Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Состояние проблемы. Цель и задачи исследования 7
1.1. Техническое состояние вертикальных стальных резервуаров и анализ аварийных ситуаций 7
1.2. Обзор работ, посвященных неравномерным осадкам днища, с учетом особенностей работы грунтового основания 11
1.3. Исследования напряженно-деформированного состояния конструктивных частей резервуара 13
Выводы по разделу 1. Цели и задачи исследования 19
Раздел 2. Совместная работа стенки и днища резервуара при различных способах задания краевых условий в уторном узле 21
2.1. Грунтовое основание резервуара и определение коэффициента постели грунта, рассматриваемого как винклерово основание ... 21
2.2. Нахождение изгиба стенки и прогиба днища резервуара, вызванных гидростатическим давлением столба жидкости 30
2.3. Расчет изгиба стенки и прогиба днища с учетом их взаимодействия в уторном узле резервуара 39
2.4. Определение НДС стенки и днища заполненного резервуара 42
Выводы по разделу 2 45
Раздел 3. Влияние наличия окрайки на перемещения стенки и днища резервуара и на их напряженно-деформированное состояние 46
3.1. Определение радиального перемещения стенки с учетом горизонтальной силы в уторном узле 46
3.2. Расчет перемещений стенки и днища с учетом наличия окрайки резервуара 49
3.3. Определение абсолютного удлинения днища при его прогибе... 64
Выводы по разделу 3 67
Раздел 4. Влияние растягивающих усилий в окрайке, обусловленных наличием слабого грунта в основании резервуара, на перемещения его конструктивных частей и уровень их НДС 68
4.1. Определение закона распределения растягивающей силы в горизонтальной полосе днища (окрайки) 68
4.2. Расчет перемещений стенки и днища и их НДС с учетом растягивающих усилий, возникающих при неравномерных осадках резервуара 71
4.3. Расчет осадки днища резервуара при наличии в грунтовом основании слабых грунтов 88
Выводы по разделу 4 94
Общие выводы по работе 96
Литература
- Техническое состояние вертикальных стальных резервуаров и анализ аварийных ситуаций
- Грунтовое основание резервуара и определение коэффициента постели грунта, рассматриваемого как винклерово основание
- Определение радиального перемещения стенки с учетом горизонтальной силы в уторном узле
- Определение закона распределения растягивающей силы в горизонтальной полосе днища (окрайки)
Введение к работе
Стальные вертикальные цилиндрические резервуары относятся к категории особо ответственных сооружений и обеспечение их высокой надежности на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации является важной и актуальной проблемой.
Для конструктивных частей резервуара, среди которых должны быть выделены покрытие, стенка, окрайка и днище, характерно сложное напряженно-деформированное состояние (НДС). НДС конструктивных элементов резервуаров определяется как давлением жидкости, ветра, снега и т.д., так и их взаимодействием с грунтовым основанием.
Расчету перемещений стенки и днища резервуара с соответствующим механизмом формирования его НДС посвящено большое количество исследований как отечественных, так и зарубежных авторов.
Тем не менее, некоторые проблемы остаются и по настоящее время недостаточно изученными. В частности, не полностью исследована динамика развития осадки основания резервуаров в процессах гидроиспытаний и эксплуатации в регионах со сложными инженерно-геологическими условиями; не разработана в полной мере методика определения перехода осадки резервуара в стабилизированное состояние и анализ сопутствующих гистерезисных явлений при разгрузке резервуара; отсутствуют расчетные схемы, описывающие работу стенок и днища с учетом значительных относительных удлинений последнего; недостаточно четко выделено влияние силовых характеристик грунтов, слагающих основание резервуара, на особенности формирования НДС резервуара. Роль отмеченных проблем существенно возрастает в том случае, когда в основании залегают слабые грунты с высокой степенью водонасыщенности. Осадка таких грунтов часто носит нелинейный характер, сопровождающийся реологическими процессами (в частности, фильтрационной консолидацией).
Актуальность проблемы. Существующие в настоящее время методы расчета конструктивных частей резервуаров не в полной мере учитывают деформационные свойства грунтового основания. Неравномерность осадки центра и контура днища при наличии слабых грунтов в основании резервуара приводит к увеличению уровня напряжений в уторном узле. Дополнительным фактором такого увеличения являются растягивающие усилия в днище резервуара. Построение полной силовой модели взаимодействия резервуара с грунтовым основанием с учетом указанных факторов является сложной и актуальной задачей.
