ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПОДХОД К РЕМОНТУ ПОЯСОВ РЕЗЕРВУАРА ИНДУСТРИАЛЬНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 622.692.23-034.14 https://doi.org/10.24412/0131-4270-2023-1-29-34

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПОДХОД К РЕМОНТУ ПОЯСОВ РЕЗЕРВУАРА ИНДУСТРИАЛЬНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

INDIVIDUAL APPROACH TO THE REPAIR OF INDUSTRIAL TANK BELTS

Тян В.К.1, Комаров П.А.2

1 Самарский государственный технический университет, 443100, г. Самара, Россия

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5234-0846, E-mail: V_K_Tyan@mail.ru

2 ОАО «Самарагипротрубопровод», 443020, г. Самара, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8424-9342,

E-mail: komarovpa@snp-frame.ru

Резюме: В данной работе представлена методика расчета радиуса вальцевания ремонтной карты для структур напряженно-деформированного состояния поперечного сечения полотнища с упругой деформацией крайних волокон поясов стенки после разворачивания полотнища на проектный радиус. Представлены математические модели остаточного момента с учетом воздействия на стенку гидроиспытания и коррозионных процессов.

Ключевые слова: резервуар индустриального изготовления, структура напряженно-деформированного состояния (НДС), предел текучести, упругопластическая деформация, моментная теория, момент, рулонирование и разворачивание, недопустимые дефекты, гидроиспытания, коррозия.

Для цитирования: Тян В.К., Комаров П.А. Индивидуальный подход к ремонту поясов резервуара индустриального изготовления // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2023. № 1. С. 29-34.

D0I:10.24412/0131-4270-2023-1-29-34

Tyan Vladimir K.1, Komarov Pavel A.2

1 Samara State Technical University, 443100, Samara, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5234-0846,

E-mail: V_K_Tyan@mail.ru

2 Samaragiprotruboprovod JSC, 443020, Samara, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8424-9342, E-mail: komarovpa@snp-frame.ru

Abstract: This paper presents a method for calculating the rolling radius of the repair card for the structures of the stress-strain state of the cross-section of the panel with elastic deformation of the extreme fibers of the wall belts after unfolding the panel to the design radius. A mathematical model of the residual moment is presented, taking into account the impact of hydro-testing and corrosion processes on the wall.

Keywords: tank of industrial manufacture, structure of stress-strain state, yield strength, elastic-plastic deformation, moment theory, moment, rolling and unfolding, unacceptable defects, hydro-testing, corrosion.

For citation: Tyan V.K., Komarov P.A. INDIVIDUAL APPROACH TO THE REPAIR OF INDUSTRIAL TANK BELTS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons, 2023, no. 1, pp. 29-34.

DOI:10.24412/0131-4270-2023-1-29-34

Введение

Вопросы строительства и эксплуатации резервуаров, изготовленных индустриальным способом, остаются актуальными и на сегодняшний день [1-5]. Подтверждением этому является следующая проблема. При ремонте недопустимых дефектов полотнища стенки на вновь вваренной карте системно возникает новый дефект типа «хлопун», направленный выпуклостью к центру резервуара. Причиной возникновения указанного дефекта является наличие внутреннего момента в полотнище стенки, обусловленного процессами рулонирования при изготовлении полотнища в заводских условиях и разворачивания рулона на монтажной площадке [6].

В работах [6, 8] научно обоснована методика ремонта указанных дефектов, в соответствии с которой ремонтную карту необходимо вальцевать на расчетный радиус [7]. После приведения его к проектному радиусу резервуара в ремонтной вставке должен возникнуть момент, равный внутреннему моменту полотнища.

В работах [6, 8] сформулирована технология ремонта с заменой дефектного участка полотнища стенки вертикальных стальных резервуаров, возведенных методом индустриального рулонирования. С этой целью была разработана моментная теория, позволившая смоделировать процессы изготовления полотнища стенки в заводских условиях, самопроизвольного разворачивания рулона на строительной площадке при снятии удерживающих планок, а

также технологический процесс разворачивания рулона на проектный радиус. Кроме того, спроектирована и изготовлена рабочая оснастка для проведения ремонта в соответствии с разработанной методикой.

