CC BY
10УДК 621.642.39.03
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО КОЛИЧЕСТВА ТРОСОВ ПОДДЕРЖКИ ДНИЩА ПРИ ПОДЪЕМЕ РЕЗЕРВУАРА
CALCULATION OF THE OPTIMAL NUMBER OF BOTTOM SUPPORT CABLES AT RESERVOIR HOISTING
С. В. Чирков, А. А. Тарасенко, П. В. Чепур
S. V. Chirkov, A. A. Tarasenko, P. V. Chepur
ОАО «Гипротрубопровод» г. Москва
Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень
Ключевые слова: резервуар, подъем резервуара, днище, ANSYS, МКЭ, НДС Key words: reservoir, reservoir hoisting, bottom, ANSYS, FEM, stress-strain state
При проведении ремонтных работ крупногабаритных вертикальных стальных резервуаров в отечественной и зарубежной практике часто используется метод подъема РВС гидродомкратами. Чаще всего такой способ применяется при капитальном ремонте кольцевого фундамента резервуара [1-2]. Однако конструкции существующих резервуаров не проектировались на воздействие сосредоточенных сил в основании (подъемных устройств) [3]. Для того чтобы обеспечить необходимую жесткость резервуара при подъеме, минимизировать деформации окраек и полотнища днища используют дополнительные усиливающие элементы: опорные рамы, кольца жесткости, косынки, подкосы и другие металлоконструкции [4]. Это позволяет сохранить технико-эксплуатационные характеристики основных элементов резервуара (стенки, днища, окрайки, стационарного покрытия) при ремонте, а также обеспечить безопасное проведение ремонтных работ.
72
Нефть и газ
№ 5, 2014
При подъеме резервуара инженеры сталкиваются с проблемой значительных прогибов центральной части днища. Для РВС-20000 диаметром 45,6 м максимальный прогиб в центре составляет около 3 метров. Авторы статьи для решения данной проблемы проанализировали мировой опыт усиления днища резервуара одним из наиболее перспективных способов — натяжением системы тросов. Такой метод используется американской компанией MTS (Mixbros. Tankservices) (рис. 1), что позволяет проводить не только подъем и опускание резервуаров, но и их пространственное перемещение [5].
Рис. 1. Натяжение системы тросов в резервуаре
Однако описанные выше методики подъема разработаны для резервуаров, построенных по стандартам Американского института нефти (API 650), и не могут быть использованы для отечественных конструкций РВС. В России вопросы проектирования, строительства и ремонта резервуаров жестко регламентированы ГОСТ и другими ведомственными документами, что не позволяет использовать для решения задач зарубежную нормативную документацию [6]. На одном из объектов магистрального транспорта нефти Западной Сибири возникла необходимость ремонта фундамента РВС-20000 с подъемом резервуара. Авторы решили усилить днище и окрайку системой тросов перед подъемом, однако для этого необходимо выполнить теоретическое обоснование метода для металлоконструкций РВС-20000.
Днище резервуара является тонкой круглой пластиной, защемленной по контуру и обладающей свойствами мембраны, способной воспринимать упругие деформации много больше ее толщины в направлении нормали. Конструкция узла сопряжения стенки, днища и окрайки резервуара приведена на рис. 2.
Рис. 2. Узел сопряжения стенки, днища и окрайки РВС-20000
Авторами статьи предлагается определить необходимое количество и диаметр натяжных тросов, установить наиболее рациональную конфигурацию точек крепления к днищу. Для этого использован программный комплекс ANSYS, реализующий метод конечных элементов [7-10].
Геометрическая модель днища и окрайки резервуара РВС-20000 выполнена в модуле ANSYS Design Modeller. Расчетная схема отражает реальные граничные условия и нагрузки, действующие при подъеме РВС. Окрайка резервуара жестко защемлена по внешнему контуру; стык центральной части днища и окрайки представляет собой сварной нахлесточный шов, моделируемый связанным контактом типа «bonded» и конечными элементами TARGE170 и CONTA175. Окрайка и днище имеют толщину 6 мм, моделируются оболочечными конечными элементами SHELL 181. Узлы крепления тросов к центральной части днища представляют собой точечный контакт, для которого задается нулевая свобода перемещения. Расчетная схема и конечно-элементная модель с разбиением на сетку представлены на рис. 3 и 4.
