CC BY
32
УДК 624.953
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2021-2-3-46-51
МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ СТЕНКИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ВЕРТИКАЛЬНОГО СТАЛЬНОГО РЕЗЕРВУАРА С КОМПЕНСАТОРОМ НАГРУЗОК В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ SCAD
A METHOD OF CONSTRUCTING AN ISOTHERMAL VERTICAL STEEL TANK WALL WITH COMPENSATOR OF LOADS IN SCAD PACKAGE
А.Ю. Хаев, М.Г. Каравайченко
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8822-6535, E-mail: antonkhaev@gmail.com ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1709-1717, E-mail: kmgnmd@yandex.ru
Резюме: Рассмотрена численная модель изотермического двустенного вертикального стального резервуара для хранения сжиженного природного газа (СПГ), а также методика построения изотермического резервуара численным методом в вычислительном комплексе SCAD. Подробно приведена методика построения конструкции с компенсатором нагрузок для последующего расчета численным методом.
Ключевые слова: двустенный изотермический вертикальный стальной резервуар для хранения СПГ, численная модель и методика построения резервуара, сильфонный компенсатор, вычислительный комплекс SCAD.
Для цитирования: Хаев А.Ю., Каравайченко М.Г. Методика построения стенки изотермического вертикального стального резервуара с компенсатором нагрузок в вычислительном комплексе SCAD // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2021. № 2-3. С. 46-51.
D0I:10.24412/0131-4270-2021-2-3-46-51
Anton YU. Khaev, Mikhail G. Karavaychenko
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8822-6535, E-mail: antonkhaev@gmail.com ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1709-1717, E-mail: kmgnmd@yandex.ru
Abstract: A numerical model of an isothermal double-walled vertical steel tank for storage of liquefied natural gas (LNG) is considered, as well as a method for constructing an isothermal tank by numerical method in the SCAD computing complex. The method of constructing a structure with a load compensator for subsequent numerical calculation is given in detail.
Keywords: double-walled isothermal vertical steel tank for LNG storage, numerical model and method of tank construction, bellows compensator, SCAD computing complex.
For citation: Khaev A.YU., Karavaychenko M.G. A METHOD OF CONSTRUCTING AN ISOTHERMAL VERTICAL STEEL TANK WALL WITH COMPENSATOR OF LOADS IN SCAD PACKAGE. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2021. no. 2-3, pp. 46-51.
DOI:10.24412/0131-4270-2021-2-3-46-51
Введение
В России принят курс на увеличение объемов добычи природного газа с последующим его сжижением и поставкой потребителям. Разработаны и внедрены в производство морские танкеры для транспортировки сжиженного газа единичной вместимостью более 200 тыс. т. Однако в настоящее время недостаточно изучен вопрос хранения сжиженного природного газа (СПГ) при минусовых температурах до -163 °С. Отсутствуют отечественные нормативные документы для проектирования таких резервуаров. Известно, что всевозможные врезки в виде патрубков в цилиндрическую оболочку создают конструктивную нелинейность и концентраторы напряжений. Отсутствуют также аналитические методы расчета оболочек с учетом их нелинейности. Поэтому вопрос создания методики построения изотермического вертикального стального резервуара численным методом является своевременным и актуальным.
Анализ изученности вопроса
В работах [1, 2] приведен анализ схем, рассмотрены инновационные конструктивные решения изотермических резервуаров для хранения сжиженных газов и технология сжижения газа непосредственно в резервуаре. В статье
[3] отмечено отсутствие отечественной нормативной базы, затрагивающей вопросы проектирования установок хранения СПГ. Проведена идентификация опасностей при эксплуатации резервуара, показаны возможные сценарии аварий, смоделированные по результатам анализа реальных аварий на хранилищах СПГ. Сделан обзор конструктивных решений фундаментов резервуаров. Предложены конструктивные решения исполнения фундаментов с системами эффективной сейсмической защиты.
В работе [4] рассмотрены особенности выполнения монтажно-сварочных работ при сооружении изотермических резервуаров. Актуальность вопроса совершенствования конструкций изотермических резервуаров для хранения СПГ подтверждена авторскими свидетельствами и патентами.
