В практике диагностических обследований крупногабаритных вертикальных стальных резервуаров [6] установлено, что до 70 % РВС требуют исправления несовершенств геометрической формы стенки и днища, отклонения которых превышают значения, регламентированные действующей нормативно-технической документацией. Для достоверной оценки влияния этих дефектов на работоспособность резервуара необходимо построение модели сооружения, которая бы отражала его реальную геометрию и напряженно-деформированное состояние при действующих эксплуатационных нагрузках.
Значительные затруднения при моделировании стенки РВС с несовершенствами геометрической формы вызывает тот факт, что определить момент появления отклонений стенки от проектного положения не всегда представляется возможным. Возникает вопрос: дефект появился на стадии строительства и монтажа металлоконструкции или получил развитие в процессе эксплуатации под воздействием постоянных, временных и циклических нагрузок?
Авторами статьи предпринята попытка оценки технического состояния реального резервуара РВС-20000, эксплуатируемого в системе магистрального транспорта нефти (рис. 1) с учетом отклонений геометрической формы стенки. Дело в том, что до вывода в очередной ремонт объект многократно ремонтировался. После проведения плановых ремонтных работ с заменой металлоконструкций РВС отклонения образующих стенки не удалось ввести в допустимые значения, предписанные нормативно-технической документацией. Тогда было принято решение выполнить экспертизу промышленной безопасности опасного производственного объекта путем оценки работоспособности конструкции по реальному техническому состоянию с использованием программного комплекса ANSYS на основе МКЭ. Отметим, что такой подход допускается в РД 08-95-95 – «Положении о системе технического диагностирования сварных вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов».
Рис. 1. РВС-20000 на ЛПДС «Воронеж» в процессе ремонта
При моделировании предлагается ввести упрощение, согласно которому утверждается, что в момент окончания строительства оболочка резервуара РВС-20000 имела идеальную цилиндрическую форму в соответствии с проектом ТП-704-1-70. То есть дефекты геометрии стенки развились в процессе эксплуатации конструкции.
Для выполнения расчетов напряженно-деформированного состояния стенки резервуара применён программный комплекс прочностного анализа ANSYS, реализующий метод конечных элементов, который утвержден в отраслевом регламенте ОАО «АК «Транснефть» – РД-23.020.00-КТН-296-07 «Руководство по оценке технического состояния резервуаров» в качестве основного по анализу НДС вертикальных стальных резервуаров.
На рис. 2 представлена расчетная схема РВС-20000, в соответствии с которой выполнялся расчет НДС сооружения.
Рис. 2. Расчетная схема: 1 – стенка РВС-20000, имеющая несовершенства геометрической формы; 2 – кольца жесткости на 3-м и 7-м поясах стенки; 3 – жесткое закрепление нижнего ребра стенки; 4 – ветровая нагрузка; 5 – нагрузка от веса стационарной кровли, установленного оборудования и снегового покрова; 6 – гидростатическая нагрузка
Таблица 1
Расчетные параметры сооружения
|
№ п/п |
Наименование параметров |
Значение параметров |
|
1 |
Объем резервуара |
20000 |
|
2 |
Класс опасности |
1 |
|
3 |
Номер проекта, по которому построен резервуар |
ТП-704-1-70 № 4090-II(I)-6,7-АР |
|
4 |
Нормативное значение ветрового давления, Па |
300 |
|
5 |
Нормативная снеговая нагрузка на поверхности земли, Па |
1800 |
|
6 |
Максимально допустимое по проекту давление (вакуум) в газовом пространстве резервуара, Па |
250 |
|
7 |
Диаметр резервуара, мм |
39905 |
|
8 |
Высота стенки резервуара, мм |
17900 |
|
9 |
Верхний аварийный уровень взлива, мм |
17050 |
|
10 |
Цикличность нагружения (приведенная годовая цикличность нагружения за последний год эксплуатации), циклов/год |
30 |
|
11 |
Сведения о продукте, хранимом в резервуаре на момент проведения диагностики |
|
|
12 |
Вид продукта |
дизельное топливо |
|
13 |
Плотность, кг/м3 |
860 |
|
14 |
Вес металлоконструкций крыши резервуара, кг |
72800 |
Резервуар состоит из 11 поясов стенки разной толщины общей высотой 17,9 м. На III и VII поясах предусмотрены кольца жесткости г-образного типа (300×300 мм). Принято, что резервуар жестко закреплен по нижнему ребру стенки. На сооружения действуют следующие нагрузки: гидростатическая от столба жидкости плотностью 860 кг/м3; ветровая (приложена к стенке равномерно) – 300 Па; вакуумметрическое давление – 250 Па; снеговая нагрузка – 2260 кН, нагрузка от веса кровли оборудования и кровли – 728 кН, которые приложены равномерно к верхнему ребру стенки РВС-20000. Расчетные параметры сооружения представлены в табл. 1.
