Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Моделирование вертикальных стальных резервуаров с несовершенствами геометрической формы

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Моделирование вертикальных стальных резервуаров с несовершенствами геометрической формы"

На правах рукописи

ТЮРИН Дмитрий Владимирович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ С НЕСОВЕРШЕНСТВАМИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

I

I Специальность 25.00.19

"Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, ^ баз и хранилищ"

I

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I

Тюмень, 2003

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» (ТюмГНГУ)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Тарасенко Александр Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Кушнир Семен Яковлевич кандидат технических наук, Никишин Андрей Васильевич

Ведущее предприятие:

ОАО «Сибнефтепровод»

Защита диссертации состоится -19 декабря 2003 года в 40 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменскою государственного нефтегазового университета по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72.

Автореферат разослан ноября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

С.И. Челомбитко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время только на предприятиях компании "Транснефть" срок эксплуатации 60% вертикальных стальных цилиндрических резервуаров (РВС) превышает нормативный. Планы проведения ремонтных работ показывают, что потребность в их ремонте с каждым годом возрастает. Одной из главных причин, существенно снижающей уровень эксплуатационной надежности РВС, являются недопустимые дефекты геометрической формы. На данный вид работ приходится больше половины всех выполняемых ремонтов.

Поскольку нормативные документы по разработке проектов ремонта резервуаров с несовершенствами геометрической формы практически отсутствуют, перед выполнением таких работ, требуется теоретически, либо экспериментально подтвердить правомерность применения того или иного проектного решения. В то же время, теоретические, проверенные на практике методы исправления геометрических дефектов разработаны недостаточно.

Помимо проблем, связанных с ремонтом старых резервуаров, не теряют актуальности задачи создания новых, более надежных конструкций. При проектировании новых резервуаров необходимо производить сопоставление различных вариантов конструкций по условиям прочности и жесткости.

Наиболее точно определить параметры прочности резервуара позволяет промышленный эксперимент. Однако, из-за ряда причин, носящих как технический, так и экономический характер, промышленные эксперименты немногочисленны, а их результаты не могут быть в полной мере использованы при разработке нормативной документации.

В связи с этим возникает вопрос о возможности исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) резервуаров на моделях. Задачами, связанными с моделированием резервуаров, занимались Н.Н. Дмитриев, А.Г. Гумеров, Е.А. Егоров, Б.Л. Крайтерман, М.К. Сафарян, В.Е. Шутов. Все авторы приходят к общим выводам:

- моделирование резервуаров методом простого подобия трудновыполнимо, т.к. в этом случае следует применить сверхтяжелую жидкость, плотностью не менее 50000 кг/м3;

- невозможно создать модель, одновременно адекватно отражающую вопросы прочности и устойчивости;

- существует необходимость в исследованиях с привлечением вероятностно-статистического аппарата, учитывающего влияние на НДС конструкции резервуара случайных факторов.

Анализ работ, посвященных моделированию НДС резервуаров, показал, что основная часть исследований выполнялась без применения научно обоснованной методики моделирования. Остальная часть работ не учитывает в индикаторах подобия того факта, что реальная конструкция имеет несовершенства геометрической формы. В силу сложности задачи по нахождению индикаторов подобия, авторы исследований, как правило, при анализе физических уравнений не учитывают расхождение в значениях коэффициента Пуассона, что приводит к снижению точности конечных результатов до 10%. Таким образом, проблема совершенствования существующих методов экспериментального исследования конструкций РВС на моделях весьма актуальна.

Цель работы. Исследование напряженно-деформированного состояния стальных вертикальных цилиндрических резервуаров с несовершенствами геометрической формы на моделях.

Основными задачами исследования являются:

1. Статистический анализ несовершенств геометрической формы резервуаров в виде угловатости монтажных швов, определение интервалов их возможных значений и оценка влияния подобных дефектов на эксплуатационную надежность конструкции в целом.

2. Разработка математической модели, построенной на соответствиях расширенного аффинного подобия в стохастической постановке.

3. Обоснование выбора материала модели и экспериментальное определение его механических свойств.

4. Проведение серии лабораторных экспериментов по определению перемещений стенок моделей РВС-5000, РВС-10000 и РВС-20000 от воздействия гидростатической нагрузки. Сопоставление результатов экспериментов с аналитическими решениями.

5. Разработка и научное обоснование методики исследования напряженно-деформированного состояния стальных вертикальных цилиндрических резервуаров с несовершенствами геометрической формы на моделях.

Научная новизна

1. Впервые получено теоретическое решение по прогнозированию сроков ремонтных работ на резервуарах, имеющих дефекты в виде угловатости монтажных швов, на основе феноменологической теории усталости и методе анализа предельных состояний.

2. Предложена усовершенствованная методика диагностики топологии поверхности цилиндрической оболочки теневым муаровым методом.

3. Впервые разработана и экспериментально подтверждена возможность физико-математического моделирования процессов напряженно-деформированного состояния стальных вертикальных

резервуаров, имеющих несовершенства геометрической формы, с учетом стохастических свойств изучаемых явлений и неидентичности материалов модели и натуры.

Практическая ценность

1. Предложенная методика моделирования РВС на основе расширенного аффинного подобия позволяет существенно снизить затраты путем перенесения исследований по определению НДС резервуаров с начальными несовершенствами в лабораторные условия.

2. Изготовленные установки дают возможность определить прочностные свойства материалов моделей и исследовать деформации оболочек моделей под действием гидростатической нагрузки.

3. Разработанный программный комплекс, состоящий из 7 программ, позволяет рассчитать параметры моделей, определить свойства выбранного материала и исследовать НДС моделей теневым муаровым методом.

