Теоретические основы совершенствования методов расчета стальных вертикальных резервуаров с понтонами

14

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Теоретические основы совершенствования методов расчета стальных вертикальных резервуаров с понтонами

Специальность 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

Лукьянова Ирина Эдуардовна

Уфа - 2010

Работа выполнена на кафедре «сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ» уфимского государственного нефтяного технического университета

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Мустафин Фаниль Мухаметович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Коршак Алексей Анатольевич

доктор технических наук Новоселов Владимир Викторович

доктор технических наук, профессор Тарасенко Александр Алексеевич

Ведущая организация ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов», г. Уфа

Защита состоится «24» декабря 2010 года в 14³⁰ на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.04 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан « » ноября 2010 года.

Ученый секретарь совета В.У. Ямалиев

общая характеристика работы

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.

Содержание работы

Во введении приводится общая характеристика работы, обоснованы актуальность, цель и основные задачи исследований, приведены основные результаты. нефть металл понтон резервуар

Первая глава диссертации посвящена исследованию влияния оборудования на надежность эксплуатации резервуаров и анализу методов их расчета. На работоспособность резервуара влияет надежность всех конструктивных элементов, но, согласно приводимым в литературе данным, довольно часто теряют работоспособность и могут приводить к тяжелым аварийным последствиям понтоны вертикальных цилиндрических резервуаров. Так, на одной из перекачивающих станций РФ в резервуарах вместимостью 20000 м³ утонули 22 стальных понтона.

Во время эксплуатации на днищах вертикальных стальных цилиндрических резервуаров с нефтью может образовываться и накапливаться значительное количество осадков, состоящих в основном из парафина. Из-за необходимости вывода резервуаров из эксплуатации и производства работ по их зачистке уменьшается полезная вместимость емкостей, оборачиваемость резервуарных парков, увеличивается стоимость хранения нефти. В настоящее время для борьбы с донными отложениями на днищах стальных вертикальных резервуаров используют устройства предотвращения и размыва осадка - размывочные головки, устройства «Диоген», «Тайфун» и т.п. Они предназначены для размыва и перемешивания отложений подвижной струей нефти в резервуарах различной емкости. Для обоснованных выводов о возможности безопасной эксплуатации указанных устройств была поставлена задача исследования поведения конструкции резервуара с понтоном при возникающих в процессе размыва нагрузках.

Выполненный анализ современного оборудования стальных вертикальных резервуаров выявил наиболее актуальные направления исследований для повышения надежности эксплуатации. Повышенного внимания требуют задачи поддержания работоспособного состояния понтонов, а также своевременного удаления отложений из резервуаров.

Рассмотрены преимущества и недостатки различных типов понтонов. Изучение существующих конструкций внутренних плавающих покрытий, их технических характеристик и эксплуатационных показателей показало, что возможны случаи зависания и заклинивания понтонов, отставания облицовочного покрытия пластмассовых панелей, поэтому актуальными являются исследования, направленные на повышение остойчивости, плавучести, непотопляемости, жесткости и прочности понтонов, в том числе из полимерных материалов.

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 первой главе на основании проведенного сравнительного анализа преимуществ и недостатков существующих типов внутренних плавающих покрытий, с учетом оценки характеристик их плавучести, остойчивости, непотопляемости, предложена классификация понтонов для резервуаров со стационарными крышами.

В предложенной классификации (таблица 1) приведены существующие на сегодняшний день типы понтонов. Из классификации видно, что понтоны из вспененных полимеров обладают самым высоким коэффициентом непотопляемости А и вторым по величине коэффициентом запаса плавучести К, а алюминиевые понтоны - самым высоким коэффициентом запаса плавучести К и вторым по величине коэффициентом непотопляемости А.

В первой главе рассмотрены также аналитические и численные методы расчета РВС с понтонами. Вопросами работоспособности резервуаров с плавающими покрытиями применительно к плавающим крышам РВС занимался М.Г. Каравайченко. Им рассмотрены вопросы расчетов плавучести, остойчивости, непотопляемости плавающих крыш резервуаров, но не приводятся соответствующие методики для плавающих покрытий другой формы. Оптимизация расчетов на основе численных методов позволяет сократить время, уменьшить стоимость проектирования резервуаров с плавающими покрытиями, уточнить расчеты и провести численные эксперименты с проектируемыми конструкциями на критических режимах, но требует разработки методик использования программных комплексов.

