CC BY
18
ментов. Произведено ранжирование инструментов - упорядочивание множества ТехОб, которое реализовано без использования трудоемких операций оптимизации, а это в свою очередь позволяет оперативно формировать комплекты оборудования по мере возникновения потребностей.
Список литературы
1. Рыжкович В.П., Гавзов В.В., Савельев М.А., Симаньков М.Д. Обоснование направлений развития подвижных ремонтных мастерских вооружения и военной техники Воздушно-десантных войск // Военная Мысль. 2021. №4. С. 80 - 92.
2. Куратовский К. А. Теория множеств. М.: Изд-во Мир, 1970. 416 с.
3. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учебник для вузов. М.: Изд-во Юрайт, 2020. 479 с.
Гавзов Василий Викторович, адъюнкт, vdvgvv79@mail.ru, Россия, Рязань, Рязанское гвардейское высшее воздушно-десантное командное училище
SIMULATION OF SETS OF TECHNOLOGICAL EQUIPMENT FOR MOBILE REPAIR
VEHICLES OF AIRBORNE TROOPS
V.V. Gavzov
The theoretical basis for the formation of sets of technological equipment in mobile repair vehicles for samples of military equipment of the Airborne Troops under certain restrictions on its composition is proposed. The formation procedure is preceded by an analysis of the available set of tools for its versatility and relevance.
Key words: mobile means of repair, technological equipment, complete set, mathematical model, ordering, ranking.
Gavzov Vasily Viktorovich, adjunct, vdvgvv 79@ mail. ru, Russia, Ryazan, Ryazan Guards Higher Airborne Command School
УДК 620.172.21; 621.64 Б01: 10.24412/2071-6168-2021-4-108-114
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
КОНИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Ю.В. Щипкова
Сбор подтоварной воды из резервуара - актуальная проблема современной практики эксплуатации резервуаров. Предлагается использование системы отвода подтоварной воды из резервуара с днищем, имеющим форму конуса с уклоном к центру резервуара. Изменение конструкции днища ведет к изменению напряженно-деформированного состояния, которое необходимо проанализировать в программном продукте Ansys. По результатам анализа сделан вывод о целесообразности применения предлагаемой системы отвода.
Ключевые слова: резервуар, напряженно-деформированное сотстояние, подтоварная вода.
Резервуар для хранения нефти и нефтепродуктов является сложным инженерно-техническим сооружением, предназначенное для приема, хранения и выдачи нефти и нефтепродуктов.
При хранении нефти и нефтепродуктов в резервуарах происходит стратификация жидкостей по плотностям, вследствие чего, в нижней части резервуара скапливается так называемая подтоварная вода, содержащая растворенные соли. Кроме того, зачастую в состав хранящейся в резервуаре нефти содержится сера, т.е. подтоварная вода представляет собой слабый раствор серной кислоты.
Длительный контакт подтоварной воды с внутренней поверхностью резервуара, в застойных зонах (при неравномерной осадке основания в процессе эксплуатации), приводит к тому, что днище и нижний пояс стенки резервуара подвергаются ускоренной коррозии [1]. Возникает потребность в защите внутренней поверхности нижнего пояса и днища от коррозии.
Согласно [1] было предложено оборудовать резервуары водосборником: в днище резервуара врезается специальный водосборник диаметром около 1 м и глубиной 70...80. Таким образом, по замыслу авторов локализуется площадь в пределах которой сосредотачивается подтоварная вода, кроме того возможно оборудовать водосборник датчиками уровня и сигнализатором раздела фаз. Недостатком такой системы можно назвать усложнение конструкции днища, появление нового концентратора напряжений на днище резервуара - водосборника, а также создание макрокоррозион-ной пары дифференциальной аэрации в области раздела фаз в водосборнике, что также снижает коррозионную надёжность днища резервуара.
На рис. 1 показан схематично вариант использования водосборника в автоматизированной системе отвода подтоварной воды из резервуара [2], в которую входят: электроды 1, вентиль 2, блок-реле 3, блок автоматики 4, блок индикации 5, клапан 6, дренажная труба 7, приямок-водосборник 8.
Аналогичные схемы можно найти в работе [3-4].
Таким образом, недостатком всех существующих схем является образование застойных зон скопления «подтоварной воды» в наиболее нагруженных участках днища резервуара.