Опытная эксплуатация разработанной технологии ремонта проведена при ремонте стенки резервуара РВС-10000 № 106 на ЛПДС «8Н» АО «Транснефть-Дружба», построенному по типовому проекту 704-1-170.84 в 1998 году.

Геометрические параметры резервуара представлены в табл. 1.

В результате проведения неразрушающего контроля были установлены дефектные участки 2-го, 3-го и 4-го поясов, проектная толщина которых равны 10, 9, и 9 мм соответственно (см. табл. 1).

Моментная теория НДС поясов после разворачивания полотнища стенки на строительной площадке. Типовые структуры напряженно-деформированного состояния (НДС) поясов

Из анализа эпюры напряжений 2-го пояса (рис. 1) следует, что при развернутом рулоне полотнища стенки на проектный радиус напряжения на внешних волокнах стенки достигают предела текучести.

Данная типовая структура НДС, детально описанная в [6], является основой для расчетов остаточного момента поясов полотнища и радиуса вальцовки рабочей карты [7], а также

для проектирования рабочей оснастки при ремонте недопустимых дефектов стенки индустриальных резервуаров.

Эпюры остаточных напряжений 3-го и 4-го поясов, развернутых на проектный радиус, имеют структуры, представленные на рис. 2.

В этом случае после разворачивания рулонированного полотнища на проектный радиус напряжения во внешних волокнах не превышают предела текучести (то есть величина <'остпр не превышает предела текучести ат), что обусловило характерную треугольную форму эпюры напряжений, являющуюся второй типовой структурой НДС поясов полотнища стенки резервуара.

Представим математические модели моментов, возникающих после разворачивания 3-го и 4-го поясов рулона на проектный радиус. Из рис. 2 следуют аналитические выражения моментов сжатия и растяжения:

Мсж - 1Х2 * 7остлр |

Мрж =

Промежуточные величины Х2, Х3 определены из подобия треугольников Д145, А136 и следующих соотношений:

Х2

г - 6 а У ■ У - 2 - 2 -

Таблица 1

Параметры резервуара РВС-10000

ХI 1 ' а

ост.прХз | з + 2) + 2 а°стпр2£2'

Параметр Значение параметра

Высота стенки 17900

резервуара, мм

Радиус резервуара, мм 14250

Количество поясов 12

стенки резервуара, шт.

Проектная толщина, мм Действительная толщина, мм Высота, мм

1 пояс 12 11,9 1690*

2 пояс 10 9,7 1290

3 пояс 9 8,9 1490

4 пояс 9 8,9 1490

5 пояс 9 8,9 1490

6 пояс 9 8,9 1490

7 пояс 9 8,9 1490

8 пояс 8 7,8 1490

9 пояс 8 7,8 1490

10 пояс 8 7,8 1490

11 пояс 8 7,9 1490

12 пояс 8 7,8 1490

* Пояс заменен в предыдущем ремонте

Рис. 1. Эпюра напряженно - деформированного состояния 2-го пояса полотнища

после принудительного разворачивания рулона с Иост до Ипр. а - зона упругих деформаций при свернутом полотнище в рулон, 6 - толщина пояса

'ост.пр '

77

остлр Т

7т к

-7Т

о

1-к-йсвв

и

о о

лр

к-....