Таблица 1 - Классификация понтонов стальных вертикальных резервуаров

	Временные покрытия	Понтоны
	Неметаллические	Неметаллические (экраны)	Комбинированные	Металлические
	Пена	ПАВ	МБ	ППП	ППУ	ТЛ + ППУ	ПА + ПВХ	ПЭВД + ПВХ	Ст. + ППУ	Ст. + ПЭНД	Ст. + РТМ	Ал. + ППУ	Стальные	Алюминиевые
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
	Преимущества
	Простота и легкость устройства; низкие капитальные затраты	Малая удельная масса; незначительное уменьшение полезного объема резервуара; технологичность монтажа и ремонта	Высокая эффективность в сокращении потерь и обеспечении пожаробезопасности; несгораемость; простота конструкции; высокая прочность и долговечность конструкции; низкие эксплуатационные расходы	Высокая эффективность в сокращении потерь и обеспечении пожаробезопасности; простота и легкость конструкции; высокая плавучесть; низкая температура плавления; технологичность монтажа и ремонта; низкие эксплуатационные расходы
	Недостатки
	Недолговечность; ограниченная область применения; осложнение сливоналивных операций; сложность утилизации; низкая эффективность	Ограниченный диапазон рабочих температур; старение материала; насыщаемость продуктом; горючесть; сравнительно низкая эффективность в сокращении потерь от испарения; прочность и жесткость в резервуарах большого диаметра недостаточны; возможность образования паров хранимого продукта под понтоном; ограниченная область применения	Высокая стоимость; высокая трудоемкость монтажа, ремонта и реконструкции; массивность; существенное уменьшение полезного объема резервуара (до 10-20%); необходимость нанесения защитных лакокрасочных покрытий; низкая коррозионная стойкость	Высокая стоимость; коррозионная стойкость определяется влажностью среды и характеристиками хранимого продукта; недостаточная прочность соединений при высокой скорости подачи продукта в резервуар
Мв, кН·м		27,26	29,87	909,63	76,40	838,89	63,07
К		0,96	0,90	0,82	0,97	0,91	0,98
А		3,38	1,05	1,04	1,89	0,82	1,53

Примечание: ПВХ - поливинилхлорид; ППУ - пенополиуретан; ПЭНД - полиэтилен низкого давления; ПАВ - поверхностно-активные вещества; ПЭВД - полиэтилен высокого давления; РТМ - резинотканевые материалы; ППП - пенополипропилен; МБ - микробаллоны; ТЛ - текстолит; ПА - полиамид; Ст. - сталь; Ал. - алюминий; М_в - максимально выдерживаемый кренящий момент по опрокидыванию понтона; К - коэффициент запаса плавучести, определенный, как отношение разности между высотой наружной стенки и глубиной погружения к высоте наружной стенки понтона; А - коэффициент непотопляемости, определен как отношение теоретического объема жидкости, принятого понтоном при нулевом запасе плавучести, к объему жидкости, которую понтон в действительности может принять на поверхность, в отсеки или поплавки.

Во второй главе рассмотрены вопросы плавучести, остойчивости и непотопляемости понтонов РВС.

Вертикальную ось, перпендикулярную к плоскости плавания и проходящую через центр тяжести тела, называют осью плавания. На оси плавания расположены три центра: центр тяжести, центр величины (или центр водоизмещения) и метацентр.

Для расчета диаграмм статической остойчивости понтонов необходимо использовать различные аналитические формулы в зависимости от угла крена понтона. При равнообъемных наклонениях, когда нет изменения водоизмещения, величина погруженного объема остается неизменной, но меняется его форма, вследствие чего изменяется положение центра водоизмещения. На рисунке 1 показаны силы, действующие на понтон.

Для понтона в форме диска метацентрический радиус определяется из соотношения

,(1)

где ц - угол крена понтона (угол текущего интегрирования).

Координаты центра водоизмещения Y_? ,Z_? при крене понтона на угол ? можно вычислить по формулам:

(2) (3)

где Z_с - начальная аппликата центра водоизмещения.

