CC BY
74
УДК 622.692.2.07 https://doi.org/10.24411/0131-4270-2019-10405
СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ РЕЗЕРВУАРА ИЗ ТРЕХСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ
CREATING A TANK MODEL FROM OF THREE-LAYER PANELS
Т.Р. Насибуллин
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/ 0000-0003-4463-1958, E-mail: [email protected]
Резюме: Выбрана геометрия и приведена расчетная схема резервуара из трехслойных панелей. Построена и верифицирована численная модель трехслойного резервуара.
Ключевые слова: резервуар, трехслойная панель, модель.
Для цитирования: Насибуллин Т.Р. Создание модели резервуара из трехслойных панелей // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2019. № 4. С. 25-30.
DOI: 10.24411/0131-4270-2019-10405
Timur R. Nasibullin
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/ 0000-0003-4463-1958, E-mail: [email protected]
Abstract: The geometry is selected and the design scheme of the tank of three-layer panels is shown. A numerical model of a three-layer reservoir is constructed and verified.
Keywords: tank, three-layer panel, model.
For citation: Nasibullin T.R. CREATING A TANK MODEL FROM OF THREE-LAYER PANELS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2019, no. 4, pp. 25-30.
DOI: 10.24411/0131-4270-2019-10405
Введение
Для выбора новых конструктивных форм резервуара есть определенные критерии:
- обеспечение оптимального режима работы основных элементов;
- снижение удельного расхода материала на единицу объема;
- технологичность изготовления и монтажа конструкции;
- применение типовых конструкций с максимальной унификацией элементов [1].
Актуальность
В [2] приведен максимальный объем резервуара 120 000 м3. В [3] максимальный объем составляет 50 000 м3. Максимальный объем резервуаров отечественного производства, находящихся в эксплуатации, - 50 000 м3 Это связано с тем, что при использовании стали 09Г2С для резервуара объемом 100 000 м3 толщина стенки нижнего пояса превышает 50 мм, а в [2] разрешено строительство резервуаров с толщиной стенки до 40 мм. На данный момент нет нормативных отечественных документов на строительство резервуаров объемом более 50 000 м3, когда в настоящее время вместимость супертанкеров более 320 000 т. Таким образом, стоит задача разработки импортозаменяе-мой конструкции резервуара объемом более 50 000 м3.
В связи с этим далее будет рассматриваться возможность использования трехслойных панелей для конструкции стенки. Трехслойная конструкция - это составная конструкция, включающая в себя два несущих слоя и заполнитель, который расположен между элементами каркаса и несущими слоями.
Расчетные модели трехслойных панелей сложнее, чем однослойные. Это связано с тем, что каждая обшивка рассматривается как тонкая пластинка, а заполнитель, имеющий большую толщину, может быть представлен как трехмерное тело. При изгибе трехслойных пластин основным видом деформации заполнителя, обеспечивающего совместную работу несущих слоев, является сдвиг [4].
Цель текущего исследования: построение модели резервуара из трехслойных панелей.
Задачи:
- выбор геометрии резервуара;
- построение расчетной схемы;
- определение действующих нагрузок;
- определение сходимости модели.
Выбор геометрии и построение расчетной схемы
На схеме (рис. 1) показаны:
- диаметр резервуара D = 60,7 м;
- высота купола f = 10,6 м;
| Рис. 1. Геометрическая схема резервуара
- высота стенки H = 18 м;
- радиус купола R = 0,8D = 48,56 м;
- радиус внутренней стенки R1 = 30,35 м;
- радиус внешней стенки R2 = 31,68 м.
В узле А отдельно рассматривается стеновая трехслойная панель (рис. 2).
Здесь a - длина панели = 8 м; b - ширина панели = 2 м; с - расстояние между панелями = 1,33 м.
На рис. 3 показана панель в направлении взгляда Б и размеры элементов пирамиды. Для того чтобы найти основные размеры, обратимся к рис. 4. AD = >/2 • 1,33 = 1,88 м;
AS = SD = AD/2 = 0,94 м;_
OA = OB = OC = OD = ^0,942 +1,332 w = arccosw = 54,72°
с = OS = 1,33 м - расстояние между панелями; l = ОА = ОB = OC = OD = 1,62 м - длина стержня; d = AB = AC = BD = DC = 1,33 м - сторона квадрата в основании пирамиды; w = 54,76° - угол наклона стержней. Следующим шагом является построение расчетной схемы резервуара и определение нагрузок (рис. 5).
