Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Влияние области неоднородности грунтового естественного основания резервуара на его напряженно - деформированное состояние

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

Автореферат диссертации по теме "Влияние области неоднородности грунтового естественного основания резервуара на его напряженно - деформированное состояние"

УДК 622 692 2

На правах рукописи

О"

ДЕГТЯРЕВ ПЕТР АЛЕКСЕЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ ОБЛАСТИ НЕОДНОРОДНОСТИ ГРУНТОВОГО ЕСТЕСТВЕННОГО ОСНОВАНИЯ РЕЗЕРВУАРА НА ЕГО НАПРЯЖЕННО - СФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯ!!! Е

003171577

Специальность 25 00 19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 5 ['¡01 2000

Уфа 2008

003171577

Рабо га выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Тюменский государственный нефтегазовый университет"

Научный руководитель

- кандидат технических наук, профессор Горелов Анатолий Сергеевич

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор Азметов Хасан Ахметзиевнч

- кандидат технических наук Пимнев Алексей Леонидович

Ведущая организация

- ОАО "Гипротгоменьнефтегаз"

Зашита диссертации состоится 27 июня 2008 г в 12°° часов на заседании диссертационного совета Д 222 002 01 при Государственном унитарном предприят ии "Институт проблем транспорта знергоресурсов" (ГУЛ "ИПТЭР") по адресу 450055, г Уфа, пр Октября, 144/3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУЛ "Институт проблем транспорта энергоресурсов"

Автореферат разослан 23 мая 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Л П Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Существующие в настоящее время методы расчета перемещений и НДС (напряженно - деформированного состояния) конструктивных частей резервуара не в полной мере учитывают деформационные характеристики грунтового основания Дополнительная проблема возникает в том случае, когда в грунтовом основании залегает область неоднородности со своими значениями указанных характеристик, что приводит к дополнительной неравномерной осадке днища резервуара и (при определенных вариантах расположения области неоднородности) затрагивает работу утор-ного узла Рассмотрение влияния области неоднородности на прогиб днища и изгиб стенки с соответствующим механизмом формирования их НДС является сложной и актуальной задачей

Целью диссертационной работы является исследование неравномерных радиального перемещения стенки и прогиба днища, а также их НДС под влиянием области неоднородности, залегающей в естественном основании резервуара

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

1 разработать методику определения коэффициентов постели под днищем резервуара и под фундаментным кольцом (при его наличии),

2 определить зависимости указанных коэффициентов постели от давления столба жидкости в резервуаре,

3. выявить особенности определения осадки днища резервуара с опорным фундаментным кольцом,

4 получить аналитическое выражение для распределения коэффициентов постели в области неоднородности естественного грунтового основания резервуара

5 рассчитать неравномерные перемещения конструктивных частей резервуара, вызванные существованием области неоднородности и определить уровень их НДС

Научная новизна состоит в том, что на основе предложенной анали-

тической зависимости распределения коэффициента постели в области неоднородности разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать перемещения конструктивных частей резервуара и уровень их НДС с учетом существования области неоднородности в естественном основании резервуара

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты выполненных исследований позволяют прогнозировать неравномерное перемещение конструктивных частей резервуара по данным инженерно-геологических изысканий Разработанная модель также позволяет выявить особенности НДС резервуара с учетом залегания в его естественном основании области неоднородности

Достоверность полученных результатов обусловлена корректным применением методов строительной механики, сопротивления материалов, механики грунтов, теории дифференциальных уравнений и сопоставлением с известными теоретическими и экспериментальными результатами других исследователей

На защиту выносятся результаты научных исследований по определению перемещений конструктивных частей резервуара и их НДС с учетом залегания в естественном основании резервуара области неоднородности с отличающимися физико-механическими характеристиками грунтов

Апробация работы. Основные результаты и научные положения диссертационной работы были доложены на

5-ой региональной научно-практической конференции «Новые технологии - нефтегазовому региону», г. Тюмень, 2006 г;

6-я региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Новые технологии - нефтегазовому региону», г Тюмень, 2006 г,

всероссийской научно-практической конференции «Нефть и газ в Западной Сибири», г Тюмень, 2006 г,

научно-технической конференции «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли», г Тюмень, 2007 г,

региональной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации систем транспорта», г Тюмень, 2007 г

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано б статей

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов по работе и списка использованной литературы, включающего 105 наименований Диссертация изложена на 131 страницах, содержит 41 рисунок, 12 таблиц

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснованы актуальность диссертационной работы, сформулированы цель, задачи, научная новизна и практическая ценность проведенных исследований

В первом разделе выполнен обзор известных исследований, посвященных определению перемещений конструктивных частей резервуара и уровня их НДС на стадиях испытаний, эксплуатации и ремонтных работ.