пр

Рис. 2. Эпюра напряженного состояния в 3-м и 4-м поясах полотнища после принудительного разворачивания рулона с Яост до Ипр

-<7| О,

После ряда преобразований, получено

У2 - —(

( й ^ 1-к-

йлр

о

1 п св йлр

\

6 у =6 а 2 3 = 2 - 2 -

( й л 1-к-йвв

йлр

7 йй"

1 п св

йлр

С учетом промежуточных результатов получены формулы для остаточных моментов, представленных ниже. Момент сжатия имеет вид

От

/ 2 3 ка у

Л

\ \ \

X А /

-СО

\ ,

М -1

6 к I 2

( й ^

1-к-йссвв °лр,

( и л2

1 п св йлр,

2 - 2 ^ + к

Я/1 1 V " I 6 Х | Мсж - 2Х2 *7остлр I 2I.

1 ' Аналогичным образом получено выражение для вычис-

После некоторых преобразований получено следующее ления момента растяжения: выражение:

Мрж = 1 I |

2к Ясвв-к

я,

пр

Я я,

пр

я

1 -п св

я

пр

'сж ' Мрж).

М

ост 3 I 2

(

( п \2Г 1-к-Псвв ппр

2 - 2 Псвв + к

Ппр .

(

2 к3 Псвв - к3

я,

пр

я,

л2 ^

пр

(

п

1 -п св

пп

пр

(1)

I

Рис. 3. Эпюра гидростатического давления на стенку резервуара, обусловленная высотой жидкости

Рис. 4. Трансформация эпюры напряжений стенки резервуара в процессе проведения гидроиспытания, МПа

После разворачивания полотнища на проектный радиус Япр суммарный остаточный момент сечения полотнища состоит из удвоенной разности моментов сжатия и растяжения:

Мост = 2(Мс

Подставив значения моментов М^ и М„_ окончательно

сж рж

получена формула остаточного момента

\2

Полученные аналитические выражения позволяют исследовать изменение остаточного момента полотнища при проведении гидроиспытания, а также влияние коррозионных процессов при длительной эксплуатации индустриального резервуара. Рассмотрим влияние этих факторов на процесс эксплуатации резервуара.

Анализ влияния гидроиспытания на структуру НДС поясов стенки резервуара. Поправка расчетной формулы остаточного момента

При проведении гидроиспытания на стенку резервуара воздействует гидростатическое давление, распределенное в вертикальном направлении по закону

Р = рд(Н -

-287 345

/ 32

/ /V

<4 -32 С.'"

\ -3 41 7

-345 345 -287 345

-345 128 287

КХ.Пр 1

Г N

/ /СО { -¿г £

\ * о\

\

7 N /

/

V сл

\ У \

—от

где р - плотность продукта в резервуаре; д - ускорение свободного падения; Н - высота взлива в резервуаре; h -вертикальное расстояние от уторного узла до расчетной точки на стенке резервуара (рис. 3).

Под воздействием гидростатического давления в стенке резервуара появляются растягивающие кольцевые напряжения, вычисляемые по формуле

РЯПр рдн-Н)Я,

>к ■

пр

Эпюра остаточных напряжений (см. рис. 2), возникших в стенке в результате применения метода индустриального рулонирования и дальнейшего разворачивания на проектный радиус, под действием гидростатического давления преобразуется к виду, представленному на рис. 4.

Проведем последовательный анализ структуры НДС 3-го пояса.

2

2

2

X

При высоте взлива жидкости (воды), равной 16,96 м и высоте кромки 3-го пояса в 2,98 м, кольцевые напряжения равны

1000*9,81*(16,96-2,98)* 14,25 _

0,009

- 217,14 МПа,

Мг = 1 (7остпр ~70

т) Х4

1Х

2 3 4

где

^ (7остлр 7 ост)У2 У4 --3-

остлр

7

(

' остлр к (

о

1-к-йсвв

йпр

\

у2

о

1- к-йсв

\

ол

лр

(

о

1 п св

олр

_6

V 2;

к*

( ( 7

М -1(6

21 2

Л

о

1 п св

V йлр)