Научная новизна заключается в построении математической модели, позволяющей прогнозировать перемещения стенки и днища резервуара и определять их уровень напряженного состояния в зависимости от физико-механических характеристик слабых грунтов, залегающих в основании резервуара.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением методов механики грунтов, строительной механики, сопротивления материалов, математического анализа, современного программного обеспечения, а также сопоставлением полученных результатов с теоретическими и экспериментальными данными других авторов.
Практическая значимость заключается в том, что результаты выполненных исследований позволяют прогнозировать радиальное перемещение стенки, а также осадку центра и контура днища резервуара по данным инженерно-геологических изысканий. Разработанная модель работы стенки и днища резервуара позволяет оценить влияние деформационных характеристик грунтов, в том числе и слабых, на особенности формирования НДС резервуара.
Апробация работы. Основные результаты и научные положения диссертационной работы были доложены на:
- международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири», г.Тюмень, 2005 г.;
международной научно-технической конференции «Интерстроймех», г.Тюмень, 2005 г.;
5-ой региональной научно-практической конференции «Новые технологии - нефтегазовому региону», г.Тюмень, 2006 г.;
региональной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации систем транспорта», г.Тюмень, 2006 г.
Техническое состояние вертикальных стальных резервуаров и анализ аварийных ситуаций
Обеспечение безопасной работы вертикальных стельных резервуаров требует контроля его технического состояния, включая комплексную дефектоскопию конструкций и регистрацию нагрузок и условий взаимодействия с окружающей средой. Данные по надежности резервуаров основываются на статистической обработке характеристик отказов, изучении наиболее часто встречающихся повреждений и анализе особенностей работы конструктивных элементов резервуара [20].
Развитие дефектов и повреждений во времени может привести к изменению расчетных схем конструкций, уменьшению сечений элементов, увеличению концентраций напряжения, ускорению коррозионных процессов и т.д.
Анализ статистических данных по отказам показывает, что уровень аварийности вертикальных цилиндрических резервуаров выше, чем у других металлических конструкций. Такой анализ также позволяет определить факторы и условия, способствующие созданию аварийных ситуаций.
Наибольшее количество разрушений резервуаров наблюдается в начальный период эксплуатации (в том числе и при гидроиспытаниях) и после 25 лет работы.
Это полностью соответствует типичной зависимости частоты отказов оборудования различного назначения от текущего времени.
В начальной стадии наработки наблюдается повышенная частота отказов, что объясняется быстрым выходом из рабочего состояния конструктивных элементов со скрытыми дефектами.
Вторая стадия соответствует периоду нормальной эксплуатации, когда частота отказов остается практически постоянной. На третьей стадии (стадия старения) количество отказов заметно увеличивается, что объясняется износом элементов конструкций и выработкой их полного ресурса.
Разрушения стальных резервуаров носят вязкий, хрупкий и квазихрупкий характер [20]. Особенностью сталей, применяемых при строительстве резервуаров, является смена микромеханизмов разрушения при изменении температуры окружающей среды. Переход от возможного вязкого разрушения к хрупкому соответствует так называемой температуре хрупкости. Величина температуры хрупкости зависит как от физико-механических свойств самого металла (предел текучести, временное сопротивление, ударная вязкость, микроструктура и т.д.), так и от характеристик нагружения резервуара.
Несущая способность резервуара при температурах эксплуатации выше температуры хрупкости определяется вязкостной прочностью и устойчивостью корпуса резервуара, а при температурах ниже температуры хрупкости -хрупкой прочностью элементов конструкции. Разрушения резервуаров могут быть классифицированы по различным предельным состояниям.
Наиболее часто предельные состояния первой группы соответствует хрупкому разрушению, потере устойчивости и коррозионному износу [56]. В качестве причин отмечаются также дефекты конструкций, низкое качество используемых сталей, дефекты сварочно-монтажных работ.
В работе [84] приводятся данные по распределению отказов по конструктивным частям резервуаров.
Наибольший процент отказов (52,2 %) приходится на стенку; 19,4 % - на уторное соединение стенки с днищем; 12 % - на патрубки и монтажные соединения стенки с технологическим оборудованием; 4,4 % - на различные ремонтные вставки. Описание и анализ отказов резервуарного парка Якутии приведены в работах [6,20,21].