Рисунок 1 - Силы, действующие на понтон:

G - вектор силы тяжести понтона;

А- вектор архимедовой силы;

H - высота понтона;

R - радиус понтона;

? - угол крена понтона;

m_b - метацентр;

r₀ -метацентрический радиус;

h₀ - начальная метацентрическая высота;

C₀ - начальное положение центра водоизмещения;

С_? - положение центра водоизмещения после крена понтона на угол ?;

F_тр - сила трения понтона о стенки резервуара;

М_кр - кренящий момент, действующий на понтон;

М_в - восстанавливающий момент, действующий на понтон;

ВЛ₀ - показывает начальное положение ватерлинии;

ВЛ_? - показ. положение ватерлинии после крена понтона на угол ?;

Т₀ - глубина погружения понтона;

Z_m -аппликата метацентра m_b;

Z_с -аппликата центра водоизмещения;

Z_g - аппликата центра тяжести;

a - возвышение центра тяжести над центром водоизмещения.

Плечо статической остойчивости

(4)

В том случае, когда ватерлиния пересекает верхнюю или нижнюю поверхность понтона, меняется объемное водоизмещение. Для всех возможных случаев получены системы уравнений, которые необходимо решить численно. После чего можно рассчитать характеристики площади сечения понтона, ограниченного ватерлинией: S - площадь, М_х - статический момент площади плавания и I_x - момент инерции площади плавания.

изучено влияние дополнительных элементов (водоизмещающих объемов, которые не учитывались в первоначальных расчетах остойчивости) на остойчивость понтонов.

Получены выражения для случая, когда дополнительные элементы располагаются симметрично относительно диаметральной плоскости, т.е. вертикально расположенной плоскости, являющейся плоскостью симметрии. Их положение характеризуется аппликатами Z_с - для центра водоизмещения и Z_d -для центра тяжести.

Изменение метацентрической высоты и изменение плеча статической остойчивости можно определить из соотношений:

; (5)

, (6)

где - увеличение веса;

- объем дополнительных элементов.

Полученные формулы позволяют при известных характеристиках остойчивости понтона определить характеристики конструкции, модифицированной введением дополнительных элементов.

По предлагаемой методике в разработанном комплексе программ рассчитываются: объемное водоизмещение; глубина погружения; углы выхода и входа нижней и верхней поверхностей понтона из жидкости, хранящейся в резервуаре; восстанавливающий момент; статическое плечо остойчивости при различных углах наклона; максимально выдерживаемые статически и динамически приложенные кренящие моменты по опрокидыванию понтона и заливанию понтона.

Проведены расчеты плавучести, остойчивости и непотопляемости внутренних плавающих покрытий.

Результаты расчетов показывают, что с увеличением толщины и массы плавающего покрытия плечо статической остойчивости увеличивается. Увеличение массы понтона за счет дополнительного его утяжеления мало влияет на плечо статической остойчивости, но способствует значительному увеличению восстанавливающего момента.

Разработана методика применения пакета прикладных программ для гидрогазодинамических расчетов FlowVision для моделирования процесса, когда в резервуар, частично заполненный нефтью, через патрубок подается нефть, перемежающаяся с пробками газовоздушной смеси. Для моделирования газовоздушных пробок использовался модуль «Частицы».

Разработанная методика позволила получить в результате расчета наглядную картину распределения скоростей и траекторий движения нефти и газовоздушной смеси, а также графики скорости, величины подъема понтона, силы подъема, восстанавливающих моментов.

В резервуарах большой вместимости возникает повышенная нагрузка на конструкции уплотняющих затворов, вследствие чего возможны их разрушения. Предложены модели резервуара с плавающим покрытием и приемо-раздаточными патрубками для расчета нагрузок на уплотняющий затвор, возникающих в процессе закачивания продукта на хранение. Модели резервуара РВС с понтоном вместимостью 50000 м³ , разработанные с использованием программного продукта FlowVision, показали, что при существующих конструктивных решениях типовых цилиндрических резервуаров с одной направляющей стойкой разрушение уплотняющего затвора стального понтона неизбежно. Получены зависимости скорости течения жидкости различной плотности от уровня налива продукта в РВС при закачивании на хранение. Изменение скоростей течения в горизонтальном направлении для продукта плотностью 900 кг/ м³ в РВСП -50000 представлено на рисунке 2.