Авторское свидетельство SU1333936А1. Изотермический резервуар. Цель изобретения - повышение надежности теплоизоляции в процессе эксплуатации резервуара за счет снижения усадки и уплотнения слоя теплоизоляционного материала. После окончания монтажных работ на наружной стороне внутренней стенки и внутренней стороне наружной стенки устанавливают несущие кронштейны, на которые навешивают гибкие перегородки. На
крючья, установленные по периметру резервуара со смещением, навешивают петли элементов жесткости перегородок, после чего фиксируют последние в нижней части резервуара. Затем производят засыпку межстенного пространства сыпучими материалами.
Патент РФ № 153344. Устройство для хранения сжиженных газов. Полезная модель относится к резервуарам, в частности к теплоизолированным изотермическим резервуарам для хранения сжиженных газов. Устройство содержит внутренний резервуар, который встроен внутрь внешнего резервуара, выполненного с возможностью удержания содержимого внутреннего резервуара в случае аварийной утечки, подвесную крышу и купольную крышу с теплоизоляцией; подвесная и купольная крыши закреплены на стенке внешнего резервуара в ее верхней части, внутренний и внешний резервуары выполнены с общим днищем, размещенным на теплоизолирующем основании из пеностеклоблоков, в котором по окружности нижних оснований стенок внутреннего и внешнего резервуаров установлены пенобетонные кольца с закрепленными поверх них деревянными брусьями. При этом теплоизолирующее основание установлено на железобетонном ростверке, наружная стенка внешнего резервуара закреплена анкерами и укреплена замкнутым кольцом жесткости в месте прикрепления анкеров к стенке, наружная поверхность стенки внешнего резервуара покрыта теплоизолирующим материалом, а нижняя часть стенки внутреннего резервуара жестко соединена с днищем посредством уголков.
Патент РФ № 2641186. Герметичный и изотермический резервуар, содержащий металлическую мембрану с гофрированными ортогональными сгибами. Устройство относится к криогенной технике. Герметичный и изотермический резервуар встроен в конструкцию с несущей стеной, к которой примыкает стена резервуара. Теплоизоляционный барьер установлен на несущей стене и образован изоляционными блоками в форме прямоугольных параллелепипедов, размещенных параллельными рядами, отделенными друг от друга зазорами. Герметичный барьер установлен на теплоизоляционном барьере и содержит металлическую мембрану из металлических листов, герметично сваренных друг с другом.
За рубежом изотермические резервуары проектируют и строят по нормам [5].
Проанализировав публикации и патенты в области хранилищ для СПГ, можно отметить, что в отечественной литературе вопрос моделирования изотермических резервуаров недостаточно освещен.
Цель
Целью данной работы является создание методики построения формы двустенного изотермического резервуара с компенсатором нагрузок для хранения СПГ в вычислительном комплексе SCAD.
Методика построения формы изотермического вертикального стального резервуара для хранения СПГ рассмотрена на примере резервуара объемом 50 000 м3 (рис. 1), диаметром 60,7 м, стенка высотой 18 м. Изотермический вертикальный резервуар содержит внутренний резервуар, изготовленный из хладостойкой стали с содержанием не менее 9% Ni, которая сохраняет энергию разрушения при испытании на ударную вязкость не менее 27 J при температуре ниже -10 °С. Сверху внутренний резервуар закрыт подвесной крышей, ограничивающей объем газов с низкой температурой, и предотвращает их испарение. Наружный резервуар изготавливают из низколегированной стали 09Г2С.