На гистограмме, приведенной на рис. 1.1, показано распределение числа отказов предприятия «Якутнефтепродукт» по конструктивным элементам резервуаров [20].
1 В [39] проанализированы причины выхода из строя 262 резервуаров химической и нефтехимической промышленности.
Приведенные в работе данные показывают, что основным видом отказов резервуара является развитие трещин. В 194 случаях трещины возникали в зонах концентрации механических напряжений - в сварных швах уторного соединения стенки и днища, в местах присоединения к стенке люков - лазов и приемораздаточных патрубков.
В статье [22] рассматриваются происшедшие при резком понижении температуры наружного воздуха аварии резервуаров, выполненные из кипящих сталей.
Грунтовое основание резервуара и определение коэффициента постели грунта, рассматриваемого как винклерово основание
Основанием вертикальных стальных резервуаров является сжимаемая толща грунта, расположенная под днищем резервуара и воспринимающая весовые нагрузки от самого резервуара, технологического оборудования, хранимого продукта, а также от воздействия снега и ветра [27].
Вертикальные цилиндрические резервуары относятся к категории особо ответственных объектов. Они имеют большие геометрические размеры при относительно небольшой жесткости днища и стенки. Эти факторы налагают дополнительные требования к качеству, устойчивости и несущей способности грунтового основания, которое состоит из естественной и искусственной части (рис.2.1, [27]).
Насыпная часть искусственного основания резервуаров состоит из двух частей: грунтовой подсыпки 9 и песчаной подушки 8 (рис.2.1). В качестве грунтовой подсыпки используются гравелистые, щебеночные и песчаные грунты, в отдельных случаях допускается применение мелкодисперсных грунтов с невысокой влажностью. Поверх грунтовой подсыпки укладывается песчаная подушка толщиной не менее 15 см, поскольку высота капиллярного поднятия влаги в песках не превышает это величины [27].
Песчаная подушка такой толщины предохраняет днище резервуара от коррозионного воздействия грунтовых вод и устраняет их влияние на возможное морозное пучение. К тому же песчаная подушка быстро и качественно уплотняется, обеспечивая равномерность передаваемого давления на ниже лежащие слои грунта.
Для дополнительной изоляции от грунтовых вод или нефтепродуктов (при потере герметичности резервуаров) служит гидроизолирующий слой 4, состоящий из песка и вяжущего материала. В случае резервуаров большой вместимости (V 10000 м3) искусственное основание проектируется с железобетонным кольцом 6 по периметру резервуара. Это вызвано тем обстоятельством, что резервуары большой вместимости имеют сферическую крышу без центральной стойки и суммарный вес крыши и стенки создаёт значительное давление под нижней кромкой стенки.
Такое давление существенно превышает несущую способность грунта и вызывает появление в нем значительных пластических деформаций. Фундаментальное кольцо уменьшает давление на грунт и уменьшает осадку резервуара по его периметру 276].
Формирование напряжений и соответствующих деформаций в грунтовой толще основания резервуара зависит от многих факторов, к которым относятся характер и режим нагружения грунтового массива, инженерно-геологические и гидрогеологические особенности площадки строительства, литологический состав и физико-механические характеристики грунтов. В ряде случаев в основании резервуара могут наблюдаться реологические процессы.
Следует отметить, что в фунтовых массивах имеется начальное напряженное состояние, возникшее под действием собственного веса грунта. При воздействии нагрузок от построенных сооружений (в частности, резервуаров) в фунтах возникают дополнительные напряжения, которые накладываются на уже имеющиеся собственные напряжения. Для линейных моделей работы фунтового основания справедлив принцип суперпозиции, позволяющий рассчитывать напряжения в грунтовом массиве от действия собственного веса фунта и нафузок, вызываемых сооружением, независимо друг от друга и определять результирующее напряжение суммированием полученных результатов.
При расчете напряжений и осадок фунтового основания резервуаров используется расчетная схема, приведенная на рис. 2.2. железобетонное кольцо по его периметру.
Под воздействием давления жидкости рж под днищем резервуара возникают нормальные реактивные напряжения q с определенным видом радиального распределения, при этом суммарный отпор грунта под днищем и кольцом равняется полному весу заполненного резервуара.