Указанные проблемы рассмотрены в работах В Л Березина, В А Буренина, И И Буслаевой, В Б Галеева, А Г Гумерова, А А Землянского, М С Иштирякова, К Кавано, В В Любушкина, М К Сафаряна, Н К Снит-ко, А А, Тарасенко, В Е Шутова, С. Ямамото, Э М Ясина и др

Неравномерные осадки резервуаров, в том числе и на слабых грунтах, изучались В Б Галеевым, А С Гореловым, 10 К Ивановым, П А Коноваловым, Р А Мангушевым, А Ю Потаповым, С Н Сотниковым и др

Во втором разделе рассматривается методика определения коэффициентов постели для днища резервуара любой вместимости и для фундаментного кольца резервуара большого объема на основе сочетания моделей Винкле-ра и упругого полупространства В случае днища осадка его центральной части находится по известной формуле послойного суммирования

wm=p S

¿У, H,

"bp

(1)

С другой стороны, осадка центра днища может, определена по гипотезе Винклера через коэффициент постели кгр

^о = ^20 = = Т^» откуда кгр =

Кгр Кгр О

(2)

(в силу абсолютной гибкости днища реактивный отпор грунта # под днищем равен давлению столба жидкости рй) МН1м>

а)

б)

12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0

0,0 0,025 0,050 0,075 0,100 0,125 0,150 0,175 0,200 к' МН1мъ

ЧК,МПа

0,0 0,025 0,050 0,075 0,100 0,125 0,150 0,175 0,200

Рисунок 1 - Зависимости коэффициентов постели для днища резервуара (а) и для фундаментного кольца (б) от давления р0 и среднего реактивного отпора дк под кольцом при среднем модуле деформации грунтаiï^ = ЮМПа

В случае наличия фундаментного кольца его осадка ^ также может быть вычислена двумя способами по формуле (1) и по формуле (2) со своим значением коэффициента постели к'

= = 7Т = Т7' 0ТКУДа К = 7Г> К КР

(3)

где дк - средний реактивный отпор грунта под кольцом, равный приведенному давлению рк в плоскости обреза кольца. На рисунке 1 приведены рассчитанные зависимости кгр и кгр' для резервуара объемом У=20000м3

Графики построены для одинаковых значений Е1гр = Егр = ЮМПа, что

не ограничивает общности выполненных исследований

Вследствие различия физико-механических и геометрических характеристик грунтов, слагающих естественное основание резервуара, значения коэффициентов кгр и кгр могут быть переменными в некоторой области неоднородности Автором предлагается аппроксимировать эту область кругом с радиусом Ли при следующем распределении коэффициента постели кгр в полярной системе координат

МО-

Кр-^гр С™2

7Г Г

2 Я

«/

1 — ИСОБ

ч2

О <г<Я

К^г,

(4)

где кгр = кгр — среднее значение коэффициента постели за пределами области неоднородности, Акгр и п = Акгр/кгр- максимальные абсолютные и относительные изменения кгр

Предложенная зависимость (4) обеспечивает плавное сопряжение величины кгр на границе области неоднородности и остального грунтового

массива Распределение коэффициента постели кгр также описывается формулой (4) Варианты взаимного расположения области неоднородности и

днища резервуара с радиусом Я (при различных соотношениях между и К) показаны на рисунке 2

С помощью рисунка 2 могут быть также классифицированы различные виды неравномерных осадок резервуара Например, равномерный крен резервуара соответствует рисунку 2-г при Кя = 2Л

Рисунок 2 - Варианты взаимного расположения

области неоднородности грунта и днища резервуара Я. - радиус днища с центром в точке О,

-радиус области неоднородности с центром в точке Оя

В третьем разделе рассматривается расчет перемещений конструктивных частей резервуара среднего и большего объема (с фундаментным кольцом) полосовым методом В первом случае (рисунок 3) радиальное перемещение стенки IV, (г), прогибы окрайки 1¥} (х3) и днища Щ (х,) в локальных системах координат и Х202Ж2 описываются уравнениями

а)

б)

д)

(¡г

¿Ж

Д

Н

— + 4 /?34 И/}

сЫ\ Д3

сЫ.