В качестве теплоизоляции используют перлит. Технологические трубопроводы соединены со стенками резервуара через систему компенсации нагрузок и прие-мо-раздаточное устройство. В районах Крайнего Севера, где вечномерзлые грунты, изотермический резервуар
Рис. 1. Общий вид двустенного изотермического резервуара объемом 50 000 м3: 1 - железобетонные сваи; 2 - стальное основание; 3 - изоляция дна (пеностекло); 4 - стальное основание, покрывающее изоляцию; 5 - фундамент; 6 - приемораздаточное устройство ПРУ; 7 - засыпная изоляция (перлит); 8 - наружная обечайка (стальная); 9 - уровень налива СПГ; 10 - внутренняя обечайка (стальная); 11 - пары СПГ; 12 - гибкое изоляционное уплотнение; 13 - подвесное перекрытие (изолированное); 14 - подвеска (трос); 15 -крыша (стальная); 16 - люк замерной; 17 - патрубок вентиляционный; 18 -клапан КДМ; 19 - смотровая площадка; 20 - лестница
сооружают на свайных основаниях. Теплоизоляцию днища резервуара осуществляют с использованием пеностекла.
В современных изотермических резервуарах на площадке 19 устанавливают криогенное оборудование для конденсации паров сжиженного природного газа с применением холодильно-газовой машины для получения и использования вырабатываемого машиной холода, работающей по обратному холодильному циклу Стирлинга. Таким образом, конденсация паровой фазы сжиженного газа реализуется непосредственно в резервуаре.
Благодаря разделению функций между стенками (внутренняя - рабочая, внешняя - несущая), стальные двустенные изотермические резервуары являются надежными объектами в индустрии СПГ. Сборку резервуара производят полистовым методом.
Методика построения изотермического резервуара с компенсатором нагрузок в вычислительном комплексе SCAD
Моделирование конструкции изотермического резервуара начинается с представления его на чертеже общего вида и построения расчетной схемы [6].
Запустим SCAD Office. После запуска вычислительного комплекса нажимаем кнопку Создать новый проект, при этом на экране появится диалоговое окно Новый проект. В нем нужно заполнить Наименование проекта, Организация и Объект. Активировать и назначить единицы измерения с указанием количества знаков после запятой. Назначить нормы проектирования. Выбранное подтвердить кнопкой ОК. На экран выведется дерево проекта. Активировать пункт Расчетная схема, управление перейдет к графическому процессору, который выполняет синтез расчетной схемы.
Инструментальная панель препроцессора включает в себя несколько вкладок: Управление, Схема, Назначения, Узлы и элементы, Загрузки, Группы. Управлять отображением на экране компьютера можно с помощью кнопок Фильтры отображения и Визуализация.
Построение стенки изотермического резервуара. Построение обечайки начинается с создания поверхности вращения. Для этого заходим во вкладку Схема и нажимаем Создание поверхности вращения. Задаем параметры в окне Создание поверхности вращения. Выбираем Вид поверхности - цилиндр, геометрические характеристики, Тип элементов - пластины, задаем высоту 18 м и радиус 30,35 м, разбивку по высоте задаем 18, а по длине окружности 190, для того чтобы получить оболочку, разбитую на конечные элементы размером 1х1 м. Задаем толщину по поясам (1 - 0,023 м, 2 - 0,016 м, 3 - 0,014 м, 4 - 0,011 м, 5-9 - 0,01 м). Задаем также характеристики жесткости для каждого пояса. Для внутренней стенки выбираем нержавеющую сталь с 9% содержанием никеля, способную выдерживать температурные нагрузки от хранимого в резервуаре продукта. При заданных параметрах нажимаем ОК.
Вырез отверстия в обечайке. Для установки приемо-раз-даточного патрубка (ПРП) и сильфонного компенсатора нам потребуется отверстие в обечайке. Для этого на панели справа, отвечающей за отображение видов и вращение конструкции, нажимаем на значок Проекция на плоскость X0Z (Вид спереди). Обечайка будет показана в координатах Z-X. Выбираем в центре резервуара пластину, как
показано на рис. 2 на первом поясе (для более простого определения центра следует включить Отображение общей системы координат на левой панели). С помощью функции Дробление четырех узловых пластин во вкладке Узлы и элементы дробим пластину на квадраты размером 100х100 мм, следовательно, устанавливаем количество разбиений по осям10х10.
Чтобы создать отверстие, переходим во вкладку Узлы и элементы на панели инструментов и выбираем Узлы для построения окружности, которая будет характеризовать отверстие для трубопровода. Нажимаем Гэнерация узлов по дуге и вбиваем следующие данные: количество узлов по дуге 20, конечный угол 360, радиус 0,35 м. Выбираем точку в центре пластины.