[7T] Standard Earth Gravity: 9,80(56 --r:: |B | Fixed Support |C | Fixed Support 2
Рис. 3. Расчетная схема усиления днища РВС-20000 тросами при подъеме:
А — нагрузка от собственного веса; В — жесткое защемление окрайки по контуру; С — точки крепления тросов к центральной части днища
Рис. 4. Конечно-элементная модель днища РВС-20000
Авторами статьи рассмотрено 8 основных комбинаций деформирования днища резервуара с различным количеством точек крепления усиливающих тросов. Для выбора оптимального количества точек крепления тросов была решена задача оптимизации. Для получения целевой функции оптимизации было выполнено 8 расчетов методом конечных элементов в программе А№У8 согласно предложенной расчетной схеме. Количество расчетов является достаточным, поскольку охватывает рассматриваемые предельные зоны деформирования полотна днища. В каж-
дом расчете варьировалось количество тросов (рассмотрены варианты от 0 до 134 тросов) и взаимное расположение точек сопряжения с центральной частью днища.
Полученные результаты (матрицы действующих напряжений и перемещений) позволили составить целевую функцию оптимизации, представленную на рис. 5.
Рис. 5. Функция оптимизации
В качестве критерия оптимальности целевой функции
«y = -7E-10x6 + 4E-07x5
8E-05x4 + 0,0078x3 - 0,2861x2 - 2,2844x + 290,8»
выбраны максимальные перемещения точек днища и окрайки. Достоверность аппроксимации функции — 99,9 %. Для определения оптимального случая расположения точек крепления тросов к днищу авторы, используя целевую функцию, получили зависимости приращения максимальных прогибов от приращения количества узловых точек. То есть на сколько Y процентов уменьшатся прогибы при увеличении количества узловых точек на N процентов. Область, лежащая вблизи точки пересечения графиков этих функций, является оптимальным решением задачи. По графикам на рис. 6, можно сделать вывод, что оптимальным решением является 86 точек крепления.
127,27 30. 30
\32 00 27,91 2 1,82
" —-—_ ---
50
60
130
70 80 90 100 110 120 Количество точек крепления к днищу, шт » Функция приращения количества точек усиления —Функция приращения прогибов
Рис. 6. Функции приращения параметров оптимизации
При этом максимальные прогибы днища составляют 10,5 см. Как видно из графиков, при увеличении точек на 24 шт (28 %) величина прогиба уменьшается на 8,25 %, а при увеличении точек на 48 шт (55 %) величина прогиба уменьшается всего на 15,4 %. Для полученного оптимального варианта с 86 точками крепления тросов представлена схема их сопряжения с днищем РВС-20000 (рис. 7) с указанием необходимых размеров.
Перемещения точек днища и окрайки для случая усиления 86 тросами представлены на рис. 8. Для удобства представления результатов масштаб перемещений по вертикальной оси Ъ выбран 10:1. Также на рис. 9 представлены действующие напряжения в нейтральном слое оболочки для этого же случая.
Рис. 8. Перемещения точек днища и окрайки
Рис. 9. Распределение действующих эквивалентных напряжений в нейтральном слое
оболочек окрайки и днища
В программе ANSYS авторами также был рассчитан запас прочности (Safety Factor) металлоконструкций днища и окрайки в случае усиления тросами по предложенной авторами схеме. Оценивать запас прочности предлагается по пределу текучести стали 09Г2С со значением ст = 325 МПа. Минимальный запас прочности составил FS = 2,64 в точках крепления троса к днищу (в данном случае в поверхностном слое возникает зона увеличенных напряжений до 120 МПа), максимальный -SF =15. На рис. 10 проиллюстрирован запас прочности.
Рис. 10. Запас прочности для окрайки и днища по пределу текучести стали 09Г2С
Определены силы реакции в точках крепления тросов. Вследствие наличия неравномерности распределения нагрузки по точкам, значение сил реакций варьируется от 9,31 до 16,53 кН. При помощи этих данных, авторами выполнен подбор сечения троса для усиления днища при подъеме РВС-20000. Выбран канат стальной по ГОСТ 3066-80 двойной свивки с линейным касанием проволок в прядях с металлическим сердечником диаметром 6,4 мм маркировочной группы — 1 570 Н/мм2 с разрывным усилием всех проволок в канате не менее 30,15 кН.
Таким образом, в ходе исследования создана конечно-элементная модель ок-райки и днища резервуара РВС-20000 для случая подъема резервуара.
• Решена задача оптимального количества усиливающих тросов, получена целевая функция оптимизации. Оптимальное количество точек усиления — 86 шт. с расположением в соответствии со схемой (см. рис. 7).
• Расчетная максимальная величина усилия на 1 трос при подъеме РВС-20000 составила Б = 16,53 кН. Выбрана марка и диаметр троса для усиления днища РВС. Диаметр троса составил 6,4 мм, выбран по ГОСТ 3066-80 с разрывным усилием не менее 30,15 кН.