Для нахождения осадки резервуара должны быть решены следующие задачи [58]: - нахождение контактного напряжения q под днищем резервуара; - определение по вертикали распределения сжимающего напряжения Jz в грунтовом основании (рис.2.3); - определения вертикального напряжения 7 от собственного веса грунта (природное давление грунта).
Определение радиального перемещения стенки с учетом горизонтальной силы в уторном узле
Днища резервуаров объемом от V=2000M И выше должны иметь центральную часть и утолщенные кольцевые окрайки.
Кольцо из листов окраек должно быть круговой формы с внешней стороны стенки, внутренняя граница окраек может иметь форму правильного многоугольника с числом сторон, равным числу листов окрайки. Радиальная ширина окрайки должна обеспечивать расстояние между внутренней поверхностью стенки и швом приварки центральной части днища не менее 300 мм [82].
Для удобства вычислений введем две системы координат: система ОъХъ относится к окрайке, а система 02Х2 - к днищу резервуара. Если обозначить величину прогиба окрайки через ( з) т0 система уравнений, описывающая перемещения стенки, окрайки и днища, записывается в виде:
Сравнение геометрических параметров таблиц 3.1 и 3.3 показывает: - радиальное перемещение уторного узла при наличии окрайки является большим примерно на 30%; - осадка контура резервуара при наличии окрайки является меньшей; - угол поворота внешней нормали к стенке в уторном узле направлен для всех реальных значений Е по часовой стрелке (что соответствует его отрицательному значению); - коэффициенты В2Х и В22 существенно меньше соответствующих коэффициентов Вп и Вп, что говорит о том, что уже на радиальной длине окрайки L3 =1,3 слагаемое с ехр(+/?3 з) может быть отброшено, что позволяет упростить расчеты, полагая В2Х - В22 - 0 .
Графики изгиба стенки и прогиба днища без и с учетом окрайки для значений Е = 5 МПа (верхняя граница слабых грунтов) и Е = 15 МПа приведены на рис.3.1 и 3.2.
Заданная с помощью соотношений (2.34) длина краевого эффекта /2 определяет область краевого возмущения в днище с точностью в 0,01 или на уровне 1 %. Физико-механические характеристики грунтов (Е ,v ,к и т.д.) могут быть определены, в лучшем случае (при лабораторных испытаниях), с относительной точностью, не превышающей 5% или 0,05. Тогда длина краевого эффекта L2 находится из соотношения exp(-/J2/2) = 0,05 или /2 = 3// (3.15) (для окрайки вместо / берется значение /).
При изменении /?3 от 1,32 1/м до 2,24 1/м (4-ая строка таблицы 3.3) величина /3 меняется от 2,27 м до 1,34 м, что примерно равняется длине окрайки L3. В связи с этим решалась система уравнений (3.4) - (3.5) с заменой величин D2 и / на соответствующие значения D3 и /?3 (в решении (3.7) индекс «2» также заменялся на индекс «3»). Сравнение данных в таблицах 3.3 и 3.4 показывает, что по основным параметрам (Wx (0j, pl0,Sn,M0) относительное различие не превышает 3 %.
Таким образом, при расчетах изгиба стенки и прогиба днища толщина последнего может приниматься равной толщине окрайки /.
Иначе говоря, длина краевого эффекта, определяемая по формуле (3.15), может считаться равной длине окрайки Z3, что позволяет считать прогиб днища совпадающим с прогибом окрайки. a)
Анализ зависимостей, приведенных на рис.3.2, показывает: - при одинаковых значениях Е окрайка незначительно уменьшает значение Ж,тах и более заметно увеличивает значения Wn и (0); - при существенном (в три раза) увеличении модуля деформации грунта значения Ж[Шах меняются очень незначительно (в пределах 5%), изменения Wxmm и Wx(0) составляют соответственно 12% и 20%; - при значениях Егр 15МПа для зависимостей Wx (z) без учета окрайки и с ее учетом минимум на графиках пропадает и эти зависимости при 0 z zx носят монотонный характер. Из графиков рис.3.3. следует, что: - основной прогиб днища совпадает с прогибом окрайки. В случае использования формулы (2.34) длина краевого эффекта /3 в окрайке меняется от 3,41 м (при Е = 3 МПа) до 2 м (при Е = 25 МПа). Если для определения /3 применяется формула 3.15, то /3 меняется в диапазоне от 2,27 м (Е = 3 МПа) до 1,34 м (Е = 25 МПа), что практически соответствует длине окрайки Z,3 = 1,36 м. - при одинаковом значении Е осадка Sn с учетом окрайки больше, чем соответствующее значение 5"л без учета окрайки, что объясняется увеличением жесткости днища вследствие окрайки; - разность значений Sn с учетом окрайки и Sn без окрайки прямо пропорциональна значению Е .