По методике [3] выполняется расчет резервуара объемом 50 000 м3 на прочность и устойчивость с учетом всех действующих нагрузок:
- Ргидр при высоте налива жидкости 16 м, максимальное значение 156,96 кПа;
- S - снеговая нагрузка для V снегового района, на стенку - 2,98 кПа [3, 5];
- w - ветровая нагрузка для II ветрового района, на стенку - 0,85 кПа [5];
- Ркр - масса крыши, 3,68 кН/м.
Здесь Ргидр - гидростатическое давление жидкости; w -ветровая нагрузка; Ркр - вес крыши; и - снеговая нагрузка в зависимости от варианта действия. N - растягивающая сила; Qj - поперечная сила; М, - изгибающий момент.
Построение модели резервуара в программе SCAD Office
В работах следующих авторов [6-8] рассматривается моделирование резервуаров в программных комплексах для решения определенного круга задач.
Все авторы сравнивают построенную модель с моделью С.П. Тимошенко для цилиндрической оболочки, на которую воздействуют нагрузки, затем сравнивают полученные значения деформаций или напряжений в стенке. Поэтому необходимо определиться с размером конечного элемента стенки резервуара в модели. Для этого строится модель верхнего и нижнего поясов резервуара. При расчете симметричных конструкций есть возможность упрощения и ускорения решение задачи, а именно: создать расчетную модель не всей конструкции, а только ее части (не больше половины), причем действие отброшенной части резервуара учитывается наложением в местах разъединения частей опорных связей, которые дают возможность определить реальное напряженно-деформированное состояние конструкции.
Модель стенки нижнего пояса представлена на рис. 6. Здесь радиус резервуара R = 30,35 м, толщина стенки
| Рис. 2. Трехслойная панель
Рис. 3. Размеры элементов пирамиды
Рис. 4. Элемент пирамиды
--^ D
пояса h = 28 мм, высота пояса Н = 2 м. Размер конечного элемента 0,25x0,25 м.
Для учета отброшенной части задаем связи в узлах (рис. 7).
Горизонтальные верхние узлы вдоль оси У закрепляем по 7, их, иу (этим учитываем остальные пояса). Горизонтальные нижние узлы вдоль оси У закрепляем по всем шести степеням свободы (этим учитываем днище). Вертикальные узлы закрепляем по У, их, Ш (для учета действия отброшенной части пояса).
Задаем гидростатическую нагрузку на стенку нижнего пояса от 137,34 кПа до 156,96 кПа (рис. 8).
Выполняем расчет. После проведения расчета сравниваем результаты с аналитическими.
£
с
| Рис. 5. Расчетная схема
| Рис. 6. Модель первого пояса стенки
Модель верхнего пояса выглядит аналогично. Отличие - в назначении связей в узлах и нагрузке. Здесь не будет связей в верхних узлах вдоль направления Y. Нагрузка от крыши равна 3,68 кН/м (рис. 10). Также будет учитываться нагрузка от собственного веса стенки (рис. 11).
На рис. 12 и 13 представлены значения эквивалентных напряжений. Сравнение результатов расчета представлено в табл. 2.
Из табл. 2 также видно, что погрешность в расчетах меньше 5%, следовательно, размер конечного элемента для стенки резервуара принимаем 0,25x0,25 м.
Далее строится полная модель резервуара с учетом ветрового кольца шириной 1300 мм и толщиной 8 мм с уголками сечением 75x6 мм, колец жесткости в местах соединения стержней и стенки аналогичным профилем 125x16 мм, стержнями пирамид круглым полым сечением 50x6 мм (рис. 14). Толщины стенок поясов задаются с учетом расчета на прочность и устойчивость (табл. 3), действующие нагрузки указаны выше. Узлы нижних поясов закрепляются по всем степеням свободы.