4. Разработанная методика используется в курсе «Эксплуатация и ремонт резервуарных парков», читаемого в Институте повышения квалификации и переподготовки кадров ТюмГНГУ для персонала нефтегазовых компаний, и в курсе лекций «Сооружение и ремонт нефтехранилищ и нефтебаз» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина.

На защиту выносятся:

1. Методика прогнозирования сроков ремонтных работ на резервуарах, имеющих дефекты в виде угловатости монтажных швов.

2. Методика выбора материала модели.

3. Физико-математическое моделирование процессов НДС резервуаров с несовершенствами геометрической формы, построенное на соответствиях расширенного аффинного подобия в стохастической постановке задачи.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований автора были представлены на:

- научно-практической конференции, посвященной 300-летию создания инженерных войск "История, современное состояние и перспективы развития инженерного образования". Тюмень: ТФВИУ, 2000;

- международном совещании "Энергоресурсосберегающие технологии в нефтегазовой промышленности России". Тюмень, ТюмГНГУ, 2001;

- международной научно-практической конференции "Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях". Тюмень, ТюмГНГУ, 2002;

- международном семинаре "Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли". Тюмень, ТюмГНГУ, 2002;

- научно-технической конференции "Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация, ремонт". М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, пяти плав, выводов, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 175 страниц машинописного текста, включая 52 рисунка, 19 таблиц и список литературы из 118 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследований, показана практическая ценность работы.

В первой главе выполнен технико-экономический анализ строительства и эксплуатации РВС, состоящих на балансе нефтепроводных

предприятий AK «Транснефть». Осуществлен обзор и классификация нагрузок и воздействий, которым подвергается резервуар в процессе эксплуатации. Установлены и подробно рассмотрены нагрузки, оказывающие наибольшее влияние на НДС резервуаров.

Выполнен анализ методов и подходов к исследованию прочности и устойчивости конструкций РВС. Вопросами, связанными с определением НДС резервуаров, занимались B.JI. Березин, В.А. Буренин, В.Б. Галеев, А.Г. Гумеров, М.К. Сафарян, A.A. Тарасенко, В.Е. Шутов и др. Все авторы приходят к общим выводам:

- резервуар представляет собой систему весьма податливую и легко изменяющуюся даже при наличии малых локальных несовершенств геометрической формы;

- уравнения, описывающие НДС резервуаров, должны учитывать влияние несовершенств геометрической формы, однако аналитически задача в такой постановке до настоящего времени практически не решена;

- методика определения дополнительных напряжений в конструктивных элементах резервуаров, вызванных различными видами несовершенств геометрической формы, до сих пор отсутствует.

Произведен анализ большого количества работ как отечественных, так и зарубежных авторов, посвященных экспериментальным исследованиям НДС резервуаров на моделях. Критический обзор работ по данной теме позволил сформулировать задачи собственного исследования. Глава заканчивается постановкой задач исследования.

Во второй главе выполнен анализ типичного технологического процесса изготовления крупногабаритного резервуара рулонным способом, с точки зрения формирования в конструкции несовершенств геометрической формы. Показано, что у любого резервуара имеются начальные искривления геометрической формы уже на этапе

строительства. Установлено, что наибольшая часть имеющихся в корпусе резервуара дефектов приходится на монтажные стыки полотнищ стенки.

Для основных типоразмеров резервуаров рулонной сборки составлена классификация несовершенств геометрической формы и причин их возникновения. Предложена классификация несовершенств геометрической формы с позиции планирования экспериментальных исследований на моделях в лабораторных условиях.

Выполнена статистическая обработка результатов натурного обследования угловых деформаций сварных швов в местах стыков полотнищ стенки 135 резервуаров, находящихся в различных эксплуатационных условиях Всего исследовано около 330 монтажных швов и зафиксировано более 2650 точек поверхности корпуса резервуаров вместимостью 5, 10 и 20 тыс.м3. Построены интегральные кривые распределения и найдены соответствующие вероятности попадания той или иной образующей в заданный интервал значений угловых деформаций по поясам для каждого типоразмера резервуаров.

При помощи подхода, основанного на феноменологической теории усталости и методе анализа предельных состояний, получено выражение для определения предельного числа циклов заполнения-опорожнения резервуаров с дефектом в виде угловатости монтажного шва:

1де N ~ число циклов нагружения до появления трещины на образце из материала, аналогичного рассматриваемой конструкции; т[ - эмпирическая константа;

!//(»-;I + 2) - нормировочная постоянная распределения Пирсона; Я, - предел выносливости при симметричном цикле;

(О

Р^о'.т, + 2] - нормативное значение вероятности достижения предельного состояния;

сга - среднее квадратическое напряжение а в месте сварного шва.

Теоретически обосновано, что среднее значение срока безотказной эксплуатации РВС-20000 составляет 28 лет, РВС-10000 - 33 года, а РВС-5000 - 47 лет (в предположении, что на НДС резервуара помимо эксплуатационных нагрузок оказывают влияние только дефекты стенки в виде угловатостей монтажных швов, цикличность нагружения не более 100 циклов в год).

В третьей главе разработана методика моделирования конструкций РВС, имеющих несовершенства геометрической формы. Осуществлена систематизация методов подобия, показаны их ограничения. Составлена классификация существующих в настоящее время методов моделирования строительных конструкций, представленная на рис. I.

Выполнен анализ методов подобия на возможность их применения к исследованию НДС резервуаров. Установлено, что для исследования НДС резервуаров, имеющих несовершенства геометрической формы при воздействии эксплуатационных нагрузок, целесообразно применение физико-математической модели, построенной на соответствии расширенного аффинного подобия в стохастической постановке задачи.

