числе при воздействии динамических нагрузок.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решались следующие основные задачи:
-
исследование влияния современного оборудования стальных вертикальных резервуаров с понтонами, способов расчета на повышение работоспособности и безопасности их эксплуатации;
-
совершенствование методов расчетов плавучести, остойчивости, непотопляемости понтонов с учетом их конструктивных особенностей на основе теории статики корабля, опирающихся на законы теоретической механики и гидромеханики;
-
построение и изучение математической модели, описывающей напряженно-деформированное состояние понтона; численное моделирование напряженно-деформированного состояния армированного понтона;
-
разработка методики, численное моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния стальных вертикальных резервуаров при работе винтового оборудования для размыва донных отложений, образующихся при хранении продукта;
-
разработка конструкций понтонов с улучшенной остойчивостью, исследование их поведения на основе разработанной математической модели с целью обоснования возможности применения таких понтонов в резервуарах различной вместимости для повышения работоспособности последних.
Методы исследований: Поставленные задачи решены с использованием: положений теории прочности, теории надежности, теории корабля, теории подобия и математического моделирования физических объектов и процессов, закономерностей и положений механики конструкций из композиционных материалов. Использованы математический аппарат рядов Фурье, методы конечных элементов, контрольного объема, ортогональной прогонки Годунова, последовательных приближений, вероятностно-статистические методы. Окончательная оценка предлагаемых научно-технических решений проводилась по результатам стендовых и опытно-промышленных испытаний.
Научная новизна
1. Исследовано влияние конструктивных параметров понтонов стальных вертикальных резервуаров (РВС) на характеристики плавучести, остойчивости, непотопляемости; разработана классификация понтонов на основе указанных характеристик, позволяющая оценить достоинства и недостатки существующих в настоящее время понтонов для повышения объективности оценки проектируемой конструкции плавающего покрытия РВС.
2. Впервые, на основе теории корабля, разработана методика расчета плавучести, остойчивости, непотопляемости понтона, имеющего форму диска с дополнительными элементами, позволяющая учитывать в расчете модификацию конструкции.
3. Получены зависимости скорости течения жидкости различной плотности от уровня налива продукта в РВС при закачивании на хранение. Установлено, что для стальных вертикальных резервуаров большой вместимости (больше 50000 м3) с одной направляющей стойкой разрушение уплотняющего затвора стального понтона неизбежно. На основании проведенных расчетов разработаны рекомендации для снижения нагрузки на затворы и повышения их работоспособности и долговечности.
4.Теоретически решена и экспериментально подтверждена задача исследования напряженно-деформированного состояния понтона РВС при установке на опорную конструкцию, имеющую форму многолучевой звезды, и дополнительных нагрузках при помощи обобщенной математической модели, описывающей понтон из изотропного, монотропного и армированного материала.
5. Впервые, с использованием программных комплексов на основе методов конечных элементов и конечных объемов, разработаны математические модели и методики для определения напряженно-деформированного состояния стальных вертикальных резервуаров при размыве донных отложений с помощью винтового оборудования, учитывающие воздействие потока жидкости на стенки РВС.
6. На основе созданных методов расчета определены геометрические параметры разработанной новой конструкции металлических понтонов с устройствами, повышающими остойчивость. Исследованы вопросы статической и динамической остойчивости понтонов с успокоителями. Впервые разработаны научные основы получения диаграмм статической и динамической остойчивости понтонов.
Практическая ценность работы
Научные результаты, полученные в работе, применены при расчетах и разработке конструкции пенополиуретановых понтонов, выполненных ЗАО «Нефтемонтаждиагностика», смонтированных в вертикальных цилиндрических резервуарах ОАО «Ново-Уфимский нефтеперерабатывающий завод», ОАО «Уфимский нефтеперерабатывающий завод».