-2<т+7к

( й л

1 п св

олр

На рис. 4а представлена исходная эпюра напряжения в 3-м поясе после разворачивания рулона на проектный радиус. После налива резервуара водой на требуемый уровень в 3-м поясе полотнища возникают растягивающие кольцевые напряжения = 217,14 МПа, что обуславливает смещение эпюры вправо на эту величину. Это отражено на рис. 4б. В соответствии с рис. 4в видно, что предварительно растянутые внутренние крайние волокна полотнища достигают предела текучести. После окончания гидроспытания и слива воды из резервуара эпюра напряжений смещается влево на величину = 217,14 МПа и остаточная эпюра принимает вид, представленный на рис. 4г. Таким образом, поправка к остаточным напряжениям равна площади треугольника, выделенного двойной штриховкой на рис. 4д:

к*

1-

( (

7т

к

V_V.

о

1 - п св

\

\\

й

лр

-2стт+ст„

37 т *

( й ^ 1 п св

ол

лр

С учетом формул (1) и (2) остаточный момент в стенке резервуара после окончания проведения гидроиспытания определяется формулой (3):

Мост г - Мост - Мг.

(3)

Анализ влияния коррозионных процессов на структуру НДС поясов стенки резервуара.

Поправка на коррозию расчетной формулы остаточного момента

Другим фактором, влияющим на величину остаточного момента, вычисляемого по формуле 3, являются коррозионные процессы, приводящие к уменьшению толщины стенки резервуара на величину коррозии 2Тк (в настоящей работе принято допущение, что величина коррозии одинакова как на внешних, так и на внутрених волокнах). В этом случае структура НДС стенки примет вид примет вид, представленный на рис. 5.

Для определения окончательного остаточного момента в листах стенки резервуара, как видно из рис. 5, из остаточного момента, определенного по формуле (3), необходимо вычесть момент, создаваемый площадью фигуры с двойной штриховкой:

Мк - 7остТкУ5 +1 (7остлр + 7х) ТкУ5.

После преобразований получена формула поправочного момента, обусловленного проведением гидроиспытания:

6 Тк

где у5 - ^ -у;

остлр

Х2

Х2 - Тк

( й ^ 1- к-°св

у2 -

ол

лр

о

1 п св

олр

_6

^ 2;

I

Рис. 5. Эпюра напряжения стенки резервуара с учетом коррозионных процессов

7ост = 7Т - 7к.

После преобразований получена формула поправки остаточного момента на коррозию

(

МК -

Тк7т

( й ^

1 п св

олр

6к

Т

(4)

В соответствии с формулами (1), (2), (4), остаточный фактический момент в стенке резервуара после проведения гидроиспытания и с учетом коррозии стенки определяется по формуле (5):

Мостф - Мост - Мг - Мк.

(5)

Таким образом, вид остаточной эпюры НДС полотнища после разворачивания рулона на проектный радиус обуславливает применение соответствующей формулы для

7

7т - 7,,.

Т

к

ост

7

х

I Таблица 2

Координаты трассы нефтепровода из базы данных ГРАНС

Проектная толщина, мм Действительная толщина, мм 2Тк, мм як, МПа я' МПа ост.пр' яг, МПа Мост.ф, трап., Нм Мост.ф, треуг., Нм %

12 11,9 0,1 198 498 345 5502

10 9,7 0,3 213 357 345 2484 - -

9 8,9 0,1 217 287 345 1583 1652 4,0

9 8,9 0,1 194 287 345 1674 1743 4,0

9 8,9 0,1 171 287 345 1752 1821 3,8

9 8,9 0,1 148 287 345 1816 1885 3,7

9 8,9 0,1 125 287 345 1865 1934 3,6

8 7,8 0,2 114 217 345 - 876* -

8 7,8 0,2 88 217 345 - 876* -

8 7,8 0,2 62 217 345 - 876* -

8 7,9 0,1 36 217 345 - 958* -

8 7,8 0,2 10 217 345 - 876* -

определения остаточного момента в поясах резервуара, что требует предварительного анализа напряженно-деформированного состояния поперечного сечения ремонтируемых поясов.