Теоретически обоснована целесообразность применения для моделирования РВС с геометрическими дефектами метода нормализации физических уравнений, описывающих НДС резервуаров, с соблюдением подобия первого порядка. Правила и ограничения применения предлагаемого вычислительного аппарата приведены в диссертации.

Пользуясь методом масштабных преобразований переменных и правилами анализа уравнений, описывающих изучаемое явление, определены уравнения связи между масштабными константами в виде

Рис 1. Классификация моделей, применяемых для исследования строительных

конструкций

следующих индикаторов подобия:

Л Л Л 1/1 Л2 Л4 Л

С/у -Си Сц-Ср -С, СН-СЕ

л л л л л л л

л с л р .с .с2 л Г" •Г'

(2)

С/2/ С//

где Л, 5, Н, /л, Е, ц, £), а, М, т, Яр - радиус срединной поверхности стенки резервуара, толщина стенки РВС, высота стенки, коэффициент Пуассона, модуль продольной упругости, распределенная нагрузка, поперечное усилие, эквивалентные напряжения, изгибающий момент, прогиб оболочки в радиальном направлении и расчетное сопротивление материала оболочки резервуара соответственно;

— Сд - масштабный множитель физической величины;

берется ее математическое ожидание.

Помимо найденных индикаторов подобия получены предельные условия моделирования, являющиеся источником дополнительных предельных связей между масштабами величин, входящих в анализируемые уравнения:

- предельное условие тонкостенности оболочки резервуара

СК[С8< 1; (3)

- предельное условие моделирования дефектов геометрической формы

С„/Св< 1; ' (4)

- предельное условие моделирования НДС резервуаров

/Ч - 1 (5)

Предложен алгоритм исследования НДС резервуаров методом моделирования. Весь комплекс работ по решению поставленных

экспериментальных задач разгруппирован на девять этапов. Рассмотрен комплекс задач, решаемых на каждом этапе.

Рассмотрен вопрос влияния масштабного эффекта на исследуемые свойства модели. Установлено, что одной из важнейших предпосылок снижения влияния масштабного эффекта на модели резервуаров является определение подобия в стохастической постановке вопроса.

Проанализированы возможности использования различных материалов для изготовления моделей РВС. Рассмотрены положительные и отрицательные качества каждого материала. Обосновано, что наиболее полно требованиям моделирования РВС удовлетворяет целлулоид.

Выполнен анализ применимости различных методов измерения деформаций и напряжений к исследованию резервуаров на моделях из выбранного материала. Выполнен обзор современных достижений в технике измерений. Обосновано, что деформации, возникающие в модели резервуара из целлулоида, целесообразно измерять методом лазерной спекл-интерферометрии, спекл-фотографии, либо методом муаровых полос, являющимся более предпочтительным.

В четвертой главе выполнено экспериментальное исследование физико-механических характеристик материала модели. Установлено, что перед проведением экспериментальных исследований на моделях необходимо произвести серию экспериментов по определению подлинных механических характеристик и реологических свойств материала, присущих тому листу или рулону, из которого будут изготовлены модели.

Для проведения указанных экспериментов спроектирована и изготовлена универсальная установка (рис. 2). Представленное устройство позволяет проводить лабораторные испытания полимерных материалов на растяжение или сжатие путем приложения как постоянной, так и равнопеременной нагрузки.

а)

Рис. 2. Экспериментальные установки

а) для исследования физико-механических свойств полимерных материалов на растяжение или сжатие при равномерной скорости движения захватов образца,

с динамометром Н. Г. Токаря в качестве силоизмерительного устройства;

б) для исследования физико-механических свойств полимерных материалов на растяжение, с упругим кольцом в качестве силоизмерительного устройства;

в) для исследования реологической зависимости с = /7' Л характеризуемой изменением температуры и деформациями при постоянной нагрузке.

Экспериментально получена реологическая зависимость, характеризуемая изменением температуры и деформациями в материале

предвзятости при анализе результатов эксперимента, решена задача о

представительности выборочной совокупности экспериментальных значений. Получено оптимальное число наблюдений в выборке пдост =12. На основе критерия согласия Пирсона выполнена проверка соответствия экспериментального распределения случайной величины 6 нормальному закону распределения для каждого из изучаемых интервалов температур. Методом, основанным на критерии Кокрена, определено с вероятностью Р = 0,95 достаточное количество серий экспериментов пмсп = 3.

Для установления зависимости е = /(<)> полученные экспериментальные значения были аппроксимированы методом наименьших квадратов. Расчет реализован на ЭВМ. В результате расчета, с ошибкой аппроксимации Д = 1,37 определено, что наиболее точно связь между деформацией материала при постоянной нагрузке и температурой описывает параболическая зависимость:

при постоянной нагрузке е = /(г) (рис. 2в). В целях исключения ошибок и

в = 7,186-0,024 • 7 + 0,001 • ?2,

(6)

которая графически представлена на рис. 3.

Г

п---

7,5 74

7 I

70 69

0 5 1(1 15 20 30 40 4< 50 55

ее

Рис. 3. График функциональной зависимости е = /(7)

Выполнена оценка точности аппроксимации. Оценка значимости >

коэффициента корреляции подтвердила соответствие выборки генеральной I

совокупности. Оценка надежности уравнения регрессии критерием Фишера также подтвердила надежность полученного уравнения. 1

На основании полученной зависимости определен оптимальный »

интервал температур для проведения лабораторных исследований на моделях из целлулоида / = 22,5 ± 2,5 "С.