Рис. 1. Резервуар, оборудованный системой автоматического дренирования подтоварной воды
Размещение патрубка 1 под коническим днищем резервуара 2 (рис. 2), как показано в работе [5], также не может быть признано эффективным решением, так как не смотря на увеличение полезного объёма резервуара ухудшается контроль за состоянием патрубка, что в купе с его размещением в грунте существенно увеличивает вероятность утечек через уплотнительные поверхности и коррозионные дефекты.
Рис. 2. Схема размещения патрубка под днищем резервуара
109
Анализируя недостатки существующих систем отвода подтоварной воды можно сформулировать идеальный конечный результат совершенствования днища схемы отвода воды:
подтоварная вода равномерно стекает к одной из точек резервуара;
в точке отбора подтоварной воды должно быть углубление для эффективной работы водоспускного сифонного крана;
отвод воды производится в автоматическом режиме.
Данный технический результат может быть достигнут при изменении конструкции днища резервуара: днище должно быть выполнено в виде конуса и иметь уклон к центру.
Рис. 3. Устройство для удаления подтоварной воды из резервуара
В работе [6] предлагается выполнить днище резервуара для хранения нефти и нефтепродуктов в виде конуса, при этом вершина конуса является центром днища резервуара и обеспечивает скопление подтоварной воды.
Устройство работает следующим образом: в нижней части резервуара образуются застойные зоны скопления «подтоварной воды» «Ш», образующиеся в результате хранения нефти и нефтепродуктов в наиболее нагруженных участках резервуара, что дает подтоварной воде максимально сконцентрироваться в нижней зоне днища резервуара - т.к. удельный вес нефти меньше удельного веса воды. В застойной зоне «Ш», в которой расположен датчик «С» (рис. 3, поз. 3), положения межфазного уровня «нефть-вода». При наличии подтоварной воды в зоне «Н1» срабатывает датчик «С» и посылает сигнал на блок управления «БУ», который в свою очередь включает насосную установку откачки «НУО», осуществляющую откачку «подтоварной воды» из резервуара через трубопровод, один конец которого был расположен на расстоянии И от центра днища, для обеспечения отсоса подтоварной воды из зоны скопления «Н1», а другой герметично закреплен в боковой стенке резервуара и через анализатор «А» соединен с насосной установкой откачки «НУО», который в свою очередь трубопроводом соединен с регулятором расхода «подтоварной воды» «РР», а насосная установка откачки «НУО», регулятор расхода «подтоварной воды» «РР», анализатор «А» и датчик положения межфазного уровня «Нефть-вода» «С» связаны электрической связью между собой и с блоком автоматического управления «БУ». Форма трубопровода 4 может быть различна, основное требование к нему: обеспечение отсоса «подтоварной воды» из зоны скопления «Н1». Откачиваемая «подтоварная вода» проходит через анализатор «А» 5 для определения степени отбора и качества очистки «подтоварной воды» и посылает сигнал на блок управления «БУ» 8 доя остановки насосной установки откачки «НУО» 6 и анализирует наличие «подтоварной воды» в трубопроводе 4.
Существенными отличительными признаками заявленного резервуара для нефти и нефтепродуктов являются:
днище резервуара выполнено конусообразным с уклоном от периферии; резервуар снабжен трубопроводом для откачки подтоварной воды; на линии откачки трубопровода установлены: анализатор качества, насос откачки, регулятор контроля расхода;
блок автоматического управления;
110
датчик, регулирующий положение меж фазного уровня «нефть-вода». Изменение направления конусности днища даёт возможность собрать подтоварную воду непосредственно в районе углубления в его центре, что понижает вероятность откачки вместе с подтоварной водой и части товарной нефти. В свою очередь в последнее время интерес именно к такой конструкции днища возрастает, а опыт эксплуатации резервуаров с уклоном днища к центру не накоплен.
Вследствие чего, актуальным является исследование напряжённо-деформированного состояния при помощи численного эксперимента.
В работах [7-8] изложено обширное экспериментальное и численное исследование напряжённо-деформированного состояния нефтяных резервуара типа РВСПК. Напряжения в оболочке и днище измеряются при помощи специальных датчиков. Для изучения влияния ключевых факторов, влияющих на напряжённо-деформированное состояние: используется конечно-элементная модель. Выбор и обоснование конечных элементов подтверждается соотнесение расчётных и экспериментальных данных.