Во второй главе приводится картина течения продукта в различных направлениях, а также разработанные рекомендации по оптимизации конструкции РВСП для уменьшения влияния течения продукта и, соответственно, вероятности повреждения уплотняющего затвора для резервуаров типовых проектов.

Третья глава посвящена исследованиям напряженно-деформированного состояния понтонов.

Понтон из синтетического материала рассмотрен как многослойная пластина. Для оценки несущей способности плавающего покрытия рассматривается круглая упругая пластина, находящаяся под действием равномерно распределенной нагрузки (собственного веса) и сосредоточенных силовых факторов (реакции ребер жесткости и вертикальных опорных стоек). В дискретной модели пластина условно разбивается на кольцевые узловые и оболочечные элементы. Узловыми элементами являются ребра - кольца жесткости и круговые сечения пластины, в которых она опирается на вертикальные стойки.

Рисунок 2 - Зависимость скоростей течения в горизонтальном направлении от высоты налива продукта

Уравнение равновесия оболочечного элемента и геометрические соотношения, связывающие деформации и перемещения этого элемента, после разложения их в ряд Фурье по дуговой координате для каждой гармоники n сводятся к восьми дифференциальным уравнениям первого порядка относительно радиальной координаты пластины.

проведены расчеты напряженно- деформированного состояния понтона, выполненного в виде трехслойной пластинки. За внешние жесткие слои приняли слои, полученные армированием пенополиуретановой матрицы стеклотканью. Толщина внешнего армирующего слоя составляла 0,003 м.

В результате численных экспериментов выявлены следующие закономерности. Напряжения, возникающие в неармированном понтоне, превышают напряжения, возникающие в пенополиуретановом покрытии, армированном стеклосеткой, на 40-50 % как для РВС-5000, так и для РВС-20000. Соответствующие деформации отличаются тоже на 40-50 %.

При помощи метода конечных элементов исследовано влияние конструктивных особенностей опорной конструкции пенополиуретанового понтона на его прочность при различных вариантах граничных условий для РВС вместимостью 5000 и 20000 м³. Проведенные исследования позволяют рекомендовать для уменьшения возникающих в понтоне напряжений использовать такую конструкцию опоры, чтобы допускалось свободное проскальзывание понтона и поворот по нормали в местах его опирания на стойки.

Рассмотрено напряженно-деформированное состояние понтона при опорожнении резервуара и установке понтона на опорную конструкцию, которая имеет форму многолучевой звезды. 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 опирающуюся по дуге контура (рисунок 3). Обозначив величину центрального угла указанного сектора через р/k , где k - целое число, и решив дифференциальное уравнение круглой пластинки в частных производных, получили аналитическое решение для определения прогиба пластинки в случае свободного (неопертого) дугового контура и в случае, когда сектор понтона свободно опирается по всем краям (в том числе и по дуге контура).

Получено решение для определения величины изгибающего момента в радиальном направлении M_r, в тангенциальном направлении M_t и величины крутящего момента.

Показано, что полученные зависимости могут быть использованы для определения напряженно-деформированного состояния понтона из изотропного, монотропного материала и материала с армированием.

Рисунок 3 - Схема нагружения сектора понтона:

q - интенсивность нагрузки, Н - толщина понтона, R - его радиус

Доказано, что полученная формула для определения прогибов в случае, когда сектор понтона свободно опирается по всем краям (в том числе и по дуге контура), при k=1 совпадает с известным выражением для определения прогибов секториальной пластинки с центральным углом, равным 180? , полученным С.П. Тимошенко.

Сравнительный анализ расчетов в сопоставимых условиях по предлагаемой методике и по предложенной академиком Б.Г. Галеркиным формуле для определения прогибов дугового края тонких упругих изотропных пластинок в виде кругового сектора со свободным дуговым краем доказал, что разработанные формулы не противоречат полученным ранее результатам. Разница при вычислениях составила: для прогибов алюминиевого понтона - 0,0124%, для прогибов понтона из изотропного материала, жесткость которого совпадает с жесткостью плавающего покрытия из пенополиуретана, - 0,024%.

Для определения прогибов в любой заданной точке, для вычисления величин моментов и соответствующих напряжений понтонов при установке их на опорную конструкцию составлен комплекс программ, позволяющий исследовать прочность понтона из изотропного, монотропного или армированного материала для резервуара любой вместимости.