Удаляем узлы, которые попали в окружность, далее Узлы и элементы - Элементы - Ввод пластинчатых элементов, выбираем трехузловые пластины для объединения точек, составляющих отверстие листа оболочки, задаем жесткость для первого пояса и соединяем точки окружности с краями пластин. Получаем обечайку с отверстием под трубопровод (см. рис. 2).
Построение наружной стенки. Для построения наружной оболочки воспользуемся методикой, описанной для внутренней стенки со следующими параметрами: высота 20 м и радиус 31,35 м, разбивку на элементы по высоте задаем 20, а по длине окружности 190, для того чтобы получить оболочку, разбитую на конечные элементы размером 1х1 м. В жесткостях пластин выбираем материал легированная сталь и выставляем толщины пластин по поясам (1 -0,026 м, 2 - 0,024 м, 3 - 0,021 м, 4 - 0,019 м, 5 - 0,016 м, 6 -0,014 м, 7 - 0,011 м, 8-10 - 0,01 м).
Чтобы двустенный резервуар работал как одна конструкция, следует связать внутреннюю и наружную стенки. Для этого создадим днище между стенками. Заходим в Узлы и элементы - Узлы - Ввод узлов ставим узел в координаты X = 0, Y = 0, Z = 0 получаем узел в основании центра окружности резервуара после чего в этой же вкладке нажимаем Ввод узлов по дуге окружности, задаем количество узлов по дуге 190, конечный угол дуги 360, радиус 30,35 м, выбираем точку в центре основания. По тем же шагам строим кольцо радиусом 31,35 м. Полученную окрайку, состоящую из точек, оборудуем пластинами. Для создания пластины заходим в Узлы и Элементы - Элементы - Добавление
I Рис. 2. Обечайка с отверстием под трубопровод
пластин. Выделяем четыре точки, находящиеся непосредственно вблизи, для получения пластины.
Далее на левой панели выбираем Отметку группы элементов и выделяем пластину, во вкладке Схема - Копирование фрагментов схемы задаем циклическую симметрию вокруг оси Z. Количество шагов у нас будет равно 189, угол -1,8947368421 град (так как по окружности у нас будет 190 элементов, то 360/190=1,8947368421 град - угол, занимаемый одной пластиной).
Объединяем оболочки с основанием через сборку. В файле с основанием открываем Схема - Режим сборки -Загрузка подсхемы, под схемой выбираем внутреннюю оболочку, привязка по двум узлам, два ближних узла выбираем на внутреннем кольце, а третий узел выбираем в центре (устанавливает плоскость присоединения). Проделываем те же операции для внешней обечайки, загрузив ее как подсхему.
Во внешней обечайке следует вырезать отверстие так же, как и во внутренней, следуя пунктам, описанным для внутренней стенки.
Для отверстий требуется укрепляющая пластина, понижающая концентрацию напряжений. Сохраняем сегмент обечайки (квадрат 3х3) в отдельный файл.
Построение укрепляющих пластин. Для построения укрепляющей пластины разделим блок на внутренний и внешний и каждый сохраним по отдельности. Начинаем с построения пластины на внутренней обечайке, для удобства поставим точку в середине окружности через функцию Узлы и элементы - Узлы - Ввод дополнительных узлов между узлами далее - Узлы и элементы - Узлы - Генерация узлов по дуге, задаем 20 узлов с радиусом 0,7 м, далее, чтобы точки на левой и правой сторонах примыкали к пластинам, с помощью отметки группы узлов выделяем их.
В той же вкладке находим функцию Перенос узлов в заданную плоскость - Перенос в плоскость, указываем плоскость тремя точками.
I Рис. 3. Укрепляющее кольцо
Теперь выделенные точки принадлежат выбранной плоскости, проделываем те же операции с правой частью. После этого можно приступать к заданию пластин. Так как верхние и нижние точки лежат в одной плоскости с точками отверстия, то с помощью функции Узлы - Добавление пластин (для удобства пока не стоит выбирать жесткость пластин) соединяем в четырехузловые плиты.
