Введение к работе
Актуальность темы исследования. При сохранении тенденции прироста добычи и переработки нефти в системе трубопроводного транспорта возникает проблема нехватки резервуарных емкостей. Связано это, во-первых, со значительной изношенностью основных фондов и, во-вторых, с практически полным прекращением строительства новых резервуаров из-за недостаточности финансирования.
Международной практикой установлено, что на 1 т добываемой или перерабатываемой нефти в среднем требуется от 0,4 до 0,6 м3 полезной ре-зервуарной емкости для обеспечения потребностей в нефтепродуктах. Поэтому задача сохранения и поддержания полезной емкости резервуарного парка России является одной из важнейших задач в системе эксплуатации трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов.
Значительное количество резервуаров на нефтеперекачивающих станциях ОАО «Сибнефтепровод» имеет пониженный показатель полезной вместимости, определяемый по результатам диагностики их технического состояния. Такая ситуация обусловлена рядом причин, основными из которых являются:
изначальные проектные и монтажные несовершенства, невысокое качество заводского изготовления рулонированных металлоконструкций, эксплуатационные дефекты;
ужесточение современных нормативных требований к безопасности эксплуатации и надежности резервуаров;
выработка назначенного ресурса и старение значительного числа резервуаров.
Известно, что нормативный срок эксплуатации резервуаров назначался исключительно из экономических соображений. Последние исследования показывают, что после соответствующего ремонта и освидетельствования
резервуары еще достаточно долго могут эксплуатироваться. Поэтому объем выполнения ремонтов увеличивается с каждым годом.
Результаты комплексных обследований резервуаров, эксплуатируемых более 20-ти лет, показывают, что основной объем ремонтов приходится на устранение коррозионных повреждений первого пояса стенки, окраек, полотнища днища и восстановление проектной геометрической формы. Практически все перечисленные виды ремонтов требуют устройства проемов в стенке РВС. В то же время большая часть металлоконструкций, как правило, находятся в удовлетворительном состоянии, позволяющем продолжить безаварийную эксплуатацию резервуара еще в течение 15-20 лет. Таким образом, проведение капитального ремонта, включающего, чаще всего, полную или частичную замену нижней половины первого пояса стенки, окрайки, полотнища днища, либо исправление геометрического положения, обеспечивает необходимый уровень надежности конструкции и позволяет продлить срок эксплуатации.
Очевидно, что основной стратегией повышения полезной вместимости парков в условиях рыночной экономики является не строительство новых резервуаров, а оптимизация управления техническим состоянием уже существующих через планирование и увеличение объемов капитальных ремонтов с одновременным повышением их эффективности, что невозможно без строгого научного обоснования инженерных решений, принимаемых при выполнении ремонта. Одним из таких решений является устройство монтажных проемов в стенке РВС, влияние которых на напряженно-деформированное состояние и устойчивость резервуара не исследовано, не смотря на аварийные ситуации, имевшие место в практике эксплуатации и ремонта РВС.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование изменения напряженно-деформированного состояния резервуара, ослабленного вырезом при ремонтных работах, научное обоснование технологий ремонта, предполагающих нарушение целостности стенки резервуара.
Основные задачи исследования. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
-
Аналитическое решение для определения степени концентрации напряжений в углах выреза.
-
Теоретическое решение задачи устойчивости оболочки с вырезом и определение оптимальных геометрических размеров монтажного проема и подкрепляющих элементов.
-
Опытно-промышленное исследование напряженно-деформированного состояния резервуара с вырезанным монтажным проемом, получение статистических зависимостей для деформаций освобожденных краев вырезов.
-
Исследование закономерностей деформирования оболочки с одним или несколькими вырезами при различной жесткости подкрепляющих элементов на основе метода конечных элементов.
-
Практическое внедрение результатов исследования при выполнении ремонтов вертикальных стальных резервуаров.
Научная новизна. Теоретически и экспериментально обоснована возможность устройства технологических проемов в стенках резервуаров при выполнении ремонтных работ. В этой связи:
разработан метод аналитической оценки степени концентрации напряжений в углах вырезов;
впервые решена задача устойчивости резервуара с вырезом с учетом влияния начальных несовершенств геометрической формы, изменения граничных условий, неосеммитричности приложения нагрузок, неоднородности материала и т.д., что позволило получить аналитическую зависимость и определить интервал допустимых размеров монтажных проемов;
на основе проведения промышленных экспериментов установлены основные закономерности в изменении напряженно-деформированного состояния резервуара при устройстве, подкреплении и закрытии монтажного проема;
- при помощи метода конечных элементов разработаны математиче
ские модели основных типоразмеров резервуаров и исследованы закономер
ности деформирования оболочки с одним или несколькими вырезами при
различной жесткости подкрепляющих элементов.
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
Проведенные исследования представляют собой логически завершенную методологию безопасного устройства монтажных проемов в стенках основных типоразмеров резервуаров, которая обеспечивает прочность и устойчивость металлоконструкций.
Результаты исследований положены в основу руководящих документов и инструкций, регламентирующих требования к ремонту резервуаров с устройством монтажных проемов.
Разработано программное обеспечение для ПЭВМ, предназначенное для выполнения следующих расчетов:
степени концентрации напряжений в зависимости от размеров и формы угла проема;
критической ширины выреза с учетом всех влияющих факторов;
устойчивости подкрепляющих элементов монтажных проемов с учетом присоединенных элементов жесткости.
Выполнено опытно-промышленное внедрение технологии ремонта с сооружением монтажного проема в стенке резервуара при капитальном ремонте РВС-20000 №37 ЛПДС «Каркатеевы» Нефтеюганского УМН и РВС-20000 №16 ЛПДС «Нижневартовская» Нижневартовского УМН. Получен подтвержденный экономический эффект в размере 164007 рубля.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» в г. Тюмени, 1996 г.; региональной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» в г. Тюмени, 1997 г.; XIV Уральской школе металловедов-
термистов «Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов» в г. Ижевске, 1998 г.; 1-ой международной научно-практической конференции «Безопасность транспортных систем» в г. Самаре, 1998 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 161 страницу, в том числе 87 рисунков, 15 таблиц, список литературы содержит 106 наименований, в том числе 15 — на иностранных языках.