Влияние осесимметричных геометрических несовершенств корпусов стальных вертикальных цилиндрических резервуаров на их устойчивость и долговечность

Размещено на http://www.allbest.ru/

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

В данной работе поднимаются проблемы прогнозирования поведения стальных вертикальных цилиндрических резервуаров, эксплуатируемых на промышленных комплексах по добыче и переработке нефти. Рассмотрены вопросы долговечности и эксплуатационной надежности резервуарных конструкций. При расчете устойчивости корпусов резервуаров больших объемов было уделено внимание учету имеющихся на них осесимметричных геометрических несовершенств.

Ключевые слова: стальные вертикальные цилиндрические резервуары, корпус, конструкция, добыча нефти, переработка нефти, эксплуатация, долговечность, устойчивость, расчет, коррозия, дефект, повреждение, осесимметриные геометрические несовершенства.

In this paper, raised the problem of predicting the behavior of steel vertical cylindrical tanks operated on the industrial complex for the extraction and processing of oil. The questions of durability and maintenance reliability of tank structures. In calculating the stability of tanks shells of large amounts of attention was paid to the account available to them axisymmetric geometric imperfections.

Keywords: steel vertical cylindrical tanks, hull, structures, oil production, oil refining, maintenance, durability, stability, calculation, corrosion, defects, damages, axisymmetric geometrical imperfections.

Стальные вертикальные цилиндрические резервуары, эксплуатируемые на нефтебазах, нефтеперекачивающих станциях, месторождениях и нефтеперерабатывающих заводах подвергаются комплексу внешних воздействий: нагрузок, температур и агрессивных рабочих сред и имеют те или иные дефекты и повреждения, обусловленные как конструктивными и технологическими несовершенствами, так и влиянием внешних эксплуатационных факторов. Наряду с коррозионными повреждениями стальные вертикальные резервуары имеют многочисленные конструктивные несовершенства (выпучины и вмятины, отклонения от цилиндрической формы), которые снижают устойчивость их корпусов и тем самым сокращают срок эксплуатации.

Проблема прогнозирования эксплуатационной надежности и долговечности резервуарных конструкций является весьма актуальной, ее реализация позволит приблизиться к решению важной проблемы - обеспечению их безаварийной эксплуатации, снижению до минимума риска возникновения аварий и, тем самым к экономии значительных материальных ресурсов, необходимых на ремонтные и восстановительные работы [1-3].

Рассмотрим влияние на устойчивость корпуса резервуара осесимметрично расположенных вмятин в кольцевом направлении.

Корпуса металлических резервуаров представляет собой тонкие и очень тонкие оболочки (R/ = 800-2500), поэтому вопросы обеспечения их общей и местной устойчивости весьма важны, так как устойчивость существенно влияет на нормальную эксплуатацию всего резервуара в целом.

Изучением и развитием теории линейной и нелинейной устойчивости оболочек занимались многие российские ученые, среди них следует выделить работы В.З. Власова [4], В.В. Петрова [5], С.П. Тимошенко [6] и др.

Формула для определения критического напряжения устойчивости идеальной тонкой оболочки на основе линейной теории имеет вид:

 (1)

Данные экспериментов, проведенных для цилиндрических оболочек при осевом сжатии, показывают, что фактические критические напряжения составляют 10-15 % от вычисленных по линейной теории теоретических напряжений для идеальной осесимметрично сжимаемой оболочки.

Объяснить такое значительное отличие теоретически вычисленного значения критического напряжения от экспериментального можно тем, что сжатые оболочки с точки зрения их устойчивости очень чувствительны к начальным геометрическим дефектам и несовершенствам геометрической формы, а также к начальным напряжениям, вызванным сваркой.

В настоящей статье авторы сосредоточили внимание на учете осесимметричных геометрических несовершенств при расчете устойчивости корпусов резервуаров больших объемов.

Данные обследования реальных конструкций показывают, что фактические начальные прогибы не имеют регулярного характера вдоль длин образующих и носят локальный характер, распространяясь в ограниченной области конструкций (например, у колец жесткости).

Проверку резервуарных конструкций на устойчивость действующий нормативно-технический документ (СП) [7] предписывает выполнять при совместном действии сжимающих нагрузок, равномерно распределенных вдоль образующих и равномерного внешнего давления P, нормального к боковой поверхности по формуле:

(2)

где- осевые и кольцевые напряжения в корпусе резервуара; - критические осевые и кольцевые напряжения; - коэффициент условий работы.