Определены значения фактических прогибов под дополнительной нагрузкой различной величины пенополиуретановых понтонов, установленных в опорожненных резервуарах на опору в форме многолучевой звезды. На основании проведенных наблюдений было рекомендовано уменьшить проектную толщину плавающих покрытий из пенополиуретана, так как прочность исследованных понтонов обеспечена с большим запасом.

Определенные в результате проведенных экспериментов значения коэффициентов поперечных деформаций образцов используемого для изготовления понтонов пенополиуретана позволили проверить предлагаемый метод определения напряженно-деформированного состояния понтонов экспериментально.

Проверка соответствия результатов натурных экспериментов с результатами расчетов по предлагаемой методике определения напряженно-деформированного состояния понтонов из армированных вспененных полимерных материалов показала, что относительная погрешность для различных способов дополнительного нагружения, отличающихся местом расположения и величиной груза, менялась от +9 до -20%.

Сравнение свидетельствует о возможности использования разработанной методики для определения оптимальных конструктивных параметров понтонов из синтетических ячеистых материалов, армированных сетками различных типов.

В четвертой главе рассмотрены вопросы напряженно-деформированного состояния РВСП при динамических нагрузках на стенку резервуара, возникающих при работе винтового оборудования для перемешивания уплотненного осадка на днище.

Как показали результаты, использование расчетной модели винта (задав его движение в виде вращения с требуемой частотой, которая адекватно описывает и течение в резервуаре, и формирование струи от винта) требует при проведении расчетов значительных вычислительных ресурсов - большой оперативной памяти компьютера в сочетании со значительным количеством итераций на проведение самого расчета.

Полученный результат объясняется наличием в задаче двух физических процессов, различных по пространственным масштабам и характерным временам:

- мелкомасштабный и быстротекущий процесс - вращение винта и формирование струи жидкости за ним. Этот процесс происходит в области, ограниченной лопастями винта, которые имеют характерный размер не более нескольких дециметров. Таким образом, для правильного описания течения в зоне расположения винта характерный размер расчетных ячеек должен измеряться долями сантиметра.

для адекватного формирования струи за вращающимся винтом характерный шаг по времени, согласно требованиям расчетного метода, определяется сотыми долями периода вращения винта и для рассматриваемых частот вращения (порядка 600 об/мин) равен тысячным долям секунды;

- крупномасштабный и медленно развивающийся процесс - формирование течения в самом резервуаре. Этот процесс имеет пространственный масштаб, определяемый габаритными размерами емкости (диаметр резервуара), т.е. порядка десятков метров. Скорости течения при этом измеряются от единиц метров в секунду (вблизи устройства смешения) до долей метра в секунду (на периферии от него).

Как следствие, характерные размеры расчетных ячеек составляют несколько дециметров, а время всего процесса - время перемешивания слоя осадка с нефтью - от нескольких минут и более, в зависимости от плотности слоя донных осадков.

Проведен анализ физических аспектов постановки задачи о течении в резервуаре в процессе перемешивания нефти с донным осадком применительно к моделированию в программном комплексе FlowVision. Выполнен анализ различных вариантов расчетных моделей для решения задачи при моделировании в программном комплексе FlowVision.

Найдены пути упрощения полнообъемной расчетной модели: выделение в отдельную задачу определения характеристик потока за устройством перемешивания, использование возможностей программного пакета FlowVision по моделированию требуемых условий истечения, что позволило ввести в расчетную модель готовое решение по формированию течения за устройством перемешивания и тем самым значительно сократить время расчетов.

показано, что струя теряет индивидуальные особенности на расстоянии менее 10% характерной длины пути в резервуаре (рисунок 4). Таким образом, на основной части траектории струи ее характеристиками будут импульс и расход в сочетании со структурой течения, близкой к структуре затопленной струи.

В качестве упрощенной модели винта взяли диск того же диаметра и имеющий тот же расход жидкости, что и винт. Характеристики производительности перемешивающего устройства получили из расчета течения за винтом. Так, скорость движения жидкости на выходе из диска определяли по полученной при помощи численных экспериментов формуле:

(7)



Рисунок 4 - Графики осевой и тангенциальной составляющих скорости течения

На рисунке 5 показаны поделенные на максимальные значения эпюры скоростей для сечения, отстоящего от плоскостей диска/винта на три с половиной диаметра (2,45м). Видно, что даже такая замена реального перемешивающего устройства позволяет, начиная с определенного расстояния, получить практически совпадающий по форме распределения осевой скорости поток жидкости. При этом расход жидкости, проходящий через диск, был задан в граничных условиях равным расходу через устройство перемешивания.