Для анализа напряжённо-деформированного сосотояния в данной работе используется метод конечных элементов (МКЭ), позволяющий решать широкий спектр физических задач, которые математически формулируются с помощью систем дифференциальных уравнений. Систему уравнений, полученную с помощью МКЭ для рассматриваемой статической линейно-упругой модели, можно считать системой линейных алгебраических уравнений.
Объектом исследования был выбран ряд резервуаров объемами от 5000м3 до 50000м3 с номинальными размерами в соответствии с [9].
В качестве различных вариаций было решено использовать следующие значения углов уклона днища резервуара от 2 до 20 градусов.
Создание математической модели РВС и расчеты конструкции проводятся с использованием программного комплекса ANSYS Workbench 15.0.
Геометрия модели сильно упрощена, некоторые ее элементы опущены, в связи с их не значительным влиянием на поведение основной конструкции (рис. 4). В состав модели входят такие элементы как: стенка резервуара; днище резервуара; грунтовая подушка; глиняное основание.
Геометрия днища резервуара с углом уклона 0 градусов представлена на рис. 4, а); 8 градусов - на рис. 4, б).
Рис. 4. Геометрия модели днища резервуара: а — с углом 0 градусов;
б — с углом 8 градусов
Сталь используем 09Г2С, как наиболее распространенную в данной отрасли и с достаточными показателями прочности и пластичности.
Грунт для насыпной подушки - песчаный насыпной средней крупности. В качестве грунтового основания выступает глина.
111
Стенки, днище резервуара моделируются оболочечными элементами.
Песчаная подушка и грунтовое основание моделируются как твердые тела.
Далее геометрия разбивается на конечные элементы.
Приложенные нагрузки и граничные условия на основную конструкцию состоят из:
фиксированное ограничение перемещений, перемещение запрещено во всех направлениях для основания грунта на глубине 10 м.;
ограничение перемещения верхнего пояса резервуара под воздействием крыши;
сила, оказывающая давление на верхний пояс резервуара, по величине соответствующая суммарной нагрузке от веса сферической крыши и снеговой нагрузке;
гидростатическое давление продукта;
земное притяжение указывается для учета собственного веса конструкции.
В результате анализа полученных результатов по окончанию расчета основной задачи, в частности резервуара, были получены напряжения и деформации возникающие в резервуаре. Результаты расчета в виде графической интерпретации в световой градации представлены на рис. 5, а - 6, а для резервуаров с углом уклона днища 0 градусов, и 5, б - 6, б - с углом уклона днища 8 градусов.
TvOt^Jhiii- -Х-HII.I >II
Рис. 5. Эквивалентные напряжения (по Мизесу) в резервуаре: а - с углом 0 градусов; б — с углом 8 градусов
Рис. 6. Общие деформации в резервуаре: а — с углом 0 градусов;
б — с углом 8 градусов
При анализе напряжённо-деформированного состояния резервуаров с плоским днищем в пост процессорной обработке выявлено незначительное изменение напряжений по днищу резервуара. Основные напряжения сконцентрированы в уторном узле. При этом при равномерной осадке все точки несущих конструкций резервуара имеют одинаковые перемещения.
Совершенно другая ситуация возникает при расете резервуара с коническим днищем с уклоном от перефирии к центру, обусловленным наличием системы отвода подтоварной воды. В ходе анализа напряжённо-деформированного состояния не было выявлена концентраций напряжений. Однако, картина перемещений изменится кардинально. При этом максимальные перемещения, приходятся на середину радиуса.
Результаты расчета в виде графической интерпретации в световой градации для резервуаров объемом 20000 м3 с углами уклонов днища от 0 до 15 градусов представлены на рис. 7. Графики для резервуаров других объемов аналогичны.
Рис. 7. Возникающих напряжений с предельно допустимыми значениями в резервуаре с углами уклона днища от 2 до 15 градусов при номинальном объёме 20000 м3
Были проведены практические испытания резервуара с углом уклона днища 2.. .3 градуса на НПС Ухта-2 АО «Транснефть-Север».
В процессе испытаний выявлены следующие особенности:
эффективно проводился отбор подтоварной воды при помощи предложенной системы отбора подтоварной воды в течении 10 лет;
при вскрытии резервуара, парафинистые отложения практически отсутствовали;
для эффективного отбора подтоварной воды из РВС 5000 м3 достаточно использовать одно ПРУ, находящееся в нижней части резервуара.
После испытания и очистки РВС была произведена диагностика уторного шва. Результаты диагностики показали, что уторный шов претерпел деформации в пределах.