Разработанные методы, модели и результаты, полученные в работе, использованы в ОАО «Уфагипротрубопровод» для определения напряженно-деформированного состояния стальных вертикальных резервуаров при работе винтового оборудования для размыва донных отложений, образующихся при хранении нефтепродукта.
Теоретические и практические результаты работы использованы в учебнике, двух учебных пособиях для вузов, учебно-методических пособиях и лекциях по курсам «САПР в нефтегазовом деле», «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ».
На разработанную конструкцию понтона получен патент на изобретение № 2302365 РФ «Плавающее покрытие для резервуара».
На защиту выносятся следующие основные положения:
– классификация понтонов на основе характеристик плавучести, остойчивости, непотопляемости, позволяющая оценить достоинства и недостатки плавающих покрытий;
– методика расчета плавучести, остойчивости, непотопляемости понтона, имеющего форму диска с дополнительными элементами, позволяющая учитывать в расчете модификацию конструкции;
– обобщенная математическая модель, описывающая понтон из изотропного, монотропного и армированного материала при установке на опорную конструкцию, имеющую форму многолучевой звезды;
– методика для определения напряженно-деформированного состояния стальных вертикальных резервуаров при размыве донных отложений с помощью винтового оборудования;
– исследования статической и динамической остойчивости новой конструкции понтона с устройствами, повышающими остойчивость.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались на международных, всероссийских и республиканских совещаниях и конференциях:
на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России», г. Уфа, 1995 г.; Всероссийской конференции «Проблемы гидродинамики, надежности и прочности в современном трубопроводном транспорте», г. Уфа, 1997 г.; III Международном конгрессе «Защита-98», г. Москва, 1998 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России. Транспорт и хранение нефти и газа», г. Уфа, 1998 г.; 3-ей Всероссийской научно-практической конференции c международным участием “Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности”, г. Санкт-Петербург, 1998 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Новоселовские чтения», г. Уфа, 1998 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Новоселовские чтения», г. Уфа, 1999 г.; Международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов (КХТП-V-99)», г. Уфа, 1999 г.; IV Международной научно-технической конференции при IV Международной специализированной выставке «Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство-2000» «Проблемы строительного комплекса России», г. Уфа, 2000 г.; Межотраслевой научно-практической конференции «Проблемы совершенствования дополнительного профессионального и социогуманитарного образования специалистов топливно-энергетического комплекса», г. Уфа, 2001 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Трубопроводный транспорт нефти и газа», г. Уфа, 2002г.; II Всероссийской учебно-научно-методической конференции «Реализация государственных образовательных стандартов при подготовке инженеров-механиков: проблемы и перспективы», г. Уфа, 2004 г.; II Российской межвузовской конференции по компьютерному инженерному анализу, г.Екатеринбург, 2005г.; III Российской межвузовской научно-практической конференции с международным участием «Методы компьютерного проектирования и расчета нефтяного и газового оборудования», г.Тюмень, 2006г.; Х Международной научно-технической конференции при Х Международной специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство - 2006» «Проблемы строительного комплекса России», г. Уфа, 2006 г.; ХIII Международной научно-практической конференции «Гидроаэромеханика в инженерной практике», г. Киев, 2008г. IV Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2008», г. Уфа, 2008г.; V Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2009», г. Уфа, 2009г.
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 51 научном труде, в том числе: монография – 1, статей – 19 (в т.ч. 9 во включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналах и изданях, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ), руководящий документ – 1, патент на изобретение – 1, учебник – 1, учебные пособия – 2.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций; содержит 322 страницы машинописного текста, в том числе 9 таблиц, 118 рисунков и 4 приложения, библиографический список из 148 наименований.
Недостатки понтонов, используемых в резервуарах со стационарными крышами
Практика сооружения и эксплуатации металлических понтонов-выявила ряд недостатков в их конструкции: неудобство и продолжительный срок монтажа понтона в действующих резервуарах, быстрая коррозия и большой расход металла. Дефектами понтонов могут быть неплотности или трещины в сварных соединениях коробов. Более серьезные дефекты возникают при перекосе короба или потоплении понтона [28, 36].