I

Выполнены экспериментальные исследования по определению 1

механических свойств целлулоида (рис. 2а). Определение свойств I

материала осуществлялось методом растяжения образцов типа 3, усиленных на концах накладками в соответствии с ГОСТ 21228-85 и ГОСТ 9559-81. Необходимое число образцов для установления надежной величины искомых механических характеристик целлулоида находилось, согласно ГОСТ 14359-69, графическим способом. |

В результате проведенных исследований и обработки найденных |

величин статистическими методами получен интервал надежных значений '

каждой из необходимых для моделирования характеристик (табл. 1). '

Таблица 1

№ Наименование показателя Интервал значений Надежные значения Среднее арифметическое

1 Модуль упо\тости, МПа 2086-2164 2110-2124 2118

2 Коэффициент Пуассона 0,3346-0,3382 0,3356-0,3368 0,3362

3 Временное сопротивление, МПа 172,06-190,94 180-187,4 183,7

4 Прочность при разрыве, МПа 164,91-184,23 173,1-180,7 176,9

5 Относительное удлинение при максимальной нагрузке, % 6,8-9,83 8,2-9,4 8,8

6 Остаточное относительное удлинение, % 4,8-6,3 5,28-6 5,64

7 Остаточное относит, сужение поперечного сечения образца, % 1,89-3,97 3,25-3,75 3,5

8 Физический предел текучести, МПа 84,08-91,95 86,5-90,1 88,3

9 Условный предел текучести, МПа - - 89,17

10 Предел пропорциональности, МПа - - 80,42

В пятой главе выполнено экспериментальное подтверждение разработанной методики моделирования РВС, имеющих несовершенства геометрической формы. Обосновано, что при определении геометрических и упругих параметров моделей резервуаров целесообразно задать толщину стенки нижнего пояса, а остальные размеры определить решением системы индикаторов (2). Получена математическая модель масштабных преобразователей параметров натурной конструкции:

rm - RH"

3Al

jh У

нм = н,

RM'SU

ÜJL Рм

CO.

■ со.

На

\ИН J

-м SM RH

Ям = Ян'

о"/у =аы

Еи

§M..*h

RM )

\2

ЕМ НМ

Qm=QhE" н"

Rh

\rh

--"••I ttt

(7)

• параметры модели и натуры соответственно. По результатам экспериментальных исследований механических характеристик материала модели, решением системы уравнений (7) получены геометрические параметры моделей резервуаров (табл. 2).

Таблица 2

Тип резервуара Е, МПа у, кг/м3 И Sem, ММ R, мм Н, мм Cd)

РВС-5000 2118 1000 0,3362 0,08 111,6 114,3 0,00979

РВС-10000 161 105,7 0,0087

РВС-20000 197,4 82,7 0,00602

Аналогично получены масштабные множители параметров, определяемых в процессе испытания моделей (табл. 3).

Таблица 3

Тип резервуара Масштабные множители

са С, с0 Си

РВС-5000 0,009793479 0,009591336 9,39331-Ю"5 9,00949-10"7

РВС-10000 0,00837024 0,008867058 7,42193-Ю"5 6,58106-10"7

РВС-20000 0,005126281 0,006939238 3,55725-Ю"5 2,46846-10"7

Методом разложения индикаторов подобия (2) в ряд Тэйлора, последующей их линеаризацией и вычислением вероятности попадания коррелированных индикаторов в четырехугольник на плоскости

Н = \-%[т{!га,Ьа)-Т{На,аа)], (8)

а=1

рассчитано количество моделей, необходимых для достоверного исследования НДС резервуаров с несовершенствами геометрической формы.

Предложена технология изготовления моделей РВС из целлулоида. Рассмотрен вопрос конструктивного подобия между моделью и натурным объектом. Изготовлены физические модели РВС-5000, РВС-10000, и РВС-20000 (рис. 5).

Рис. 5. Общий вид моделей резервуаров из целлулоида 1 - РВС-20000; 2 - РВС-10000; 3 - РВС-5000

Выполнен анализ разновидностей метода муаровых полос для

измерения деформаций в модели при приложении к ней нагрузки.

Обоснована целесообразность применения для экспериментальных

исследований моделей резервуаров теневого муарового метода, позволяющего измерять деформации с точностью до 2 мкм. Предложен метод анализа муаровых картин, позволяющий минимизировать погрешность результатов измерений.

Спроектирована и изготовлена теневая муаровая установка для измерений топологии поверхности моделей и деформаций, возникающих в ней при приложении эксплуатационных нагрузок (рис. 6).

Обосновано, что при моделировании математического ожидания поведения натурного РВС, имеющего несовершенства геометрической формы, возможна лишь интервальная оценка конечных результатов. Решена задача определения границ возможного интервала значений математического ожидания изучаемых на модели параметров.

Для оценки достоверности разработанной методики моделирования было получено аналитическое решение задачи осесимметричного деформирования стенки резервуаров вместимостью свыше 10 тыс. м3 и выполнено сопоставление полученного решения с результатами экспериментального исследования.

В соответствии с уточненным автором аналитическим решением расчет радиальных перемещений корпуса резервуара, находящегося под действием осесимметричной нагрузки, производится по формуле:

•1

а(х) = ан (х) + Фв (х)+ ф6 , где решение для нижнего края стенки резервуара имеет вид:

(9)

/

»-{Р^-Р.