Проведенные систематические расчеты показали возможность получения с помощью программного пакета FlowVision необходимой информации по картине течения в виде полей скорости, процессу перемешивания в виде распределения концентрации осадка и дополнительных нагрузок, действующих на конструкции резервуара, в виде распределения давления.

Рисунок 5 - Нормированные эпюры скоростей за винтом и диском

Для обоснованных выводов о возможности безопасной эксплуатации устройств для перемешивания осадка была поставлена задача исследования поведения конструкции резервуара при возникающих в процессе размыва динамических нагрузках, обусловленных струйными течениями. Используя только аналитические методы либо композицию известных решений, решить подобную задачу не представляется возможным. Это обусловлено как сложностью описания работы устройства перемешивания, так и тем, что возникающее в резервуаре течение является двухфазным, физические свойства которого (плотность и вязкость) меняются не только во времени, но и в пространстве.

Решение поставленной задачи получено в рамках совместного использования программы ANSYS 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.

Изучено влияние на динамику напряжений, возникающих в стенке и оболочке люк-лаза, величин сил и моментов от действия устройств «Диоген». Оказалось, что наибольшее влияние на величины возникающих напряжений оказывает вес изделий, устанавливаемых на крышке люк-лаза. Автором были проведены расчеты для конкретных резервуаров, показавшие, что для РВС-20000 высотой 12 м толщина рекомендуемого усиления стенки РВС в окрестности люк-лаза обеспечивает достаточную прочность, а для РВС -10000 высотой 18м необходимо увеличить толщину стенки обечайки овального люк-лаза до 19 мм.

Изменение величины возникающих эквивалентных напряжений по высоте стенки резервуаров приведено на рисунке 6. Принципиально графики совпадают с зависимостями, полученными А.А. Тарасенко по экспериментальным данным.

Для изучения влияния работы устройства «Диоген» на плавающие понтоны перемешивающее устройство «Диоген-700» заменено диском с параметрами, соответствующими винтовому устройству, диаметром 0,7 м, который расположен вблизи дна резервуара, частично в слое донного осадка. При своей работе он создает сканирующую по дну резервуара струю. Период сканирования два часа, угол сканирования - 60 градусов. Заполнение резервуара нефтью варьировалось в диапазоне от 4 до 14 м. Высота донного осадка принята равной 1 м.

Рисунок 6 - Результаты расчёта эквивалентных напряжений, возникающих в резервуаре вместимостью 20000 м³ под действием веса продукта, силы 4000 Н и момента 1920 Н*м

Как показали расчеты, при работе перемешивающего устройства «Диоген-700» для размыва донных осадков в резервуарах типа РВС скорости течения нефти даже в том случае, когда плотности нефти и осадка составляют 900 и 1000 кг/м³ , на высоте 4м от днища РВС достигают 1,2 м/с. Были проведены расчеты для оценки влияния устройства «Диоген» на понтоны, плавающие в РВС-5000, РВС-10000, РВС-20000 и РВС-30000

Из рисунка 7 видно, что в процессе перемешивания движение жидкости в резервуаре меняет свое направление. Возле стенки резервуара течение направлено вверх, что при наличии в РВС понтона приводит к его вибрациям. Недопустимо использовать работающие устройства «Диоген» в РВС с понтонами при уровне налива продукта в резервуаре меньшем, чем 4 м.

Рисунок 7 - Движение нефти, хранящейся в РВС-30000, при работе устройства «Диоген-700»

Исследована возможность применения программного комплекса для гидродинамических расчетов FlowVision для моделирования воздействия землетрясений на резервуары типа РВС. Расчетные сейсмические нагрузки принимались действующими горизонтально в направлении продольной и поперечной осей. Действие сейсмических нагрузок в указанных направлениях учитывалось раздельно.