Для того чтобы учесть отклонения от вертикали образующих стенки резервуара (по 23 вертикальным сварным швам), использовались внутренние программные алгоритмы ANSYS. С помощью функции «displacement» выполнялось покоординатное перемещение точек стенки РВС-20000 в положение, которому соответствуют данные последней диагностики – отклонений от вертикали образующих стенки резервуара. То есть из идеальной цилиндрической оболочки выполнялось преобразование в искривленную поверхность, которая сответствует действительному состоянию объекта. В табл. 2 представлены результаты теодолитной съемки стенки РВС-20000 в опорожненном состоянии, которые легли в основу построенной модели.
Таблица 2
Результаты геодезической съемки отклонений от вертикали образующих стенки РВС-20000
|
Номер пояса |
Номер образующей |
||||||||||||||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
|
|
Отклонение от вертикали образующих стенки резервуара, мм |
|||||||||||||||||||||||
|
1 |
35 |
38 |
33 |
–16 |
–27 |
–10 |
9 |
19 |
–32 |
19 |
21 |
11 |
0 |
2 |
–6 |
1 |
–9 |
–10 |
44 |
33 |
15 |
30 |
21 |
|
2 |
39 |
66 |
34 |
–31 |
–19 |
–16 |
–9 |
19 |
–65 |
14 |
12 |
–13 |
37 |
4 |
–2 |
–10 |
–22 |
7 |
32 |
–13 |
14 |
14 |
7 |
|
3 |
56 |
68 |
54 |
–27 |
–3 |
11 |
18 |
44 |
–86 |
–14 |
6 |
–11 |
42 |
13 |
8 |
–21 |
–9 |
–4 |
20 |
–14 |
19 |
18 |
28 |
|
4 |
63 |
84 |
66 |
–15 |
21 |
19 |
26 |
45 |
–84 |
–26 |
–27 |
–22 |
56 |
20 |
23 |
–42 |
4 |
–32 |
9 |
–32 |
38 |
9 |
20 |
|
5 |
63 |
82 |
73 |
–9 |
30 |
26 |
22 |
45 |
–77 |
–44 |
–82 |
–36 |
44 |
26 |
21 |
–52 |
–3 |
–38 |
2 |
–10 |
44 |
14 |
25 |
|
6 |
73 |
101 |
87 |
–18 |
32 |
35 |
37 |
36 |
–80 |
–85 |
–127 |
–49 |
78 |
28 |
22 |
–55 |
–9 |
–48 |
–1 |
5 |
40 |
12 |
37 |
|
7 |
80 |
90 |
92 |
–30 |
26 |
41 |
51 |
38 |
–90 |
–114 |
–141 |
–49 |
101 |
25 |
18 |
–59 |
–35 |
–67 |
–3 |
15 |
55 |
11 |
49 |
|
8 |
86 |
81 |
93 |
–57 |
36 |
45 |
38 |
25 |
–82 |
–143 |
–177 |
–35 |
74 |
25 |
4 |
–40 |
–57 |
–82 |
–16 |
–1 |
50 |
–25 |
51 |
|
9 |
84 |
61 |
68 |
–41 |
49 |
54 |
39 |
23 |
–52 |
–186 |
–224 |
–23 |
44 |
5 |
–19 |
–37 |
–56 |
–94 |
–28 |
–40 |
38 |
–29 |
36 |
|
10 |
61 |
78 |
39 |
–17 |
50 |
60 |
–23 |
–11 |
–62 |
–237 |
–259 |
–56 |
43 |
–4 |
–63 |
9 |
–69 |
–102 |
–56 |
–67 |
–6 |
–47 |
27 |
|
11 |
59 |
39 |
14 |
8 |
45 |
35 |
–39 |
–35 |
–96 |
–256 |
–264 |
–70 |
15 |
–9 |
–31 |
–14 |
–89 |
–130 |
–100 |
–69 |
–61 |
–24 |
43 |
Рис. 3. Максимальные эквивалентные напряжения по фон-Мизесу 
, Па
Для расчета общей устойчивости стенки резервуара проводился расчет НДС стенки опорожненного резервуара методом конечных элементов в физически и геометрически нелинейной постановке задачи при воздействии сжимающих нагрузок (снеговая, ветровая нагрузки, вес крыши, собственный вес стенки, вакуум). Расчет проводился при воздействии нормативных (проектных) значений снеговой, ветровой нагрузок, вакуума, веса металлоконструкций стенки и крыши в соответствии с РД-23.020.00-КТН-296-07 путем пошагового приложения нагрузок до уровня, при котором равновесие конструкции становится нестабильным. По результатам расчета установлено, что общая устойчивость стенки резервуара обеспечивается при проектных (нормативных) значениях нагрузок. На рис. 3 показано распределение максимальных эквивалентных напряжений по фон-Мизесу в металлоконструкциях РВС-20000.