На основании вышеизложенного аналитического материала вычислены параметры структуры НДС во 2-м, 3-м, 4-м поясах, необходимые для вычисления остаточных моментов (табл. 2).

Для поясов, отмеченных знаком (*), кольцевые напряжения як уменьшаются из-за падения гидростатического давления и, как следствие, сумма напряжений &ост и як не превышает яг Поэтому эпюра на рис. 4а при гидроиспытании сохраняет треугольную форму.

С учетом кольцевого напряжения, равного як = 114,11 МПа эпюра примет вид как на рис. 6.

Как следует из рис. 6, остаточный фактический момент для поясов с номерами 8-12 не зависит от процесса проведения гидроиспытания.

В соответствии с рис. 7 поправка МК, вычисляется следующим образом:

М

= (Я

(6)

Конечная формула для рассмотренного случая примет вид

Мост.ф = Мост - М

М, = 0.

(7)

Таким образом, при вычислении остаточного момента в поясах резервуара необходимо анализировать эпюру остаточных напряжений в поясах резервуара.

Как показывает вышеописанное исследование, комплекс формул для вычисления остаточного момента с последующим определением расчетного радиуса вальцевания зависит от структуры эпюры НДС поперечного сечения полотнища стенки резервуара, изготовленного индустриальным методом.

I

Рис. 6. Отсутствие трансформации формы эпюры

напряжений стенки резервуара в процессе проведения гидроиспытания для верхних поясов, МПа

Рис. 7. Эпюра напряжения стенки резервуара с учетом коррозионных процессов

Рекомендации по выбору формул в зависимости от структуры НДС приведены ниже:

- трапециевидная эпюра, имеющая место при 7'остпр, больше 7т. В этом случае эпюра остаточных напряжений соответствует рис. 1 и вычисление остаточного момента должно осуществляться по формулам, представленным в [3-6];

- если 7' остпр не превышает 7т, то эпюра имеет форму треугольника (рис. 4). Остаточный момент должен вычисляться по формулам (1)-(5), учитывающим влияние процессов гидроиспытания и коррозии;

- для группы верхних поясов с 8 по 12 процесс гидроиспытания не влияет на остаточную эпюру напряжений поясов указанной группы (см. табл. 2). Эпюра сохраняет форму треугольника. Остаточный момент должен вычисляться по формулам (1), (6), (7).

Отклонения от рекомендаций по применению формул для нахождения остаточных моментов приводят к вычислительным погрешностям. Например, для поясов с 3-го по 7-й (см. табл. 2) по этой причине остаточные моменты занижены от 3,6 до 4%, что приводит к ошибочному расчетному радиусу вальцевания новой ремонтной карты [7].

Выводы

Для бездефектной реализации ремонта полотнища стенки резервуара, изготовленного индустриальным методом, в представленной работе определены:

1) структуры НДС поясов резервуара, обуславливающие выбор вычислительных процедур для определения расчетного радиуса вальцовки ремонтной карты;

2) аналитические выражения, описывающие указанные структуры и позволяющие определить остаточные моменты поясов полотнища после развёртывания полотнища стенки на проектный радиус;

3) изменения структуры НДС поперечного сечения полотнища, возникшие под действием статического давления проведенного гидроиспытания и коррозионных процессов;

4) Скорректированные остаточные моменты с учетом воздействия на стенку резервуара процессов гидроиспытания и коррозии.

Расчетные радиусы вальцовки ремонтных карт различных поясов, гарантирующие бездефектный ремонт «хло-пунов» методом замены металлоконструкции при соблюдении вышеуказанных рекомендаций.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Раевский Г.В. Изготовление стальных вертикальных цилиндрических резервуаров методом сворачивания. М.: Гостоптехиздат, 1952. 115 с.

2. Дидковский О.В., Клебанов Я.М., Давыдов А.Н. Влияние процесса рулонирования на несущую способность вертикальных резервуаров // Вестник машиностроения. 2008. № 8. С. 26-29.