\

С

Ж

гя-р-я-я2

• эт Рх -

2ярё-Я1

•совДг +НЖ -лг +

гя-р-ш-в2

\

Рис. 6. Общий вид теневой муаровой установки 1 - исследуемая модель; 2 - поворотный стол; 3 - эталонная сетка; 4 - проектор; 5 - фотоаппарат; 6 - контрольный блок проектора; 7 - направляющие проектора и фотоаппарата; 8 - разметочные стержни; 9 - каретка; 10 - поддон; 11 - разметочный стержень стола; 12 - регулировочная гайка стола; 13 - направляющие стола; 14 - рама; 15 - держатель сетки; 16 - регулятор

микроперемещений сетки; 17 - направляющие эталонной сетки

для верхнего края резервуара, имеющего стационарное покрытие:

соп(х -е-

/)(х-Нш)

1+ г**

■ ún р{х-Нж)~ eos/3{х-Нж)

Р-ах-Е-5 а для средних поясов стенки РВС:

/ Н — х E-S 2 ES ж ■ R

, (И)

Здесь Нж, х - высота налива жидкости и рассматриваемого сечения стенки РВС соответственно; р- плотность хранимого продукта; Д4 3 • (1 - //2)

р = —^—^у^ - параметр, определяющий высоту действия К • 8

изгибающих и крутящих моментов в стенке резервуара;

Рст, Р,, - вес стенки и кровли резервуара соответственно.

В связи с тем, что геометрические несовершенства конструкции резервуара носят случайный характер, для большей достоверности результатов сопоставление теоретической кривой производилось со средней линией интегральной кривой распределения перемещений, являющейся несмещенной оценкой математического ожидания радиальных перемещений стенки резервуара (рис. 7).

Анализ зависимостей радиальных перемещений стенки от гидростатической нагрузки для РВС-20000 показал, что результаты экспериментального исследования имеют качественное совпадение с аналитическим решением, но количественно дают несколько завышенные результаты. Наибольшее расхождение теории с экспериментом наблюдается на уровне VI пояса и составляет 33%, на нижних поясах расхождение не более 7%. Значительное расхождение на верхних поясах можно объяснить пренебрежением в теоретическом решении влиянием начальных несовершенств геометрической формы, которых, как показывает практика, не удается избежать даже в лабораторных условиях.

Радиальные перемещения, мм

Рис. 7. Сравнение радиальных перемещений стенки по образующей для РВС-20000, полученных экспериментальным и теоретическим путем

Далее выполнено экспериментальное исследование по оценке влияния верхнего опорного кольца на НДС корпуса резервуара, имеющего несовершенства геометрической формы.

Выполнена оценка погрешностей измерения и точности результатов " моделирования резервуаров. Выполнен анализ влияющих на точность

теневого муарового метода факторов, в результате которого определена погрешность измерения деформаций. Оценка точности моделирования математических ожиданий параметров НДС резервуаров с геометрическими несовершенствами осуществлена методом интервальной оценки погрешности подобия коррелированных индикаторов.

Определена с вероятностью ошибки 5% суммарная погрешность моделирования эксплуатационных нагрузок резервуаров, имеющих несовершенства геометрической формы, которая составила +8,23% и -9,53%.

В заключении предложены области практического использования разработанной методики моделирования, представлен круг нерешенных вопросов, которые могут быть решены с ее помощью.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнен статистический анализ и классификация величин отклонений геометрической формы стенок резервуаров в виде угловатости *> монтажных швов. Разработано теоретическое решение по

прогнозированию сроков проведения ремонтных работ на РВС, имеющих дефекты в виде угловатости монтажных швов. Теоретически обосновано, что при цикличности нагружения 100 циклов/год и вероятности Р = 0,8 срок безотказной эксплуатации РВС-20000 составляет 28 лет, РВС-10000 -35 лет, а РВС-5000 - 47 лет (в предположении, что на НДС резервуара оказывают влияние только дефекты в виде угловатостей монтажных швов).

2. Обосновано применение для исследования НДС резервуаров, имеющих несовершенства геометрической формы, физико-математической модели, построенной на соответствиях расширенного аффинного подобия в стохастической постановке. Получены индикаторы подобия и предельные условия, необходимые для построения моделей РВС. Разработана математическая модель масштабных преобразователей параметров натурной конструкции.

3. Установлено, что среди всего перечня применяемых для изготовления моделей РВС материалов (более 30 видов) наиболее полно требованиям моделирования удовлетворяет целлулоид. Теоретически обосновано количество моделей, необходимых для эксперимента. Обоснована целесообразность применения для исследования НДС моделей резервуаров теневого муарового метода, т очность измерения деформаций которых составляет е = 8 • 10"4. Экспериментально получена реологическая зависимость, характеризуемая изменением температуры и деформациями в материале при постоянной нагрузке, определены механические свойства целлулоида. Предложена методика статистической обработки экспериментальных данных.

4. Выполнена экспериментальная проверка разработанной методики моделирования резервуаров, имеющих несовершенства геометрической формы. Уточнено аналитическое решение по расчету оболочек вращения, находящихся под действием осесимметричной нагрузки. Выполнена оценка погрешностей измерения и точности результатов моделирования резервуаров. С вероятностью Р = 0,95 установлено, что суммарная погрешность в определении радиальных перемещений и напряжений в стенке резервуара, имеющего несовершенства геометрической формы, составляет+8,23% ...-9,53%.

5. Выполнено экспериментальное исследование по оценке влияния несовершенств геометрической формы на НДС стенки резервуара с верхним опорным кольцом и без него. Экспериментально установлено, что при наличии неправильностей и местных отклонений от идеальной цилиндрической формы, уторный шов резервуара также претерпевает деформации, несмотря на значительную жесткость. Установлено, что начальные несовершенства геометрической формы, располагаемые на нижних поясах, являются не только местными концентраторами напряжений, но и оказывают влияние на общее НДС корпуса резервуара, вплоть до верхнего опорного кольца. Экспериментально доказана необходимость выполнения опорного кольца на модели.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тюрин Д.В. Моделирование несовершенств геометрических форм вертикальных стальных резервуаров // Тезисы материалов научно-практической конференции, посвященной 300-летию создания инженерных войск "История, современное состояние и перспективы развития инженерного образования". - Тюмень: ТФВИУ, 2000 г.- С. 33 - 35.