В ходе расчета установлено, что напряжения, действующие в металлоконструкциях резервуара, не превышают критических значений, установленных нормативно-техническими документами. Результаты расчета сведены в табл. 3.
Таблица 3
Расчетные значения действующих напряжений в металлоконструкциях РВС-20000
|
Номер пояса стенки |
Действительная толщина элемента, мм |
Напряжения в конструкции
МПа, при уровне взлива: |
Допустимое значение напряжений, МПа |
|
При верхнем аварийном уровне (17 050 мм) |
|||
|
1 |
15,70 |
182 / 35/ 204 / 234 |
197 / 197 / 325 / 325 |
|
2 |
14,70 |
185 /28 / 191 / 239 |
225 / 225 / 325 / 325 |
|
3 |
13,90 |
160 / 21 / 239 / 207 |
225 / 225 / 325 / 325 |
|
4 |
12,00 |
175 / 17 / 184 / 212 |
225 / 225 / 325 / 325 |
|
5 |
11,00 |
155 / 13 / 160 / 181 |
225 / 225 / 325 / 325 |
|
6 |
10,60 |
138 / 11 / 143 / 186 |
225 / 225 / 325 / 325 |
|
7 |
9,50 |
110 / 10 / 167 / 129 |
225 / 225 / 325 / 325 |
|
8 |
9,50 |
104 / 10 / 117 / 142 |
225 / 225 / 325 / 325 |
|
9 |
9,50 |
65 / 8 / 72 / 119 |
225 / 225 / 325 / 325 |
|
10 |
9,40 |
26 / 6 / 31 / 81 |
225 / 225 / 325 / 325 |
|
11 |
9,30 |
17 / 6 / 26 / 33 |
225 / 225 / 325 / 325 |
Анализируя напряженно-деформированное состояние стенки резервуара с учетом несовершенств геометрии оболочки, авторы установили, что наименьшим запасом прочности обладают I–III пояса стенки. Учитывая, что в наиболее нагруженном столбом жидкости – I поясе стенки, эквивалентные напряжения достигают 190 МПа, к этой величине прибавляются непроектные нагрузки, связанные с дефектами геометрии стенки. Поэтому любые отклонения геометрической формы стенки от проектного положения, особенно нижних поясов, в значительной степени снижают эксплуатационную надежность сооружения в целом, о чем свидетельствуют результаты расчетов, полученные авторами и представленные в табл. 3 и на рис. 3.
Результаты выполненных авторами расчетов позволили пройти экспертизу промышленной безопасности опасного производственного объекта и ввести резервуар в эксплуатацию. Для проверки прочности и устойчивости объекта в сентябре 2015 г. проведены гидроиспытания и запуск в эксплуатацию РВС-20000 на ЛПДС «Воронеж». Таким образом, сооружение продолжает успешно эксплуатироваться по настоящее время, что подтверждает справедливость теоретических выкладок и подходов, предложенных авторами, при численном моделировании объекта.
Выводы
1. На основе данных геодезической съемки стенки РВС-20000 авторами разработана конечно-элементная модель резервуара, в которой учитывается реальная геометрия сооружения с учетом отклонений геометрической формы стенки от идеальной цилиндрической оболочки. Предложена расчетная схема РВС-20000 для анализа напряженно-деформированного состояния стенки резервуара при действующих проектных эксплуатационных нагрузках.
2. Установлено, что результаты расчета НДС резервуара с учётом несовершенств геометрической формы дают меньшие значения запаса прочности, нежели расчет идеальной оболочки. Анализ действующих напряжений рассматриваемого резервуара РВС-20000 показал, что разница в расчетах (с учетом и без учета отклонений стенки от вертикальной образующей) составила 26 % – 239 и 190 МПа соответственно, а следовательно, возможно рекомендовать дальнейшую эксплуатацию объекта с наличием дефектов геометрической формы.
3. Выполненные в соответствии с требованиями действующей нормативной документации обосновывающие расчеты прочности и устойчивости РВС-20000 позволили пройти экспертизу промышленной безопасности и успешно ввести в эксплуатацию реальный объект на ЛПДС «Воронеж».