^ + 4

д

0<х3<Ь3, 0<х2<Я-Ь3,

(5)

2

при следующих условиях сопряжения в угарном узле резервуара и на границе "окрайка - днище"

№ (0) = 0, №[ '(0) = я (0) = -Щ'(0) = -<рг (0), {-Д,^ "(0) = "(0), -Дэ^з '"(0) = -Ыр

-Д3Г3"0з) = "(0); -Д3^3"'(0)

(6)

(7)

где Д, Д, Д, /?р /?3, Д, - соответствующие изгибные (цилиндрические) жесткости и коэффициенты гибкости, 63 - ширина окраечного кольца, ДГ - погонная сила по контуру резервуара, р{г) - давление столба жидкости, равное величине р0 при г=0

Рисунок 3 - Силовые факторы, действующие на конструктивные части резервуара и расчетная схема для определения перемещений

1 - стенка резервуара, 2 - днище, 3 — окрайка

я

Решение системы уравнений (5) - (7) ищется в виде Wl (z) = [Л, sin (Дг) + A¡cos( Дг)] ехр(-Дг) +

Ж3 (х,) = [С, sin () + Q cos (М )]ехР (~А*э) + +[С3 sin($x3) + С4 cos (Д3х3)] ехр (+Д*3) +

Г2 (х2) = [В, зш( Ргхг) + В2 cos( р2х2)] ехр(-ДЛ ) + S0, где постоянные A¡,A2,C¡-C4,BlnB2 находятся из краевых условий (6) и (7), а значение величины Ай=рй! 4Д4 £>,

В случае резервуара большого объема с фундаментным кольцом шириной Ьк уравнения перемещения стенки, окрайки и днища соответствуют системе (5) с заменой Ь3 на b¡, где b¡ = Ь3 - (Ьк - Ь,) - ширина окрайки, участвующая в изгибе (рисунки 4 и 5)

NL Z OJ К 02 Хг

///// т л Оз х3

®— (у 1

wA 1 1 W3(x3) W2(X2)

А к»

k i

(Г 0 W2< ! (D

Рисунок 4 - Расчетная схема для определения перемещений конструктивных частей резервуара 1- стенка резервуара, 2 - днище, 3 - окрайка, 4 - фундаментное кольцо

В уторном узле для стенки резервуара выполняются равенства

ад=о, тг;(о)=-е (9)

В начале прогиба окрайки (точка В, соответствующая верхней правой кромке кольца и лежащая на одной вертикали с началом координат 03) её перемещение и угол поворота в (крен кольца) равны

ЩО )^в=дв1кгр, пгз'( О) = 0 (10)

Условия на границе "окрайка - днище" |при х, = А3' и хг = о| полностью соответствуют уравнениям (7)

о„ А 4 ъ. х\

Рисунок 5 - Расчетная силовая схема для определения угла поворота (крена

Система уравнений (5) и соотношения (7), (9), (10) дополняются уравнениями равновесия сил и моментов для опорного кольца (рисунок 4)

Цо +М,-Кв(ь2-Ь.Ув^Ь,-ЬУМп =0,

где =0,5 ЬК [дА + дв) - погонная результирующая отпора грунта, Л^ = рй(Ък погонная равнодействующая давления жидкости,

(П)

j Чв - результирующий погонный момент отпора грунта относительно точки С, совпадающей с началом координат О,, <230,М30 - поперечная сила и изгибающий момент, приложенные к кольцу со стороны окрайки, М10- изгибающий момент со стороны стенки

Угол крена кольца связан с осадками точек А и В зависимостью

Ь Ь к '

* Кгр

(дА - реактивный отпор грунта под точкой А)

Уравнения (5) - (7) и (9) - (12) дают замкнутую систему для определения неизвестных постоянных А1,А1,С1,Сг,Сг,С^В1,В2,дл,два0, однако возникает дополнительная сложность, обусловленная тем, что коэффициент к ' зависит от значений qAví дв, которые сами подлежат определению

В связи с этим для решения задачи применялся метод последовательных приближений в следующем порядке.