Определение закона распределения растягивающей силы в горизонтальной полосе днища (окрайки)
Как уже отмечалось в третьем разделе, недостатком 4-го способа задания граничных условий в уторном узле является значительное радиальное перемещение торца стенки, возникающее вследствие отбрасывания растягивающей силы в днище резервуара.
Для нахождения величины этой силы в уторном узле и закона ее распределения по горизонтальной полосе днища рассмотрим расчетную схему, приведенную на рисунке 4.1.
На рис. 4.1 величина N0 соответствует значению погонной растягивающей силы Лдх] в уторном узле (х = 0), а величина г является касательным напряжением, возникающим на контактной поверхности «внешняя поверхность днища - грунтовое основание резервуара».
Для определения закона распределения растягивающей силы выберем короткий участок горизонтальной полосы днища длины dx, находящейся на расстоянии х от начала координат и рассмотрим условие его равновесия, считая, что значения растягивающей силы в сечениях х и x + dx равны N(x) и Nyx + dxj соответственно: N(x + dx)-N(x) + rdx = 0, (4.1) где г - касательное сопротивление грунта.
При малых перемещениях величина г пропорциональна перемещению участка длиной dx и направлена в противоположную сторону. Будем считать, что это перемещение является малым и значение г сразу же становится равным предельному значению т . Раскладывая первое слагаемое в (4.1) в ряд Тейлора и удерживая в разложении первых два слагаемых, получаем: dN dx пр Решение уравнения (4.2) с краевым условием N(x) = N0 прих = 0 (4.3) описывается линейной зависимостью N(x) = N0-rnpx. (4.4)
Так как по смыслу поставленной задачи N(xj 0, то решение (4.4) справедливо в следующей области изменения аргумента х: 0 x = l2N. (4.5) т пр Величина l2N так же может быть названа длиной краевого эффекта, поскольку при x l2N N{X) = 0.
Как уже отмечалось выше, при строительстве искусственного основания резервуара используются песчаные и гравелистые грунты. Многочисленными экспериментами различных авторов установлено [58], что зависимость =0- С4-2) предельного сопротивления грунта сдвигу г от нормального напряжения ан может быть описана линейной зависимостью тпР=Л Р (4-6) где (р - угол внутреннего трения грунта (для резервуара нормальное давление он равняется давлению столба жидкости р0)
В соответствии с [78] угол внутреннего трения для гравелистых и крупных песков зависит от коэффициента пористости е и при изменении Є от 0,45 до 0,65 угол (р меняется от 43 до 38. Для дальнейших расчетов примем среднее значение угла (р = 40, что дает значение коэффициента трения f = tg(p= 0,84.
Далее будет показано, что длина краевого эффекта !2N может быть принята равной длине окрайки L3. Таким образом, при изгибе окрайки должна учитываться растягивающая сила Л (х] и касательное сопротивление грунта т .
Учитывая характер рассматриваемых в работе допущений, примем, что совместное влияние этих факторов может быть учтено путем усреднения силы Nyx) на длине l2N: I llN N = — JN(x)dx = 0,5N0 (4.7) IN 0
В таком случае прогиб днища соответствует прогибу окрайки и может быть описан уравнением продольно-поперечного изгиба d V, - d2W, , D df N df + zpW = P (4 8) где координата x = x3 меняется в диапазоне от 0 до L2. Следовательно, окрайка играет решающую роль как при определении осадки днища, так и при нахождении соответствующих растягивающих усилий.
Значение силы N связано с абсолютным удлинением AL3 окрайки соотношением, аналогичным (3.21): (4.9) N = Е , АІ
Уравнение (4.9) является основным для учета влияния силы N на перемещение конструктивных элементов резервуара. Для выяснения влияния силы N на изгиб стенки и прогиб днища рассмотрим расчетные схемы, приведенные на рис. 4.2, где цифрами 1 и 1 обозначены положения стенки при порожнем и заполненном резервуаре, а цифрами 2 и 2 - соответствующие положения днища резервуара.