Для левой и правой части воспользуемся трех- и четыре-хузловыми плитами чтобы соблюсти правильность построения в одной плоскости. Останется лишь соединить между собой разные плоскости.
Повторяем для правой части и удаляем ненужные фрагменты, для этого на панели с элементами сортируем по жесткости и с помощью Выбор объектов в схеме через таблицы выбираем все элементы, имеющие жесткость и удаляем их, получаем укрепляющее кольцо (рис. 3).
Проделываем те же действия с отверстием во внешней обечайке и получаем укрепляющее кольцо для внешней стенки.
Построение сильфонного компенсатора. Приступаем к построению сильфонного компенсатора. По аналогии построения предыдущих фрагментов создаем новый файл для компенсатора. Далее Узлы и Элементы - Узлы - Ввод узлов ставим узел в начале осей координат, после чего Узлы и Элементы -Узлы - Генерация узлов по дуге. Так как отверстие в обечайке имело 20 узлов то здесь задаем также 20 узлов с радиусом 0,35 м (диаметр технологического трубопровода для резервуара составляет 700 мм, а высота сильфона над трубопроводом 20 мм), строим от точки начала координат. Через ту же функцию задаем все те же параметры, но заменяем радиус 0,37 м и привязку производим по координатам со смещением по оси Y на 0,018 м (диаметр изгиба гофры составляет 18 мм, следовательно, точка на расстоянии 0,018 м будет вершиной гофры). Строим первоначальную окружность со смещением по оси Y на 0,036 м (точка впадины гофры), получаем кольцо из точек с угловым сечением.
I Рис. 4. Сильфонный компенсатор, прикрепленный к обечайке
Объединяем в пластину один элемент кольца. Узлы и Элементы - Элементы - Добавление пластин выбираем четырехузловые пластины.
На левой панели выбираем Отметку групп элементов и выделяем пластины. Через Схема - Копирование фрагмента схемы выбираем циклическую симметрию вокруг оси Y, ставим галочки на Удалять совпадающие узлы и элементы, задаем 19 шагов с углом 18° (окружность будет состоять из 20 элементов, следовательно, 360/20=18° - угол который будет занимать один элемент), если совпадающие узлы все-таки остались, то через Узлы и Элементы -Объединение совпадающих узлов объединяем их.
Схема - Копирование схемы. Копируем по оси Y с шагом 0,036 м в количестве 12 штук.
Данная конструкция составляет в длину 432 мм, для монтажа нужно обеспечить ее патрубками. Схема -Создание поверхностей вращения. Создаем трубу радиусом 0,35 м длиной 0,284 м с 4 элементами по высоте и 20 по окружности. Через сборку прикрепляем с двух сторон.
Возвращаемся на основную схему и вызываем режим сборки. На панели выбираем Загрузка подсхемы.
Выбираем сильфонный компенсатор и с помощью сборки по трем узлам прикрепляем компенсатор к обечайке (рис. 4).
Для удобства вырезанный узел с укрепляющими пластинами оборудуем сильфонным компенсатором через режим сборки.
Из основного чертежа удаляем узел, где будет находится технологический трубопровод, и через режим сборки вставляем компенсатор с отверстиями, усиленными кольцами, полученная схема представлен на рис. 5.
В основании резервуара находится сэндвич из бетона, пеностекла и металла. Для сохранения тепла в основании устанавливаются блоки из пеностекла с плотностью 125 кг/м3, теплопроводностью 0,048-0,049 Вт/(м-К),
I Рис. 5. Две стенки резервуара с сильфонным компенсатором
материал, устойчивый к воздействию кислот и их паров, также абсолютно негорючий.
Заключение
1. Разработана численная модель конструкции изотермического резервуара объемом 50 000 м3для хранения СПГ, состоящего из двух стенок и компенсатора нагрузок на технологический трубопровод, в вычислительном комплексе SCAD.
2. Представлена методика построения конструкции оболочки двустенного изотермического резервуара с технологическим трубопроводом и сильфонным компенсатором.