1 - для начального приближения кгр' {кгр находилось решение

задачи и, в частности, определялись величины дА и дв

2 - вычислялся средний отпор грунта под кольцом дК = 0,5(^ + дв) и с помощью графика на рисунке 1-6 находилось второе приближение для значения коэффициента постели кгр'

3 - из найденного решения для второго приближения кгр определялись величины дл,двк дк, задавалось третье приближение для кгр и т д

Для нахождения кгр' с точностью в 5% достаточно 3-4-х приближений

В диссертации выполнены расчеты для резервуаров с У=5 000м3 и V-20 000м3 при изменение среднего модуля деформации Егр от 5МПа (верхняя граница слабых грунтов) до 20МПа (грунты с высокими прочностными

показателями), вычисленный коэффициент постели кгр менялся от 0,51МН/м3 до 2,02МН/м3 для 7=5 000м3 В случае резервуара с объемом К=20 000м3 диапазон изменения кгр составлял (0,34- 1,36)МБ/м3, а кгр' изменялся от 3,5МПа до 14МПа

В четвёртом разделе на первом этапе исследования рассматривается дополнительный прогиб днища в области неоднородности, не затрагивающий работу угарного узла резервуара (вариант 1, рисунок 7)

Рисунок 6 - Дополнительный прогиб днища в области неоднородности за пределами длины краевого эффекта в днище (1-йвариант залегания области неоднородности)

1- контур резервуара с радиусом Я-ОС,

2- область неоднородности с центром Он и с радиусом Ии, (С]С2 > Ь3 + 12кр, где 12 - длина краевого эффекта в днище резервуара)

Уравнение прогиба днища имеет вид

02Ж'У(х2) + кгр

С \ -

1 - ИБП!2 ж х2

Хъ)

Г2(х2) = р0, 0^2^2ДЯ,(13)

при граничных условиях

Щ'(0)=Щ'(Щ)=0 (14)

Максимально возможная стрела прогиба в этом случае равняется

у (шах) _ Ра__Рр _ Др _ ^г _

Кр-^гр К

д

п

В работе введен критерий подобия Кг = -—и показано, что при

к к

выполнении неравенства Кг < 0,001прогиб днища в области неоднородности описывается приближенной формулой

71 Х2

2 Я.

(16)

Вариант 2 соответствует расположению центра 0„ неоднородности вблизи уторного узла резервуара среднего объема (рисунок 7)

Рисунок 7 - Расчетная схема для определения прогиба днища при наличии области неоднородности с центром около уторного узла (2-й вариант залегания области неоднородности)

1- контур резервуара с радиусом Л, 2- окраечное кольцо с шириной А3,

3- область неоднородности с центром Он и радиусом

Для варианта 2 уравнения прогибов окрайки и днища имеют вид

А 07 +*„

1-псоз2

А Щ +КР

71 Х}

2 X;

я (Ь3 +х2)

Я..

Щ -Ро' 0<*3 <¿3,

¡Г^ро, 0^х2<Л„-Ь3, (17)

(изгиб стенки подчиняется первому уравнению системы 5)

Краевые условия в уторном узле соответствуют соотношениям (6), а для условий сопряжения на границах "окрайка - днище" (х3 = Ь3,х2 = 0) и "область неоднородности - остальной грунтовый массив" (хг =Ян -Ь},х} =0) справедливы уравнения (7)

Вариант 4 соответствует случаю, когда возле уторного узла резервуара большого объема залегает протяженная область неоднородности, вызывающая прогиб фундаментного кольца (рисунок 8)

Прогиб кольца с изгибной жесткостью Д, в зависимости от криволинейной координаты у описывается уравнением

гл

- ( \ -

1 - ПК БШ2 8 К —

(18)

с краевыми условиями

(19)

Предполагается, что при прогибе кольца его подошва перемещается параллельно самой себе, что позволяет считать ^(5) = при постоянном угле в и с величиной приведенного давления рК в плоскости обреза кольца р„ = кгр'Зв

Постановка задачи для варианта 4 соответствует уравнениям (5) - (7) и (9) - (13) с заменами величин Ь} на Ь3' и 1¥в на Жв (¿)

Рисунок 8 - Расчетная схема для определения изгиба стенки и прогиба днища резервуара с фундаментным кольцом при наличии значительной неоднородности с центром около уторного узла (4-й вариант залегания области неоднородности) 1- контур резервуара, 2- окраечное кольцо, 3- железобетонное фундаментное кольцо, 4- область неоднородности с центром в точке Ои и радиусом Ян

Вариант 3 для залегания небольшой области неоднородности сводится к варианту 4 путем использования равенства WB (i) = SB= const

Найденные перемещения конструктивных частей резервуара (с учетом существования области неоднородности) позволяют рассчитать кольцевое напряжение в стенке резервуара аи (z) и соответствующие изгибные напряжения <т,(z), ст2(х2) и сг3(х3)

(20)