3. Клебанов Я.М., Бурмистров А.Г., Столяров Н.Н. Экспериментальное исследование деформационных и прочностных свойств материала сварных соединений // Вестник СамГТУ. Сер.: Технические науки. 2012. № 3(35). С. 133-140.

4. Николаев А.Ф., Грачева К.С. Исследование возможности изготовления рулонированной крыши для вертикального цилиндрического резервуара объёмом 5000 куб. м // Строительство и недвижимость. 2019. № 1(4). С. 67-70.

5. Тян В.К., Комаров П.А., Худяков О.В. Системный анализ и прогнозирование поведения металлоконструкций при ремонте стальных резервуаров, изготовленных методом рулонирования // Известия Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14. №1-2. С. 435-438.

6. Тян В.К., Комаров П.А. Моментная теория моделирования процессов производства, строительства и эксплуатации резервуаров, изготовленных индустриальным способом // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2022. № 5-6. С. 43-49.

7. Комаров П.А. Определение радиуса вальцовки ремонтных вставок при ремонте стальных резервуаров, изготовленных методом рулонирования // Вестник СамГТУ. Сер.: Технические науки. 2021. № 4(36). С. 215-220.

8. Комаров П.А., Худяков О.В. Усовершенствованный метод ремонта стенки резервуаров, возведенных с применением метода индустриального рулонирования // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2013. № 4(12). С. 50-55.

REFERENCES

1. Rayevskiy G.V. Izgotovleniye stal'nykh vertikal'nykh tsilindricheskikh rezervuarovmetodomsvorachivaniya [Manufacture of steel vertical cylindrical tanks by folding method]. Moscow, Gostoptekhizdat Publ., 1952. 115 p.

2. Didkovskiy O.V., Klebanov YA.M., Davydov A.N. Influence of the rolling process on the bearing capacity of vertical tanks. Vestnik mashinostroyeniya, 2008, no. 8, pp. 26-29 (In Russian).

3. Klebanov YA.M., Burmistrov A.G., Stolyarov N.N. Experimental study of the deformation and strength properties of the material of welded joints. Vestnik SGTU. Seriya: Tekhnicheskiye nauki, 2012, no. 3(35), pp. 133-140 (In Russian).

4. Nikolayev A.F., Gracheva K.S. Study of the possibility of manufacturing a rolled roof for a vertical cylindrical tank with a volume of 5000 cubic meters. Stroitel'stvo i nedvizhimost', 2019, no. 1(4), pp. 67-70 (In Russian).

5. Tyan V.K., Komarov P.A., Khudyakov O.V. System analysis and prediction of the behavior of metal structures in the repair of steel tanks made by the rolling method. Izv. Samarskogo nauchnogo tsentra RAN, 2012, vol. 14, no. 1-2, pp. 435-438 (In Russian).

6. Tyan V.K., Komarov P.A. Moment theory of modeling the processes of production, construction and operation of tanks manufactured by an industrial method. Transport ikhraneniye nefteproduktoviuglevodorodnogo syr'ya, 2022, no. 5-6, pp. 43-49 (In Russian).

7. Komarov P.A. Determination of the rolling radius of repair inserts during the repair of steel tanks made by rolling. Vestnik SGTU. Seriya: Tekhnicheskiye nauki, 2021, no. 4(36), pp. 215-220 (In Russian).

8. Komarov P.A., Khudyakov O.V. An improved method for repairing the walls of tanks built using the industrial roll method. Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov, 2013, no. 4(12), pp. 50-55 (In Russian).

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Тян Владимир Константинович, д.т.н, проф. кафедры трубопроводного транспорта, Самарский государственный технический университет.

Комаров Павел Андреевич, главный специалист, ОАО «Самарагипротрубопровод».

Tyan Vladimir K., Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Pipeline

Transport, Samara State Technical University.

Komarov Pavel A., Chief Specialist, Samaragiprotruboprovod JSC.