Расчетными нагрузками при проверке устойчивости стальных вертикальных цилиндрических резервуаров являются: собственный вес корпуса и крыши резервуара; снеговая нагрузка; вес оборудования на крыше резервуара (включая вес верхнего опорного кольца); ветровая нагрузка. В резервуарах с плавающей крышей избыточное давление и вакуум отсутствуют, поэтому проверка их устойчивости производится на действие ветра и собственного веса корпуса, с кольцевой обслуживающей площадкой и теплоизоляцией.

Потеря устойчивости корпуса резервуара может произойти как в осевом, так и в кольцевом направлениях. В первом случае в оболочках с при потере устойчивости образуется одна полуволна и возникает одна большая вмятина, приводящая к перекосу всей конструкции и выходу ее из эксплуатации. Во втором случае на корпусе резервуара происходит образование волн, направленных вдоль образующих, число которых в расчетах необходимо минимизировать.

При совместном воздействии как осевой, так и боковой нагрузок на корпусе резервуара образуются вмятины ромбовидной формы, равномерно размещенные и вытянутые вдоль образующих.

Осевые критические напряжения определяют по формуле:

(3)

где - коэффициент, определяемый в зависимости от отношения по табл. 31 [7].

Для стальных вертикальных цилиндрических резервуаров различного объема , (H- высота, м; R - радиус, м) кольцевые критические напряжения определяются по формуле:

 (4)

где - эмпирический коэффициент, E - модуль упругости стали.

Следует отметить, что в формуле (3) значения коэффициента С находятся в пределах от 0,06 до 0,22, что значительно ниже, чем С = 0,605 - значения, полученного в формуле (1) для идеальных оболочек.

Рассматривая методику расчета корпусов резервуаров на устойчивость, изложенную в [7, 8] можно отметить, что коэффициент С в формуле (3) и коэффициент К 1 в формуле (4), принятый равным, являются эмпирическими, отражающими результаты исследований устойчивости реальных конструкций или их крупноразмерных макетов.

Значения этих коэффициентов зависят от множества факторов различной природы и в первую очередь от вида и величины геометрических несовершенств в виде вмятин и выпучин.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в кольцевом направлении, в местах смещений кромок полотнищ, неправильной постановки ребер жесткости, по кольцевым сварным швам у резервуаров, сооружаемых полистовой сборкой, четко видны осесимметричные вмятины.

Однако, вопрос расчетной оценки влияния этих вмятин на устойчивость корпусов резервуаров ни в [7], ни в других действующих нормативно-технических документах, регламентирующих эти расчеты, не рассматривается, хотя и приведен ряд рекомендаций по предельно допустимой величине дефектов [9-11], но расчетами эти данные не подкрепляются. цилиндрический резервуар геометрический корпус

В данной статье приведены результаты исследования влияния на устойчивость корпусов резервуаров осесимметричных кольцевых вмятин. Ранее авторами был опубликован ряд работ [1, 3, 12-15] по проблемам определения напряженно-деформированного состояния цилиндрических стальных резервуаров, прогнозирования и оценки их долговечности и эксплуатационных показателей.

Определение действительного критического напряжения возможно при рассмотрении реальной части оболочки в пределах длины одной осесимметричной вмятины вдоль направляющей (например, по кольцевому сварному шву, у кольца жесткости и т. п.).

При определении несущей способности оболочки в упругой стадии в пределах одной вмятины, ее можно считать оболочкой вращения с криволинейной образующей [18].

Применительно к изотропной оболочке коэффициент С, характеризующий критические напряжения в формуле (3) определяется по формуле:

(5)

Для малых амплитуд w_o погибей длиной L вдоль образующих:

(6)

(7)

Выражение для коэффициента С принимает вид:

(8)

где - параметр, характеризующий данные начальной осесимметричной погиби.

(9)

Число волн n в окружном направлении определяем из выражения (10) минимизируя его по, где , а n округляем до целого числа.

(10)

Результаты расчетов для резервуаров объемом 30000 м ³ и 50000 м ³ при различных значениях и приведенные в табл. 1, выполнены автором по собственной программе.