Из-за наличия газа в нефти при понижении давления на возвышенных участках трассы трубопровода образуются газовые пробки, которые при возобновлении перекачки попадают в резервуар и вызывают перекос стальных понтонов. Таким образом, в результате перекосов понтонов, переливов нефти (нефтепродуктов), кипения нефти возможно затопление бездефектных технически исправных металлических стальных понтонов.
В теории надежности под отказом понимают событие, заключающееся в полной или частичной утрате объектом работоспособности [88]. Основное назначение понтона - сокращение потерь от испарения, поэтому под отказом плавающего покрытия понимают полную или частичную утрату им функции сокращения потерь.
Значения предельных отклонений для наружного контура днища, для отклонений вертикальности образующих стенки и т.д. - установлены на основании практического опыта. Фактически в нормативных документах зафиксированы значения отклонений, обычно наблюдаемых на новых резервуарах, притом, что они не противоречат здравому смыслу и интуиции [89]. Когда речь идет о резервуарах с понтоном, требования к геометрии неизбежно должны быть строгими, т.е. нормативные значения отклонений не подлежат ревизии. Аварии случаются обычно, если в процессе монтажа и эксплуатации конструкции допущено не одно, а несколько нарушений. Но уже единственное отклонение от нормы значительно повышает возможность аварийной ситуации. Так, в 1996 году на ЛИДС "Черкассы" произошло затопление металлического понтона РВСП-10000 №36"." Комплексное обследование резервуара было проведено УПТР ГКНП в 1990 году. В результате потопления понтона произошла деформация трех коробов и 30% центральной части. Одна из двух направляющих понтона имела прогиб на высоте 6 - 7-го поясов до 120 мм, а также разорвана в нижней части по сварному шву. Сварной шов направляющей понтона обычно расположен в ее верхней части. В рассматриваемом случае металл не выдержал возникающих нагрузок, возникла трещина. Заполнение части коробов жидкостью, хранящейся в резервуаре, привело к деформации направляющей, понтона, и к затоплению последнего с повреждением днища резервуара и опорных стоек понтона. Бензин мог попасть на поверхность и в короба понтона, т.к. затвор понтона имел износ более 50%, провис и не выполнял свои функции. На примере описанной аварии можно убедиться, что актуальными являются любые попытки повысить надежность плавающего покрытия.
Алюминиевые понтоны показали высокие эксплуатационные свойства, но известны случаи заклинивания понтона. Следует указать, что все типы понтонов, в конструкции которых содержится алюминий, подвержены воздействию щелочной среды.
Для снижения расхода металла и общей массы понтона используют неметаллические понтоны.
На фоне развития химии полимеров и технологии получения вспененных пластмасс в 80-х годах, на объектах транспорта нефти и нефтепродуктов увеличивалось использование нового материала -пенополиуретана (ППУ). Пионером в области внедрения в нашей стране ППУ как материала для изготовления понтонов, является СКБ «Транснефтеавтоматика» ГКНП СССР. В 1985 году им разработана конструкция сборно-монолитного понтона для вертикальных стальных резервуаров вместимостью от 200 до 10000 м , которая стала образцом для подражания многими проектировщиками. Особенностью данной конструкции является полное отсутствие в плавающей части, как и в понтоне ВЗПИ, металлических деталей.
Понтон включает периферийное кольцо, обеспечивающее прочность и жесткость в месте крепления уплотнения, центральную часть, несущее кольцо с эластичным вкладышем, формирующее борт понтона и позволяющее закрепить уплотнение.