Поскольку испытания РВС с углом уклона 2-3 градуса и объемом 5000 м3 были успешны, то данная конструкция может быть предложена для резервуаров больших объемов.
В ходе проведения исследования напряжённо-деформированного состояния стенки и днища резервуара в пакете ANSYS Workbench создана геометрической модели и модели награждения несущих конструкций резервуара с учётом элементов системы отвода подтоварной воды и произведён расчёт напряжённо-деформированного состояния резервуара с учётом элементов системы отвода.
В ходе анализа результатов расчёта было выявлено, что основная нагрузка при эксплуатации резервуаров такого рода приходится на центральную часть днища. Вместе с тем, практическое исследование такой конструкции показала её работоспособность.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы была разработана и предложена новая перспективная системы отвода подтоварной воды, основанная на использовании конической конструкции днища с уклоном к центру и установкой в проблемной области дополнительной конструкции, обеспечивающей большую прочность днища и более полный отвод подтоварной воды, а также возможность автоматизации указанных работ.
В процессе эксплуатации резервуара выявлено, что в ходе откачки подтоварной воды из резервуара происходит одновременный отвод нефтешламма из полости РВС, что позволяет сократить время очистки РВС в 2 раза.
Следовательно, предложенная конструкция днища РВС эффективна, работоспособна и может быть реализована для резервуаров объемом 5000 ... 50000 м3.
Список литературы
1. Брейман М.И. Безопасная эксплуатация оборудования на открытых площадках. М.: Химия, 1978. 208 с.
2. Губайдуллин М.М., Новиков В.И., Гудцов И.Э. Снижение загрязнения воздуха на установках первичной переработки нефти. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1985. 45 с.
3. Кузьмин С.Т., Липавский В.Н., Смирнов П.Ф. Справочник. Промышленные приборы и средства автоматизации в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: Химия, 1987. 272 с.
4. Дианов В.Г. Автоматизация производственных процессов нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности: учеб. пособие для нефтехим. специальностей вузов. М.: Химия, 1968. 327 с.
5. Резервуар цилиндрический для хранения нефтепродуктов: пат. 2348576. Российская Федерация, МПК7 B65D 88/34 (2006.01), E04H 7/02 (2006.01) / А С. Шацкий, А.Ф. Луцык, Р.Д. Габелая, А.В. Ивакин; заявитель и патентообладатель А.С. Шацкий, А.Ф. Луцык, Р.Д. Габелая, А.В. Ивакин. -№2007119164/12; заявл. 23.05.2007; опубл. 10.03.2009. Бюл. № 7. 3 с.
6. Устройство для удаления подтоварной воды из резервуара: пат. 151321. Российская Федерация, МПК7 B65D 88/12 (2006.01) / В. В. Токарев, М.В, Кучеренко, Д.П. Похлебаева; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет». № 2014124470/12; заявл. 16.06.2014; опубл. 27.03.2015. Бюл. № 9. 3 с.
7. Experimental and numerical investigation of stress in a large-scale steel tank with a floating roof / Lei Shi, Jian Shuai, Xiaolin Wang, Kui Xu // Thin-Walled Structures, Volume 117, 2017. P. 25-34.
8. Stress/strain state investigations for extreme points of thin wall cylindrical tanks / Konstantin Rasiulis, Antanas Sapalas, Romualdas Vadluga, Michail Samofalov // Journal of Constructional Steel Research. Volume 62, Issue 12, December 2006. P. 1232-1237.
9. ГОСТ 31385-2016. Резервуары вертикальные цилиндрические стальные для нефти и нефтепрдуктов. Общие технические требования. М.: Стандартинформ, 2016. 96 с.
Щипкова Юлия Владимировна, старший преподаватель, ylia_sipkova@mail.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет
INVESTIGA TION OF THE STRESS-STRAIN STA TE OF CONICAL PARTS BY THE FINITE
ELEMENT METHOD
Yu. V. Shchipkova
Collection of raw water from the tank is an actual problem of modern practice of tank operation. In this article, we propose the use of a system for draining raw water from a tank with a bottom shaped like a cone with a slope to the center of the tank. Changing the design of the bottom leads to a change in the stress-strain state, which must be analyzed in the Ansys software product. Based on the results of the analysis, a conclusion is made about the feasibility of using the proposed diversion system.
Key words: reservoir, stress-strain state, substandard water.
Shchipkova Yulia Vladimirovna, senior lecturer, ylia sipkovaamail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