Для изучения поведения стального вертикального цилиндрического резервуара РВС-5000 с нефтепродуктом, подвергшегося сейсмическому воздействию, была разработана математическая модель. В модели ускорение задавалось в горизонтальном направлении величиной 200, 400 и 500 см/с² с длительностью воздействия 0,5 с. В результате моделирования получены поля скоростей в объеме резервуара и давления на стенки РВС в зависимости от времени, показавшие резкое повышение давления на стенку РВС в момент прекращения воздействия и цикличность его усиления.

В пятой главе предложена новая конструкция металлических понтонов с успокоителями (рис. 8, 9).

Рисунок 8 - Общий вид плавающего покрытия (вид снизу):

1 -понтон, 2 - днище понтона, 3 - устройства, повышающие остойчивость понтона



Рисунок 9 - Разрез А - А (вид сбоку)

При установке приспособления для обеспечения остойчивости площадь плавающего покрытия увеличивается, при увеличении его площади увеличивается и сила поверхностного натяжения, препятствующая возникновению колебательных движений плавающего покрытия и уменьшающая кренящий момент. описанная конструкция удобна для проведения технологических операций при подготовке резервуара к ремонту.

предложена методика для расчета остойчивости понтона с установленными по периметру успокоителями.

При расчете объемного водоизмещения необходимо учитывать массу понтона с успокоителями, а при расчете статической остойчивости - массу понтона, успокоителя и продукта, находящегося в успокоителях, поэтому при определении объемного водоизмещения используется глубина погружения Т₀ ¹, определяемая по формуле:

, (8)

где m_П - масса понтона; m_усп - масса успокоителя.

Успокоители увеличивают площадь плавающего покрытия и содержат продукт, который при динамических воздействиях на понтон увеличивает инерционное сопротивление плавающего покрытия, но практически не ухудшает характеристики плавучести.

Рисунок 10 - Силы, действующие на понтон с успокоителями:

векторы сил, действующих на успокоители; h - расстояние между понтоном и успокоителем; b - расстояние от оси симметрии понтона до центра успокоителя. Остальные обозначения те же, что на рисунке 1

Рассмотрев идеальную систему «понтон - жидкость» без температурного воздействия и влияния окружающей среды, для определения восстанавливающего момента учли все силы (рисунок 10), действующие на накрененный на малый угол и понтон и на успокоители в двух позициях:

1) наибольшая величина подъема понтона находится на месте успокоителя:

; (9)

наибольшая величина подъема понтона находится между успокоителями:

(10)

Разработана математическая модель понтона, плавающего в жидкости, с устройствами для обеспечения остойчивости, учитывающая вязкостное сопротивление , возникающее при наклонении понтона и представленное в виде суммы сопротивления трения R_F и сопротивления формы R_VP. Коэффициент вязкостного сопротивления определен по формуле:

(11)

где k - коэффициент формы.

Приближенно этот коэффициент находится с помощью эмпирической зависимости Ватанабе:

(12)

где коэффициент общей полноты,

- наружный диаметр трубы успокоителя,

- его длина.

(13)

где объем успокоителя.

Исследованы вопросы статической и динамической остойчивости понтонов с успокоителями. Впервые разработаны научные основы получения и применения диаграмм статической и динамической остойчивости понтонов. Показано, что динамический кренящий момент всегда более опасен, чем статический.

Динамический угол крена и_д можно определить из условия равенства работ моментов, кренящего и восстанавливающего. Первая представляет собой произведение постоянного момента М_д на угол крена и_д, вторая - сумму элементарных работ восстанавливающего момента в пределах :

(14)

Мерой статической остойчивости является восстанавливающий момент, а мерой динамической остойчивости служит работа этого момента. Из (14) ясно, что искомая работа - суть площадь диаграммы статической остойчивости в указанных выше пределах. Отсюда практический метод графического определения динамического угла крена - приравнивание площадей, соответствующих работам кренящего и восстанавливающего моментов.

Проведены расчеты, показавшие эффективность применения предлагаемых устройств для увеличения остойчивости понтонов.

при расчетах остойчивости покрытий с устройствами для обеспечения остойчивости для стальных понтонов было выявлено, что эффект повышения остойчивости проявляется в меньшей степени, чем при использовании успокоителей алюминиевых понтонов, что обусловлено большей массой стальных понтонов.