Численное моделирование понтонов РВС при помощи пакета программ FlowVision
При расчетах рассматривались плавающие покрытия из ППУ, толщиной 0,07м, 0,14м, 0,3м и 0,5м для резервуаров вместимостью 1000 м3, 2000 м3, 3000 м3, 5000 м3, 10000 м3, 50000 м3, 100000 м3 с целью определения оптимальных конструктивных параметров понтонов. Проводился численный эксперимент: увеличение массы понтона за счет 1) увеличения толщины плавающего покрытия; 2) дополнительного утяжеления понтона без увеличения его толщины, что возникает, например, в результате армирования. В последнем случае учитывалось возможное влияние аппликаты расположения дополнительного груза. Результаты расчетов по программам показывают, что с увеличением толщины и массы плавающего покрытия плечо статической остойчивости увеличивается (рис. 2.8). Увеличение массы понтона за счет дополнительного его утяжеления мало влияет на плечо статической остойчивости, но способствует значительному увеличению восстанавливающего момента. Изменение положения аппликаты центра тяжести (при дополнительном утяжелении понтона) оказывает слабое воздействие на характеристики остойчивости плавающего покрытия (рис. 2.9). Следовательно, при помощи расположения утяжеляющей арматуры сверху, снизу или в середине материала понтона нельзя улучшить остойчивость плавающего покрытия. На рис. 2.9 показан характер изменения максимально выдерживаемых статически приложенных кренящих моментов по опрокидыванию понтона Мко и заливанию понтона Мы, максимально выдерживаемых динамически приложенных кренящих моментов по опрокидыванию понтона М ш и заливанию понтона Mdi в зависимости от толщины понтона и его центра тяжести. Максимально выдерживаемый динамически приложенный момент находится из условия равенства работ кренящего и восстанавливающего моментов.
Из графиков, представленных на рис. 2.9, видно, что при увеличении массы плавающего покрытия (которая зависит от его толщины) величины максимально выдерживаемых кренящих моментов растут. То же самое происходит при увеличении массы понтона за счет его дополнительного утяжеления. Но в последнем случае уменьшается угол заливания плавающего покрытия из-за увеличения осадки. Исправить положение можно, если увеличить высоту боковой стенки. Как показывают расчеты, для понтона радиусом 11,125 м при высоте боковой стенки 0,5 м и массе 8000 кг угол заливания составляет 6, а при высоте боковой стенки 0,14 м угол заливания составит 0,5. Рассмотрим вопрос непотопляемости плавающих покрытий из ППУ. Наихудший вариант - это заливание плавающего покрытия жидкостью, хранящейся в резервуаре. Бортик высотой 0,1 м задерживает следующий объем жидкости: Тогда дополнительный вес, приобретаемый понтоном, составит а его собственный вес можно определить по формуле где рп -плотность ППУ, а Н - высота понтона. В этом случае глубина погружения понтона вычисляется по формуле 97 Пусть высота понтона совпадает с глубиной его погружения Т=Н, т.е. понтон полностью погружен в жидкость, хранящуюся в резервуаре, тогда При рж = 700 кг/м3 , р„ = 40 кг/м3, Н = 0,11 м, т.е. при толщине понтона 0,11 м в наихудшем случае полного заливания плавающего покрытия жидкостью с плотностью рж = 1000 кг/м , непотопляемость обеспечена. Рассмотрим теперь вопрос остойчивости плавающих покрытий из ППУ с толщиной Н=0,11 м. Пусть жидкость из резервуара попала лишь на одну половину понтона. При этом жидкость имеет форму цилиндрического клина с объемом где р - угол между плоскостями днища понтона и поверхностью жидкости. Так как высота бортика понтона составляет 0,1 м, то Абсцисса центра тяжести цилиндрического клина Тогда кренящий момент, возникающий при попадании жидкости на половину понтона Величины кренящего момента Мкр, кренящего момента по опрокидыванию понтона Мк0 и масса плавающего покрытия Р при его толщине 0,11 м для резервуаров различной вместимости сведены в табл-2.1, из которой видно, что остойчивость обеспечена с большим запасом т.к. максимально выдерживаемые статически приложенные кренящие моменты по опрокидыванию понтона - Мко в десятки раз превышают величиньгМкр.