* - Л ч- л / — «2

°г 5ъ

где К - радиус резервуара,

61,81,8Ъ - толщины стенки, днища и окрайки Часть выполненных в работе расчетов представленных в таблицах 1-3, где значения изгибных напряжений соответствует внешней поверхности стенки и днища резервуара

Таблица 1 - НДС днища

(1-й вариант залегания об резервуара объемом У=20 000м3ласти неод-

1,5

К' /,

МН! л? см МПа МПа

0,34 3,51 49,8 -67,5 0,1

7,70 112,0 -143,0 0,2

0,68 1,89 27,1 -37,7 0,1

4,11 62,4 -74,2 0,2

1,36 0,95 14,4 -16,9 0,1

2,10 34,0 -34,1 0,2

Таблица 2 - НДС резервуара объемом У=5 000м3 при к =0,51 МНI м _(2-ой вариант залегания области неоднородности

К м ^(тах) см о-,(0),М Па МПа (шах) МПа п, де

1,5 28,8 164,0 164,0 180 0,0

31,4 201 201 185 од

34,5 245 245 192 0,2

3,0 28,8 164 164 180 0,0

31,8 183 183 182 од

35,4 208 208 186 0,2

Таблица 3 - НДС резервуара объемом ¥=20 000 М3

(4-ый вариант залегания области неоднородности)

МПа МН/м3 МН/м3 в, РЗД ТУ см см Ки, м '.(о). МПа (шах) -"и » МПа МПа де

-345 0,0

5,0 0,34 3,5 0,0128 4,74 35,3 6,0 -411 214 -366 0,1

-389 0,2

Результаты проведенных исследований показывают, что для 1-го варианта залегания области неоднородности изгибные напряжения заметно увеличиваются при уменьшении коэффициента постели кгр (таблица 1) и радиуса области неоднородности .

При 2-ом варианте влияние области неоднородности на кольцевое напряжение <ты можно считать незначительным, а на изгибные напряжения сг,, <73 в стенке и окрайке резервуара - существенным (таблица 2)

В случае резервуара с фундаментным кольцом влияние области неоднородности при принятых в работе допущениях сводится к заметному увеличению уровня изгибных напряжений в окрайке резервуара Значение коэффициента п=0 в таблицах 2 и 3 соответствует отсутствию области неоднородности

Основные выводы по работе

1. На основе сочетания моделей Винклера и упругого полупространства предложен и обоснован способ определения коэффициентов постели для днища резервуара и фундаментного кольца

2. С помощью разработанного итерационного алгоритма рассчитаны осадка днища резервуара с фундаментным кольцом и радиальное перемещение его стенки

3 Предложено аналитическое выражение для распределения коэффициентов постели в области неоднородности естественного грунтового основания резервуара

4 Для предложенной зависимости коэффициента постели рассчитан дополнительный прогиб днища в области неоднородности и получен соответствующий критерий, позволяющий оценить с хорошей точностью прогиб днища и уровень его НДС в области неоднородности.

5. На основе разработанной математической модели найдены неравномерные перемещения стенки и днища резервуара с учетом области неодно-

родности и выявлено ее влияние на особенности формирования НДС конструктивных частей резервуара

Основные положения диссертации отражены в следующих работах-

1 Дегтярев П А Прогноз осадок резервуара большого диаметра на основе фильтрационной консолидации слабых водонасыщенных грунтов / Кушнир С Я, Горелов А С , Потапов А Ю , Лебедев В Д // Сб научи тр /«Мегапаскаль» -Тюмень,-№1 -2006 - С49-50

2 Дегтярев П А Определение вертикального напряжения в грунтовом основании вертикальных резервуаров / Горелов А С, Потапов А Ю , Лебедев В Д // Известия высших учебных заведений «Нефть и газ» -Тюмень ТюмГНГУ, - № 5 -2006 - С 42-43

3 Дегтярев П А Одномерная фильтрационная консолидация в грунтовом основании вертикального резервуара при его гидроиспытаниях / Горелов А С , Горковенко А И, Лебедев В Д // Проблемы эксплуатации систем транспорта материалы региональной научно-практической конференции - Тюмень ТюмГНГУ, 2006 - С 164-169

4 Дегтярев ПАК выбору краевых условий в уторном узле вертикального резервуара / Горелов А С , Горковенко А И // Геотехнические и эксплутационные проблемы нефтегазовой отрасли материалы Международной научно-технической конференции-Тюмень ТюмГНГУ, -2007 - С 18-20