Построенная модель в дальнейшем будет использована для решения следующих задач:
- определение усилий в стержнях и подбор их сечений по поясам резервуара;
| Рис. 7. Назначение связей в узлах
На рис. 9 представлены перемещения в узлах пояса. Для определения перемещений используется следующая формула (1) [9]:
у-а^
Е ■h
1 - * - е~вх d
1-
№
^¡п(р- х)
, (1)
где у - объемный вес жидкости, находящийся в резервуаре, кН/м3; Л - толщина стенки, мм; а - радиус резервуара, м; d - высота резервуара, м;
Р =
3 • (1 -у2
а2 • &
Сравнение результатов представлено в табл. 1. Из табл. 1 видно, что погрешность меньше 5%, следовательно, данный размер элемента подходит для выполнения последующих исследований.
| Рис. 8. Нагрузка на стенку от гидростатического давления | Рис. 9. Значение перемещений в узлах
Таблица 1
Сравнение полученных результатов перемещений
Теория Программа Погрешность, %
х 1 го, мм х в,мм
0 0 0 0 0
0,25 2,278 0,25 2,164 4,55
0,5 7,057 0,5 6,734 4,12
0,75 12,194 0,75 11,705 3,56
1 16,562 1 16,021 2,85
1,25 19,73 1,25 19,272 1,95
1,5 21,69 1,5 21,428 0,92
1,75 22,645 1,75 22,623 0,03
2 22,869 2 23,001 0,52
| Рис. 10. Нагрузка от веса крыши
| Рис. 11. Нагрузка от собственного веса стенки
- определение перемещении и эквивалентных напряжений в элементах конструкции резервуара;
- определение профилей колец жесткости и толщины стенок;
- оптимизация конструкции резервуара из трехслойных панелей.
|Рис. 12. Значения эквивалентных напряжений в стенке от веса Рис. 13. Значения эквивалентных напряжений в стенке крыши от собственного веса
Таблица 2
Сравнение полученных результатов эквивалентных напряжений в верхнем поясе
Теория
кПа
Программа
I кПа
Погрешность,
%
Сравнение максимальных эквивалентных напряжений в стенке от веса крыши
о
736
0
741,14
0,69
Сравнение максимальных эквивалентных напряжений от собственного веса
стенки
0
0,125 0,375 0,625 0,875 1,125 1,375 1,625 1,875
0
9,6 28,8 48 67,2 86,4 105,6 124 136,8
0 0,25 0,5 0,75 1
1,25 1,5 1,75 2
0 9,89 28,94 48,4 68,21 87,68 104,85 117,92 130,13
0 3,02 0,48 0,83 1,5 1,48 0,71 4,9 4,87
Таблица 3
Значения толщин стенок по поясам
Пояс Толщина, , мм
внешний внутренний
9 7 7
8 7 7
7 8 8
6 9 9
5 10 10
4 11 11
3 12 12
2 13 13
1 14 14
| Рис. 14. Модель резервуара из трехслойных панелей
, ...........................::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: ::::
| ;::!)::! |£ |:| ! и:;::;::;::::::::::::;;:!;::::::::::::::;:;;;::;;;::::;:;::::::;;»::::
г:,;;: .; : ::.5 \:,!;.:
! :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
:::::::::::::::::::::::::::::::::::::: ::::::::: :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: :::::::.......::: и:: :::::::: ::::::
::::::::::::::::::::::: :::::::::: :::::■::: :::-:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: .........:::п: :::::::: ::::::
........... I! ¡3:1:
X
X
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Насибуллин Т.Р., Каравайченко М.Г. О возможности применения трехслойных панелей в резервуарострое-нии / Мат. XI Межд. учеб.-науч.-практ. конф. «Трубопроводный транспорт - 2016». Уфа: Изд-во УГНТУ, 2016. С. 273-275.
2. ГОСТ 31385-2016 Резервуары вертикальные цилиндрические стальные для нефти и нефтепродуктов. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2016. 92 с.
3. РД-23.020.00-КТН-018-14. Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Резервуары стальные вертикальные для хранения нефти и нефтепродуктов объемом 1000-50000 м3. Нормы проектирования. М.: АК Транснефть, 2014. 122 с.