Таблица 1

Из приведенных расчетных данных можно сделать вывод, что значения коэффициента С могут существенно снижаться по сравнению с данными, приведенными в [7]. Поэтому при расчетах корпусов эксплуатируемых резервуаров с целью определения их технического состояния необходимо учитывать влияние геометрических несовершенств в виде осесимметричных вмятин по рассмотренной выше методике. Количество волн n в окружном направлении для резервуаров больших объемов значительно больше , которое рекомендуется принимать в практических расчетах оболочек [18], что связано со значительными геометрическими размерами резервуара. Для резервуаров малых объемов (до 1000 м ³) .

1. Кокодеев А.В., Шеин А.А. Определение напряженно-деформированного состояния горизонтальных цилиндрических стальных резервуаров с учетом повреждений коррозионного происхождения // Техническое регулирование в транспортном строительстве. - 2015. - № 1 (9); URL: trts.esrae.ru/15-58

2. Кокодеев А.В., Овчинников И.Г. Обследование, мониторинг, выполнение ремонтных и восстановительных работ на подводных частях транспортных сооружений // Интернет-журнал "Науковедение", 2014 №5 (24) [Электронный ресурс]-М. : Науковедение, 2014 -.- Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/02KO514.pdf, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

3. Овчинников И.Г. Обследования, ремонт и усиление оснований и фундаментов транспортных сооружений / И.Г. Овчинников, А.А Шеин, А.А. Пискунов. Учебное пособие, Казань, изд-во КГАСА, 2005. 300 с.

4. Власов В.З. Тонкостенные пространственные системы. - 2-е изд. М.: 1958.

5. Петров В.В. Расчет элементов конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой / В.В. Петров, И.Г. Овчинников, Ю.М. Шихов. Саратов. СПИ. 1987. 228 с.

6. Тимошенко С.П. Пластинки и оболочки / С.П. Тимошенко, С. Войновский-Кригер М.: Наука, 1966. 635 с.

7. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*. - Министерство регионального развития РФ Приказ 791, 2011 г.

8. Лессиг Е.Н. Листовые металлические конструкции / Е.Н. Лессиг, А.Ф. Лилеев, А.Г. Соколов. М.: Изд-во лит. по строительству, 1970. 487 с.

9. Правила технической эксплуатации резервуаров и инструкции по их ремонту. Утв. Госкомнефтепродуктом СССР 31.12.87. М.: Недра, 1988. 269 с.

10. РД 153-39.4-078-01. Правила технической эксплуатации резервуаров магистральных нефтепроводов и нефтебаз. - Институт проблем транспорта энергоресурсов (ИПТЭР), 2001 г.

11. РД 39-30-1284-85. Руководство по обследованию и дефектоскопии вертикальных стальных резервуаров. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1986. 250 с.

12. Овчинников И.Г. Эксплуатационная надежность и оценка состояния резервуарных конструкций (монография) / И.Г. Овчинников, Н.Б. Кудайбергенов, А.А. Шеин. Сар. гос. гос. техн. ун-т. Саратов. 1999. 316 с.

13. Овчинников И.Г. Эксплуатационная надежность и оценка состояния резервуарных конструкций (монография) / И.Г. Овчинников, Н.Б. Кудайбергенов, А.А. Шеин. Сар. гос. гос. техн. ун-т. Саратов. 1999. 316 с.

14. Овчинников И.Г. Работоспособность резервуарных конструкций с геометрическими несовершенствами и эксплуатационными повреждениями (монография) / И.Г. Овчинников, А.А. Шеин, А.П. Денисова. Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов, 1997. 162 с. Деп. в ВИНИТИ № 468- В 97.

15. Шеин А.А., Мавзовин В.С. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния стальных горизонтальных цилиндрических резервуаров с учетом дефектов коррозионного происхождения // Материалы Международного конгресса "Наука и инновации в строительстве SIB-2008. том. 3 "Оценка риска и безопасность в строительстве". Воронеж. 2008. С. 349-356.

16. Раткин В.В., Кокодеев А.В. Анализ причин возникновения дефектов и повреждений сталежелезобетонных конструкций транспортных сооружений, влияющих на их несущую способность и долговечность // Техническое регулирование в транспортном строительстве. - 2014. - № 4 (8); URL: trts.esrae.ru/14-57

17. Раткин В.В., Кокодеев А.В. Моделирование напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонных конструкций транспортных сооружений, находящихся под воздействием агрессивных сред // Техническое регулирование в транспортном строительстве. - 2014. - № 4 (8); URL: trts.esrae.ru/14-56

18. Кан С.Н. Строительная механика оболочек / С.Н. Кан. М.: Машиностроение, 1966.