Расчет прочности понтонов из синтетических и армированных материалов на опоре в форме многолучевой звезды
Понтон должен быть проверен на выполнение условий прочности. Рассмотрим напряженно-деформированное состояние понтона при опорожнении резервуара и установке понтона на опорную конструкцию, которая имеет форму многолучевой звезды (рис. 3.12). Для проверки прочности плавающего покрытия достаточно рассмотреть его часть в виде сектора с центральным углом, равным углу между лучами опоры, свободно опирающуюся по краям и не опертую по дуге контура.
Обозначим величину центрального угла указанного сектора через ж/к. Для решения задачи применим теорию изгиба круглой пластинки. Прогиб нашего сектора будет совпадать с прогибом сектора круглой пластинки, загруженной, как показано на рис. 3.13. Положение каждой точки пластинки будет характеризоваться полярными координатами: расстоянием от центра пластинки г и углом в. Уравнение изогнутой поверхности круглой пластинки можно записать в виде [124]: где w — прогиб пластинки, q - интенсивность нагрузки, D — цилиндрическая жесткость пластинки при изгибе.
Общее решение уравнения (3.23) представляется в виде где w0- частное решение уравнения (3.23), a wj - решение однородного уравнения (где 2Т=2ж/к - период функции q) из разложения в ряд Фурье аналогичной функции с периодом 2Т=2ж [17]. Дифференциальное уравнение изогнутой поверхности тогда можно представить так Последняя формула при &=7совпадает с выражением для определения прогибов (1.10), полученным в [124]. Подставляя в (3.34) - (3.36) полученные по формулам (3.30) значения коэффициентов Am, Вт, можно определить величины моментов и по формуле (3.37) вычислить величину максимального напряжения. Для определения прогибов в любой заданной точке, для вычисления величин моментов и соответствующих напряжений составлен комплекс программ на языке программирования Паскаль для IBM-совместимых ПЭВМ, включающий также программу для определения жесткости понтона из композиционных материалов, что позволяет быстро и точно исследовать прочность любого конкретного понтона.
Пусть необходимо исследовать напряженно-деформированное состояние опирающегося на опорные стойки понтона из вспененного полимера, армированного стекло - или минераловолокнистой сеткой. Если имеются хотя бы два слоя стеклосетки, повернутые один относительно другого на 90, то такого рода пластинки можно считать монотропными (трансверсально-изотропными, транстропными), т.е. в плоскости симметрии ху свойства материала одинаковы по всем направлениям [9].
Приведенные формулы для них тоже справедливы. Покажем это. Ортотропным называется такое тело, через каждую точку которого проходят три ортогональные плоскости упругой симметрии [67]. Если эти плоскости принять в качестве координатных плоскостей, то в предположении, что перпендикулярные к срединной плоскости пластинки, т.е. к плоскости ху, линейные элементы ее остаются прямыми и нормальными к изогнутой поверхности пластинки после ее изгиба, уравнение изогнутой поверхности изогнутой ортотропной пластинки можно записать в виде [124] ?ху = Gy В применении к монотропным пластинкам Dx=Dy. Для пластинки, армированной в двух перекрестных направлениях х и у, М.Т. Губером [144] рекомендованы выражения 1-і" где n=EJEMiIMX - момент инерции материала матрицы, 1вх - момент инерции арматуры относительно нейтральной оси в сечении x=const, Іму и Іду соответствующие значения для сечения y=const. Используя приведенные формулы, с помощью введения новой переменной, ух = y4 Dx /Dy уравнение (3.39) приводится к уравнению изгиба изотропной пластинки в декартовых координатах: где Д/, 2, ///2, M2J&12 - механические характеристики материала понтона. Выражения (3.41), (3.43), а также равенство модулей упругости в направлениях х и у для монотропного тела (Ei=E2) позволяют привести соотношения для определения моментов и перерезывающих сил в ортотропнои пластинке
Возможности программных продуктов FlowVision и ANSYS для определения напряженного состояния нефтяных резервуаров
В настоящее время для борьбы с донными отложениями на днищах стальных вертикальных резервуаров с нефтью используют устройства предотвращения и размыва осадка — размывочные головки, устройства «Диоген», «Тайфун» и т.п. Они предназначены для размыва и перемешивания отложений подвижной струёй нефти в резервуарах различной емкости. Работа этих устройств обеспечивает быстрый размыв донных отложений, даже накопленных в резервуаре за несколько лет эксплуатации. Конструкция устройства рассчитана на работу в жидкостях с вязкостью до 40 сСт. Устройство создает направленную затопленную струю жидкости, циклически перемещающуюся над днищем резервуара за счет автоматического привода поворота.