Результаты экспериментов, проведенных на установке с моделью понтона, выполненной в масштабе 1/30 натуральной величины, позволили получить зависимости плеча статической остойчивости модели понтона от угла его крена. Погрешность при сравнении экспериментальных данных понтона с учетом нефтепродукта, находящегося в успокоителях и расчетных данных понтона с успокоителями составляет 15,2%, а при сравнении экспериментальных данных алюминиевого понтона без использования устройств, повышающих остойчивость, и расчетных данных алюминиевого понтона составила 14,7%.

Рисунок 11 - Диаграмма восстанавливающего момента для стального понтона

На рисунке 11 представлена диаграмма восстанавливающего момента для РВС-5000 м³ со стальным понтоном по проекту 704-1-57 с количеством труб в успокоителе n=10. Видно, что применение успокоителей для стальных понтонов приведет к увеличению восстанавливающего момента на 18-20% в зависимости от расположения кренящего момента.

Были проведены расчеты и получены графические зависимости влияния на остойчивость понтонов количества, диаметра и длины труб устройств для обеспечения остойчивости.

Проведено численное сравнение расчетных величин остойчивости при увеличении массы понтона за счет его дополнительного утяжеления и при использовании предлагаемых успокоителей. Показано, что для улучшения характеристик остойчивости применение успокоителей эффективнее увеличения массы понтона. При той же дополнительной массе восстанавливающий момент алюминиевого понтона с устройством для обеспечения остойчивости увеличивается на 9%, но материалоемкость и глубина погружения понтона увеличиваются незначительно.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

На основании выполненного анализа современного оборудования стальных вертикальных резервуаров определены наиболее актуальные направления исследований для повышения надежности эксплуатации РВС, предложена классификация понтонов с учетом влияния конструктивных параметров понтонов стальных вертикальных резервуаров на характеристики плавучести, остойчивости, непотопляемости.

Впервые, на основе теории корабля, разработана методика расчета понтона в форме диска с дополнительными элементами для расчета плавучести, остойчивости, непотопляемости понтонов с учетом их конструктивных особенностей, что позволяет определить характеристики остойчивости новых конструкций. Разработан комплекс программ для расчетов плавучести, остойчивости, непотопляемости понтонов с дополнительными устройствами, повышающими остойчивость.

На основе разработанной обобщенной математической модели понтона, описывающей напряженно-деформированное состояние понтона при установке на опорную конструкцию в форме многолучевой звезды, теоретически решена проблема определения прочности понтона из изотропного, монотропного и армированного материала, что было подтверждено экспериментально. Выполненное численное моделирование напряженно-деформированного состояния армированного пенополиуретанового понтона позволило обоснованно рекомендовать модификацию конструктивных параметров понтона.

Впервые разработана методика решения задачи о течении в резервуаре в процессе перемешивания нефти с донным осадком с использованием винтового оборудования. разработаны методы исследования напряженно-деформированного состояния стальных вертикальных резервуаров при размыве донных отложений. исследование возможностей программных продуктов на основе сеточных методов и численное моделирование напряженно-деформированного состояния стальных вертикальных резервуаров показало недостаточную прочность РВС-10000 высотой 18м при размыве уплотненных отложений и позволило обосновать модификацию конструкции РВС. Доказано, что для исключения недопустимых вибраций понтона РВС необходимо запретить работу винтовых перемешивающих устройств в резервуаре с понтоном, находящемся над днищем резервуара на расстоянии меньшем, чем 4 м. Исследована возможность и получены конкретные результаты применения программного комплекса для гидродинамических расчетов FlowVision для моделирования сейсмических воздействий на резервуары.

Результаты представленных теоретических и экспериментальных исследований явились основанием для предложенной новой конструкции металлических понтонов с устройствами, повышающими остойчивость. Разработана математическая модель понтона с успокоителями, позволившая исследовать вопросы статической и динамической остойчивости указанных понтонов. Впервые разработаны научные основы получения диаграмм статической и динамической остойчивости понтонов. Проведены расчеты, показавшие эффективность применения предлагаемых устройств для увеличения остойчивости понтонов. Показано, что для улучшения характеристик остойчивости применение успокоителей эффективнее увеличения массы понтона. В зависимости от материала понтона и места приложения кренящего момента остойчивость увеличивается как минимум на 18-20% . Для алюминиевых понтонов при той же дополнительной массе, как в случае дополнительного утяжеления, восстанавливающий момент понтона с устройством для обеспечения остойчивости увеличивается на 9%.

...