2. Пимнев A.JI. Разработка информационно-аналитической базы данных по ремонту вертикальных стальных резервуаров /A.JI. Пимнев, Д.В. Тюрин // Тезисы материалов научно-практической конференции, посвященной 300-летию создания инженерных войск "История, современное состояние и перспективы развития инженерного образования". - Тюмень: ТФВИУ, 2000 г. - С. 36 - 37.

3. Тюрин Д.В. Моделирование нефтяных стальных вертикальных цилиндрических резервуаров /Д.В. Тюрин, A.A. Тарасенко // Известия ВУЗов, сер. "Нефть и газ", №4, - Тюмень: ТюмГНГУ, 2001 г. - С. 64-69.

4. Тюрин Д.В. Моделирование резервуаров с несовершенствами геометрической формы / Д.В. Тюрин, A.A. Тарасенко // Энергоресурсосберегающие технологии в нефтегазовой промышленности России: Матер, междунар. совещания. Часть 2. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2001 г. - С. 167 - 171.

5. Тюрин Д.В. Моделирование напряженно-деформированного состояния в задачах исследования устойчивости конструкций резервуаров, имеющих несовершенства геометрической формы / Д.В. Тюрин, A.A. Тарасенко // Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: Матер, межд. научно-практ. конф. Часть 1. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2001 г.-С. 106-112.

6. Тюрин Д.В. Разработка математических моделей несовершенств геометрической формы резервуаров / Д.В. Тюрин, A.J1. Пимнев //Энергоресурсосберегающие технологии в нефтегазовой промышленности России: Матер, междун. совещания. Часть 1. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2001 г. -С. 107-109.

7. Тарасенко A.A. К вопросу о возможности моделирования крупногабаритных резервуаров для хранения нефти / A.A. Тарасенко, Д.В. Тюрин // Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли: Мат. межд. семинара. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2002 г. - С. 173 - 179.

8. Тарасенко A.A. К вопросу определения полей несовершенств геометрической формы днища и стенки резервуара /A.A. Тарасенко, Д.В. Тюрин, A.J1. Пимнев // Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: Матер, междун. научно-практ. конференции Часть 1. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2002 г. - С. 103 - 106.

9. Тюрин Д.В. Экспериментальные исследования механических свойств целлулоида для моделирования резервуаров / Д.В. Тюрин, A.A. Тарасенко // Научно-технич. сборник "Магистральные и промысловые

трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация, ремонт", №1. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002 г. - С. 121 - 127.

10. Тюрин Д.В. Оценка эффективности различных способов измерения деформаций в моделях резервуара из целуллоида / Д.В. Тюрин, А.А. Тарасенко // Научно-технич. сборник "Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация, ремонт", №2. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002 г. - С. 146 - 152.

€1 я 83 3

^ооИ 1 188Д?

Подписано к печати /У Бум. писч. №1

Заказ № Уч.-изд. л. ! р

Формат 60x84 '/16 Усл. печ. л. 'е

Отпечатано на ЫЯО СЖ 3750 Тираж 100 экз.

Издательство «Нефтегазовый университет»

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38 Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет» 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Тюрин, Дмитрий Владимирович

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Основные типы резервуаров, находящихся в эксплуатации

1.2. Нагрузки и воздействия при эксплуатации резервуаров

1.3. Прочность конструкции стального резервуара при воздействии эксплуатационных нагрузок.

1.4. Устойчивость конструкции стального резервуара при воздействии эксплуатационных нагрузок.

1.5. Анализ экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния резервуаров на моделях.

1.6. Постановка задачи на собственное исследование.

2. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ

РЕЗЕРВУАРОВ.

2.1. Классификация несовершенств геометрической формы и анализ причин их возникновения.

2.2. Статистический анализ угловых деформаций монтажных швов длительно эксплуатируемых резервуаров.

2.3. Анализ влияния угловых деформаций монтажных швов на эксплуатационную надежность резервуара.

Выводы по разделу.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ

КОНСТРУКЦИЙ РЕЗЕРВУАРОВ.

3.1. Анализ основных методов моделирования и выбор подхода к определению условий подобия между моделью и натурным резервуаром.

3.2. Определение индикаторов подобия на основе расширенного аффинного подобия для моделирования конструкций резервуаров, имеющих начальные несовершенства.

3.3. Последовательность операций моделирования конструкций резервуаров.

3.4. Выбор материала для изготовления моделей.

3.5. Влияние масштабного эффекта при исследовании свойств материала модели.

3.6. Анализ применимости различных методов измерения деформаций и напряжений к исследованию резервуаров на моделях.

Выводы по разделу.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

МАТЕРИАЛА МОДЕЛИ.

4.1. Описание экспериментальной установки.

4.2. Подготовка установки к проведению экспериментальных исследований.

4.3. Экспериментальные исследования влияния температуры на деформационные свойства материала.

4.4. Экспериментальные исследования механических свойств материала.

Выводы по разделу.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ

РЕЗЕРВУАРОВ С НЕСОВЕРШЕНСТВАМИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ

ФОРМЫ.

5.1 Определение геометрических параметров моделей.

5.2. Определение количества моделей для испытаний.

5.3. Проектирование и технология изготовления моделей крупногабаритных резервуаров из целлулоида.

5.4. Методика проведения испытаний на моделях.

5.5. Методика перехода от параметров моделей к параметрам натурной конструкции.

5.6. Результаты экспериментального исследования деформированного состояния модели РВС — 20000.