• Проанализировано изменение напряженно-деформированного состояния днища и окрайки при подъеме резервуара. Максимальные напряжения возникают в зоне контакта днища и тросов: максимальные действующие напряжения в поверхностном слое составляют 123,1 МПа, при этом напряжения в нейтральном слое не превышают 7 МПа.
• Рассчитано значение запаса прочности днища и окрайки по пределу текучести. Значение варьируется в пределах: Б8 = {2,64..15}.
• Полученная модель верифицирована методом, описанным в [11], и может быть использована в качестве расчетно-теоретической основы для практического использования при подъеме резервуара с целью ремонта фундамента либо исправления неравномерной осадки [12].
Список литературы
1. Тарасенко А. А. Разработка научных основ методов ремонта вертикальных стальных резервуаров: дис. докт. техн. наук. - Тюмень, 1999. - 299 с.
2. Тарасенко А. А. Решение контактной задачи об упругом взаимодействии подъемного устройства и стенки резервуара // Известия вузов. Нефть и газ. Тюмень, 1998. -№ 6. - С. 59-63.
3. Тарасенко А. А., Чепур П. В., Чирков С. В. Обоснование необходимости учета истории нагру-жения конструкции при ремонте фундамента с подъемом резервуара // Безопасность труда в промышленности. 2014. №5. С. 60-63.
4. Тарасенко А. А. Напряженно-деформированное состояние крупногабаритных резервуаров при ремонтных работах: дис. канд. техн. наук. - Тюмень, 1991. - 254 с.
5. Тихонов Е. А., Тарасенко А. А., Чепур П. В. Оценка экономической эффективности капитального ремонта основания вертикального стального резервуара методом перемещения // Фундаментальные исследования. 2014. № 6-2. С. 330-334.
6. Тарасенко А. А., Сильницкий П. Ф., Тарасенко Д. А. Противоречия в современной нормативно-технической базе при ремонте резервуаров // Фундаментальные исследования. 2013. - № 10-15. - С. 3400-3403.
7. Тарасенко А., Чепур П. В., Чирков С. В., Тарасенко Д. А. Модель резервуара в среде ANSYS Workbench 14.5 // Фундаментальные исследования. 2013.- № 10-15. - С. 3404-3408.
8. Семин Е. Е., Тарасенко А. А. Использование программных комплексов при оценке технического состояния и проектирование ремонтов вертикальных стальных резервуаров // Трубопроводный транспорт: теория и практика. Москва. 2006. -№ 4. - С. 84-87.
9. Тарасенко А. А., Чепур П. В., Чирков С. В. Исследование изменения напряженно-деформированного состояния вертикального стального резервуара при развитии неравномерной осадки наружного контура днища // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 10-15. - С. 3409-3413.
10. Чепур П. В., Тарасенко А. А., Тарасенко Д. А. Исследование влияния величины выступа окрай-ки на напряженно-деформированное состояние вертикального стального цилиндрического резервуара при развитии неравномерной осадки наружного контура днища // Фундаментальные исследования. -2013. -№ 10-15. - С. 3441-3445.
11. Хоперский Г. Г., Саяпин М. В., Тарасенко А. А. Расчет прочности фундаментного кольца резервуара при воздействии сосредоточенной нагрузки от подъемного устройства // Известия вузов. Нефть и газ. Тюмень. - 1998. -№ 2. - С. 60-64.
12. Тарасенко А. А., Чепур П. В., Тарасенко Д. А. Деформирование верхнего края оболочки при развитии неравномерных осадок резервуара // Фундаментальные исследования. 2014. - № 6-3. - С. 485-489.
Сведения об авторах
Чирков Сергей Владимирович, зам. генерального директора по проектам ТПР и КР, ОАО «Ги-протрубопровод», г.Москва, тел. 89630603663, e-mail: chirkov0210@mail.ru
Тарасенко Александр Алексеевич, д. т. н., профессор кафедры «Транспорт углеводородных ресурсов», Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел. 89088741396, e-mail:a. a. tarasenko@gmail. com
Чепур Петр Владимирович, ассистент кафедры «Транспорт углеводородных ресурсов», Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел. 89199568766, e-mail:chepur@me.com
Chirkov S. V., Deputy General Director of OJSC «Giprotruboprovod», phone: 89630603663, e-mail: chirkov0210@mail. ru
Tarasenko A. A., Doctor of Engineering, professor of the chair «Hydrocarbon resources transport», Tyumen State Oil and Gas University, phone: 89088741396, e-mail:a.a.tarasenko@gmail.com
Chepur. P. V., assistant of the chair «Hydrocarbon resources transport», Tyumen State Oil and Gas University, phone: phone: 89199568766, e-mail: chepur@me.com