4. Насибуллин Т.Р., Каравайченко М.Г. Анализ методик расчета трехслойных панелей / Мат. XI Межд. учеб.-на-уч.-практ. конф. «Трубопроводный транспорт - 2016». Уфа: Изд-во УГНТУ, 2016. С. 275-276.
5. СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия. М.: Стандартинформ, 2016. 95 с.
6. Чепур П.В., Тарасенко А.А. Создание и верификация численной модели резервуара РВСПК-50000 // Фундаментальные исследования, 2015. № 7-1. С. 95-100.
7. Тарасенко, А.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. Кузеев И.Р., Тляшева Р.Р. и др. Методика определения напряженно-деформированного состояния стального цилиндрического резервуара // Нефтегазовое дело: электрон. Науч. . 2013. № 4. С. 339-347.
9. Тимошенко С.П., Кригер-Войновский С. Пластины и оболочки. М.: Наука, 1966. 636 с
REFERENCES
1. Nasibullin T.R., Karavaychenko M.G. O vozmozhnosti primeneniya trekhsloynykh paneley v rezervuarostroyenii [On the possibility of using three-layer panels in reservoir engineering]. Trudy XI Mezhd. ucheb.-nauch.-prakt. konf. «Truboprovodnyy transport - 2016» [Proc. of Intl. educational scientific and practical conference "Pipeline transport-2016"]. Ufa, 2016, pp. 273-275.
2. GOST 31385-2016. Rezervuary vertikal'nyye tsilindricheskiye stal'nyye dlya nefti i nefteproduktov. Obshchiye tekhnicheskiye usloviya [State Standard 31385-2016. Vertical cylindrical steel tanks for oil and oil-products. General specifications]. Moscow, Standartinform Publ., 2016. 92 p.
3. RD-23.020.00-KTN-018-14. Magistral'nyy truboprovodnyy transport nefti i nefteproduktov. Rezervuary stal'nyye vertikal'nyye dlya khraneniya nefti inefteproduktovob"yemom 1000-50000 m3. Normyproyektirovaniya [RD-23.020.00-KTN-018-14. The main pipeline transport of oil and oil products. Vertical steel tanks for storing oil and oil products with a volume of 1000-50000 m3. Design Standards]. Moscow, AK Transneft' Publ., 2014. 122 p.
4. Nasibullin T.R., Karavaychenko M.G. Analiz metodik rascheta trekhsloynykh paneley [Analysis of methods for calculating three-layer panels]. Trudy XI Mezhd. ucheb.-nauch.-prakt. konf. «Truboprovodnyy transport - 2016» [Proc. of Intl. educational scientific and practical conference "Pipeline transport-2016"]. Ufa, 2016, pp. 275-276.
5. SP20.13330.2016. Nagruzkii vozdeystviya [SP 20.13330.2016. Loads and impacts]. Moscow, Standartinform Publ., 2016. 95 p.
6. Chepur P.V., Tarasenko A.A. Creation and verification of a numerical model of the reservoir RVSPK-50000. Fundamental'nyye issledovaniya, 2015, no. 7-1, pp. 95-100 (In Russian).
7. Tarasenko, A.A., Chepur P.V., Chirkov S.V., Tarasenko D.A. A reservoir model in Ansys Workbench 14.5. Fundamental'nyye issledovaniya, 2013, no. 10-15, pp. 3404-3408 (In Russian).
8. Kuzeyev I.R., Tlyasheva R.R. ethods for determining the stress-strain state of a steel cylindrical tank. Neftegazovoye delo, 2013, no. 4, pp. 339-347 (In Russian).
9. Timoshenko S.P., Kriger-Voynovskiy S. Plastiny iobolochki [Plates and shells]. Moscow, Nauka Publ., 1966. 636 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Насибуллин Тимур Ришатович, ст. преподаватель кафедры Timur R. Nasibullin, Senior Lecturer, Department of Construction and
сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ, Repair of Gas and Oil Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities, Ufa Уфимский государственный нефтяной технический университет. State Petroleum Technological University.