5.7. Оценка достоверности полученных результатов.

5.8. Оценка точности результатов моделирования резервуаров

5.9. Предложения по практическому использованию разработанной методики.

Выводы по разделу.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Моделирование вертикальных стальных резервуаров с несовершенствами геометрической формы"

В настоящее время только на предприятиях компании "Транснефть" срок эксплуатации 60% вертикальных стальных цилиндрических резервуаров (РВС) превышает нормативный. Планы проведения ремонтных работ показывают, что потребность в их ремонте с каждым годом возрастает. Одной из главных причин, существенно снижающей уровень эксплуатационной надежности резервуаров, являются недопустимые дефекты геометрической формы. На данный вид работ приходится больше половины всех выполняемых ремонтов (рис.1.1).

Рис. 1.1. Распределение дефектов, выявленных при обследованиях резервуаров Поскольку нормативные документы по разработке проектов ремонта резервуаров с несовершенствами геометрической формы практически отсутствуют, перед выполнением таких работ, требуется теоретически, либо экспериментально подтвердить правомерность применения того или иного проектного решения. В то же время, теоретические, проверенные на практике методы исправления геометрических дефектов разработаны недостаточно. Анализ решений по разработке проектов ремонта показывает, что зачастую они принимаются интуитивно и не имеют остатки монтажных отсутствие конструктивных элементов угловатость монтажных швов научного обоснования. Перед эксплуатацией резервуара после ремонта также требуется определить параметры его прочности.

Помимо проблем, связанных с ремонтом старых резервуаров, не теряют актуальности задачи создания новых, более надежных конструкций. При проектировании новых резервуаров необходимо производить сопоставление различных вариантов конструкций по условиям прочности и жесткости.

Наиболее точно определить параметры прочности резервуара позволяет промышленный эксперимент. При этом, как правило, требуется довести конструкцию до предельного состояния, что нередко сопровождается потерей устойчивости, и, как следствие, потерей сотен тонн металлоконструкций. Кроме того, для экспериментального исследования наиболее распространенных РВС объемом 5-20 тыс.м3 требуются значительные трудовые и материальные затраты, технически затруднена реализация различных видов нагружений и измерений. В силу названных причин промышленные эксперименты немногочисленны, а их результаты не могут быть в полной мере использованы при разработке нормативной документации.

В связи с этим возникает вопрос о возможности исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) резервуаров на моделях. Метод модельных испытаний является технически и материально более выгодным вариантом экспериментальных исследований, т.к. благодаря своей доступности позволяет в короткие сроки производить серии экспериментов по выявлению влияния геометрических несовершенств на НДС конструкции в рамках стохастического подхода, дает возможность проанализировать действие любого фактора в отдельности, выявить особенности взаимодействия нескольких факторов и их комплексное влияние на напряженное состояние резервуара.

Задачами, связанными с моделированием резервуаров, занимались Н.Н. Дмитриев, А.Г. Гумеров, Е.А. Егоров, Б.Л. Крайтерман, М.К. Сафарян, В.Е. Шутов. Все авторы приходят к общим выводам:

- моделирование резервуаров методом простого подобия трудновыполнимо, т.к. в этом случае следует применить сверхтяжелую жидкость, плотностью не менее 50000 кг/м3, что в 50 раз больше плотности воды;

- невозможно создать модель, одновременно адекватно отражающую вопросы прочности и устойчивости;

- существует необходимость в исследованиях с привлечением вероятностно-статистического аппарата, учитывающего влияние на НДС конструкции резервуара случайных факторов.

Анализ работ, посвященных моделированию НДС резервуаров, показал, что основная часть исследований выполнялась без применения научно обоснованной методики моделирования. Остальная часть работ не учитывает в индикаторах подобия того факта, что реальная конструкция имеет несовершенства геометрической формы. В силу сложности задачи по нахождению индикаторов подобия, авторы исследований, как правило, при анализе физических уравнений не учитывают расхождение в значениях коэффициента Пуассона, что приводит к снижению точности конечных результатов до 10%. Таким образом, проблема совершенствования существующих методов экспериментального исследования конструкций РВС на моделях весьма актуальна.

Настоящая диссертационная работа посвящена обоснованию возможности моделирования процессов напряженно-деформированного состояния стальных вертикальных цилиндрических резервуаров, имеющих несовершенства геометрической формы, с применением методов расширенного аффинного подобия в стохастической постановке задачи.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Тюрин, Дмитрий Владимирович

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Выполнен статистический анализ и классификация величин отклонений геометрической формы стенок резервуаров в виде угловатости монтажных швов. Разработано теоретическое решение по прогнозированию сроков проведения ремонтных работ на РВС, имеющих дефекты в виде угловатости монтажных швов. Теоретически обосновано, что при цикличности нагружения 100 циклов/год и вероятности Р = 0,8 срок безотказной эксплуатации РВС-20000 составляет 28 лет, РВС-10000 -35 лет, а РВС-5000 - 47 лет (в предположении, что на НДС резервуара оказывают влияние только дефекты в виде упповатостей монтажных швов).

2. Обосновано применение для исследования НДС резервуаров, имеющих несовершенства геометрической формы, физико-математической модели, построенной на соответствиях расширенного аффинного подобия в стохастической постановке. Получены индикаторы подобия и предельные условия, необходимые для построения моделей РВС. Разработана математическая модель масштабных преобразователей параметров натурной конструкции.

3. Установлено, что среди всего перечня применяемых для изготовления моделей РВС материалов (более 30 видов) наиболее полно требованиям моделирования удовлетворяет целлулоид. Теоретически обосновано количество моделей, необходимых для эксперимента. Обоснована целесообразность применения для исследования НДС моделей резервуаров теневого муарового метода, точность измерения деформаций которых составляет е = 8-10"4. Экспериментально получена реологическая зависимость, характеризуемая изменением температуры и деформациями в материале при постоянной нагрузке, определены механические свойства целлулоида. Предложена методика статистической обработки экспериментальных данных.