На основе представленного материала будет выполнен анализ напряженно-деформированного состояния изотермического резервуара с учетом конструктивной и физической нелинейности, который мы планируем опубликовать в следующей статье.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мустафин Ф.М., Жданов Р.А., Каравайченко М.Г. и др. Резервуары для нефти и нефтепродуктов. Т. 1. Конструкции и оборудование: учеб. для вузов. СПб.: Недра, 2010. 480 с.
2. Ханухов Х.М., Алипов А.В., Четвертухин Н.В. Конструкционные методы снижения риска при эксплуатации изотермических резервуаров для хранения СПГ // Вести газовой науки. 2017. № 1(29). С. 249-258.
3. Ханухов Х.М., Четвертухин Н.В., Алипов А.В. и др. Инновационные конструктивные решения изотермических резервуаров для хранения сжиженных газов / Мат. междунар. конф. «Совершенствование проектирования и строительства металлических резервуаров». Уфа: Изд-во «Нефтегазовое дело», 2019. С. 3-13.
4. Белоев М.Г., Лолов Н. Некоторые технологические особенности выполнения монтажно-сварочных работ при сооружении изотермических резервуаров / Мат. междунар. конф. «Совершенствование проектирования и строительства металлических резервуаров». Уфа: Нефтегазовое дело, 2019. С. 13-24.
5. API STD 620 «Design and construction of large, welded, low-pressure storage tanks» 12 edition, oct. 2013.
6. Карпиловский В.С., Криксунов Э.З., Маляренко М.А. и др. SCAD Office. Вычислительный комплекс SCAD. М.: ACB, 2008. 592 с.
REFERENCES
1. Mustafin F.M., Zhdanov R.A., Karavaychenko M.G. Rezervuary dlya nefti i nefteproduktov. T. 1. Konstruktsii i oborudovaniye [Reservoirs for oil and oil products. Vol. 1. Structures and equipment]. St. Petersburg, Nedra Publ., 2010. 480 p.
2. Khanukhov KH.M., Alipov A.V., Chetvertukhin N.V. Structural methods of risk reduction during the operation of isothermal storage tanks for LNG. Vestigazovoy nauki, 2017, no. 1(29), pp. 249-258 (In Russian).
3. Khanukhov KH.M., Chetvertukhin N.V., Alipov A.V. Innovatsionnyye konstruktivnyye resheniya izotermicheskikh rezervuarov dlya khraneniya szhizhennykh gazov [Innovative design solutions for isothermal storage tanks for liquefied gases]. Trudy Mezhd. konf. «Sovershenstvovaniyeproyektirovaniya istroitel'stva metallicheskikh rezervuarov» [Proc. of Int. conf. "Improving the design and construction of metal tanks"]. Ufa, 2019, pp. 3-13.
4. Beloyev M.G., Lolov N. Nekotoryye tekhnologicheskiye osobennosti vypolneniya montazhno-svarochnykh rabot pri sooruzhenii izotermicheskikh rezervuarov [Some technological features of installation and welding works during
the construction of isothermal tanks]. Trudy Mezhd. konf. «Sovershenstvovaniye proyektirovaniya i stroitel'stva metallicheskikh rezervuarov» [Proc. of Int. conf. "Improving the design and construction of metal tanks"]. Ufa, 2019, pp. 13 -24.
5. API STD 620 «Design and construction of large, welded, low-pressure storage tanks» 12 edition. 2013.
6. Karpilovskiy V.S., Kriksunov E.Z., Malyarenko M.A. SCAD Office. Vychisliteinyy kompleks SCAD [SCAD Office. SCAD computing complex]. Moscow, ACB Publ., 2008. 592 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Хаев Антон Юрьевич, магистрант кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Каравайченко Михаил Георгиевич, д.т.н, проф. кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Anton YU. Khaev, Undergraduate of the Department of Construction and Repair of Gas and Oil Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities, Ufa State Petroleum Technological University. Mikhail G. Karavaychenko, Dr Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Construction and Repair of Gas and Oil Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities, Ufa State Petroleum Technological University.
2-3 • 2021
51