Струя перемешивает тяжелые парафиновые осадки и механические примеси, которые взвешиваются в общей массе нефти и затем удаляются путем откачивания нефти из резервуара. Для обоснованных выводов о возможности безопасной эксплуатации указанных устройств была поставлена задача исследования поведения конструкции резервуара при возникающих в процессе размыва динамических нагрузках, обусловленных струйными течениями [61]. Используя только аналитические методы либо композицию известных решений, решить подобную задачу не представляется возможным. Это обусловлено как сложностью описания работы устройства перемешивания [75], так и тем, что возникающее в резервуаре течение является двухфазным, у которого физические свойства (плотность и вязкость) меняются не только во времени, но и в пространстве. Учитывая особенности постановки задачи, была предпринята попытка получения ее решения с использованием современных программных комплексов, реализующих численные методы расчета, как для моделирования напряженного состояния конструкции резервуара, так и для получения характеристик течения, определяющих нагрузки на днище и стенки резервуара. Необходимо отметить, что попытки решения подобной задачи с помощью численного моделирования уже предпринимались [26].
В указанной работе для получения решения использовались возможности программы инженерного анализа ANSYS в сочетании с входящим в ее состав модулем FLOTRAN. Определение гидродинамических характеристик процесса перемешивания производилось для традиционного метода циркуляционного перемешивания и с использованием устройства эжектирующего типа. К недостаткам предложенного в работе [26] метода решения поставленной задачи следует отнести ограниченные возможности модуля FLOTRAN для моделирования сложных гидродинамических процессов. Следовательно, высока вероятность недостаточно точного определения нагрузок на стенки резервуара. В модуле FLOTRAN невозможно смоделировать работу устройств, отличных от рассмотренного в работе [26] типа. На практике же чается используются устройства, где рабочим элементом является винт, как, например, в устройствах «Диоген», «Тайфун» [64]. Широкие возможности программы инженерного анализа»ANSYS для определения, напряженного состояния конструкции и, В то же время, ее ограниченность по определению гидродинамических характеристик течения, привела к мысли рассмотреть возможность получения решения поставленной задачи в рамках совместного использования указанной программы и известного программного комплекса гидродинамических расчетов - FlowVision.
В случае частично заполненного резервуара этот комплекс позволяет смоделировать процесс волнообразования на границе раздела сред нефть-воздух, который с необходимостью порождается самим устройством и, чем меньше высота заполнения, тем более интенсивным является волнообразование. FlowVision имеет возможность учета существенно отличающихся физических свойств (плотность и вязкость) нефти и осадка, позволяет получить процесс размыва, а, следовательно, и распределение нагрузок на стенки резервуара на различных его временных стадиях, от начала работы устройства до выхода на установившийся во времени процесс движения жидкости в резервуаре. Есть возможность проанализировать решение и определить значения максимальных динамических нагрузок, действующих на конструкцию резервуара, и моменты времени, в которые они возникают [145, 146]. Определяющим моментом в выборе этой программы стало то, что FlowVision, кроме широких возможностей моделирования течений, имеет интерфейс обмена результатами расчета с широко распространенными прочностными конечно-элементными программами, в том числе и с ANSYS.