4. Выполнена экспериментальная проверка разработанной методики моделирования резервуаров, имеющих несовершенства геометрической формы. Уточнено аналитическое решение по расчету оболочек вращения, находящихся под действием осесимметричной нагрузки. Выполнена оценка погрешностей измерения и точности результатов моделирования резервуаров. С вероятностью Р = 0,95 установлено, что суммарная погрешность в определении радиальных перемещений и напряжений в стенке резервуара, имеющего несовершенства геометрической формы, составляет +8,23% . -9,53%.

5. Выполнено экспериментальное исследование по оценке влияния несовершенств геометрической формы на НДС стенки резервуара с верхним опорным кольцом и без него. Экспериментально установлено, что при наличии неправильностей и местных отклонений от идеальной цилиндрической формы, уторный шов резервуара также претерпевает деформации, несмотря на значительную жесткость. Установлено, что начальные несовершенства геометрической формы, располагаемые на нижних поясах, являются не только местными концентраторами напряжений, но и оказывают влияние на общее НДС корпуса резервуара, вплоть до верхнего опорного кольца. Экспериментально доказана необходимость выполнения опорного кольца на модели.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Тюрин, Дмитрий Владимирович, Тюмень

1. Авдонин А.С. Прикладные методы расчета оболочек и тонкостенных конструкций. М.: Машиностроение, 1969. — 257 с.

2. Алабужев П.М. и др. Теория подобия и размерностей. Моделирование. М.: Высшая школа, 1968. - 206 с.

3. Архангородский А.Г., Беленький JI.M. Моделирование прочности судовых конструкций. JL: Судостроение, 1969. 221 с.

4. Афанасьев В.А., Бобрицкий Н.В. Сооружение резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов. М.: Недра, 1981. 191 с.

5. Ашкинази М.И. Эффективность использования резервуаров большой емкости. М.: Строительство трубопроводов, 1964, №10. с. 17 - 18.

6. Беляев Б.Ф., Корниенко B.C. Причины аварий стальных конструкций и способы их устранения. М.: Стройиздат, 1968. 205 с.

7. Березин B.JI. и др. Вопросы эксплуатационной надежности резервуаров на НПЗ. М., ЦНИИТЭнефтехим, 1971. 59 с.

8. Березин B.JI. Исследование напряженного состояния резервуаров. — Сб. тр. Уфимского нефтяного института, Уфа, 1960, вып. 3. с. 34-37.

9. Березин B.JI. и др. Об эксплуатационной надежности нефтезаводских резервуаров. Труды НИИтранснефти. М., 1965, в. 4. - с. 24 - 28.

10. Березин В.Л., Гумеров А.Г., Ясин Э.М. Вибрация стальных резервуаров нефтеперерабатывающего завода в процессе эксплуатации Н.Т.С. Уфа, 1968, вып. 2. с. 44 -49.

11. Березин B.JI., Шутов В.Е. Прочность и устойчивость резервуаров и трубопроводов. М.: Недра, 1973. 198 с.

12. Болотин В.В. Долговечность конструкций при квазистационарных случайных режимах напряжений. Инж. сб., т.29, Изд. АН СССР, 1960.

13. Болотин В.В. Об оценке долговечности при стационарных случайных нагрузках. Высш. шк., сер. "Машиностроение", №9, 1959. с. 38 - 46.

14. Болотин В.В. Статистические методы в нелинейной теории упругих оболочек. Известия АН СССР, ОТН, №3, 1958, с. 27 33.

15. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. М.: Стройиздат, 1965. 279 с.

16. Буренин В.А. Прогнозирование индивидуального остаточного ресурса стальных вертикальных резервуаров. Дисс. . д. т. н. Уфа, 1994. 270 с.

17. Веников В.А. Теория подобия и моделирования.М.: Наука, 1984, 439 с

18. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М., Физматгиз, 1999. 576 с.

19. Веревкин С.И., Ржавский E.JL, Повышение надежности резервуаров, газгольдеров и их оборудования. М.: Недра, 1980. 284 с.

20. Виноградов Р.И., Ленько О.М. О двухмасштабном моделировании тонкостенных конструкций. В кн.: Строительная механика и расчет сооружений. М., 1963, № 1. - с. 56-59.

21. Галеев В.Б. НДС резервуаров, построенных на переувлажненных грунтах. Дисс. . д.т.н. Тюмень, 1987. 668 с.

22. Галеев В.Б. Эксплуатация стальных вертикальных резервуаров в сложных условиях. М.: Недра, 1981. 149 с.

23. Галеев В.Б., Любушкин В.В. Исследование осадки оснований в период гидравлического испытания. Уфа, 1975. 168 с.

24. Галеев В.Б., Любушкин В.В. и др. Напряженно-деформированное состояние вертикальных резервуаров. М., 1978. 222 с.

25. Геронимус В.Б. Исторический очерк развития теории прочностного подобия и моделирования. В кн.: Труды новосибирского ин-та инж. ж.-д-. транспорта. Вып. 24. Новосибирск, 1961, с. 313-333.

26. Госкомнефтепродукт РСФСР в 1976 1980 г.г. (Информационно-статистический справочник) - М. ЦНОТнефтепродукт, 1981. - 146 с.

27. Гречановская О.И. Об устойчивости цилиндрических оболочек с начальными отклонениями. ВНИИмонтажспецстрой. М., 1968, № 3.28,29