5 Дегтярев П А Влияние неоднородности грунтового основания вертикального резервуара на его напряженно-деформированное состояние Проблемы эксплуатации систем транспорта / Всероссийская научно-практическая конференция Сборник материалов - Тюмень ТюмГНГУ,-2007-С 54-57

6 Дегтярев П. А Определение коэффициента постели грунтового основания вертикального стального резервуара / Проблемы эксплуатации систем транспорта Всероссийская научно-практическая конференция Сборник материалов -Тюмень ТюмГНГУ, - 2007 - С 57-62

Фонд содействия развитию научных исследований Подписано к печати 16 05 2008 г Бумага писчая Заказ №156 Тираж 100 экз Ротапринт ГУП «ИПТЭР» 450055, г Уфа, пр. Октября, 144/3

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Дегтярёв, Пётр Алексеевич

Введение.

Раздел 1. Состояние проблемы. Цель и задачи исследования.

1.1. Статистика и анализ аварийных ситуаций РВС.

1.2. Определение перемещений стенки и днища резервуара и нахождение их НДС.

1.3. Исследования, связанные с неравномерными осадками днища.

Выводы по разделу 1.

Раздел 2. Определение коэффициента постели для однородного грунтового основания РВС.

2.1. Устройство грунтовых оснований РВС и технические требования, предъявляемые к ним.

2.2. Определение коэффициентов постели для днища резервуара малого и среднего объёма.

2.3 Определение коэффициента постели под подошвой фундаментного кольца резервуара большой вместимости.

2.4 Влияние области неоднородности грунтов естественного основания РВС на определение коэффициента постели для днища и фундаментного кольца.

Выводы по разделу 2.

Раздел 3. Расчёт изгиба стенки и прогиба днища РВС.

3.1. Определение изгиба стенки резервуара.

3.2. Расчет прогиба днища в цилиндрической системе координат

3.3 Расчет осадки днища полосовым методом.

3.4. Определение прогиба днища при наличии фундаментного железобетонного кольца.

Выводы по разделу 3.

Раздел 4. Определение прогиба днища, изгиба стенки и их НДС при наличии области неоднородности в грунтовом основании РВС.

4.1. Расчёт прогиба днища и изгиба стенки резервуара при наличии в его естественном грунтовом основании области неоднородности.

4.2. Расчёт перемещений стенки и днища резервуара большого объёма при залегании в его грунтовом основании большой области неоднородности.

4.3. Определение НДС стенки и днища РВС с учётом существования области неоднородности.

4.4. Анализ полученных результатов.

Выводы по разделу 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Влияние области неоднородности грунтового естественного основания резервуара на его напряженно - деформированное состояние"

Стальные вертикальные резервуары (РВС) относятся к категории особо ответственных сооружений, что накладывает особые требования к проведению инженерно - геологических изысканий, строительным работам и дальнейшей эксплуатации резервуаров.

Обеспечение высокой надежности и хорошего- качества на всех этих стадиях является важной и актуальной научно-технической проблемой.

Для основания конструктивных частей резервуара (покрытие, стенка, днище) характерно сложное напряженно-деформированное состояние (НДС), определяемое различными факторами, среди которых одним из решающих является силовое взаимодействие резервуара'с его естественным грунтовым основанием.

Влиянию грунтового основания резервуара на перемещения указанных конструктивных частей резервуара и формирование их НДС посвящено значительное число исследований как отечественных, так и зарубежных авторов.

Тем не менее, ряд проблем остаются недостаточно изученными и требуют дополнительных исследований. В частности, не полностью определена динамика развития осадки основания резервуара при сложных инженерно-геологических условиях с учётом реологических процессов в его грунтовом основании; отсутствуют адекватные расчетные схемы, описывающие работу стенок и днища резервуара с учетом значительных удлинений днища, характерных при наличии слабых грунтов; недостаточно выявлены- связи геометрических и силовых характеристик грунтов, слагающих естественное основание резервуара, с механизмом формирования НДС его конструктивных частей [25].

Роль отмеченных проблем существенно возрастает в том случае, когда в грунтовом основании резервуара залегает область неоднородности со сниженными силовыми и деформационными характеристиками.

В этом случае наблюдается неравномерная осадка различных видов, приводящая к увеличению уровня НДС резервуара

Актуальность проблемы. Существующие в настоящее время методы расчета перемещений и НДС конструктивных частей резервуара не в полной мере учитывают деформационные характеристиками его грунтового основания. Дополнительная проблема возникает в том случае, когда в грунтовом основании залегает область неоднородности со своими значениями этих характеристик, что приводит к дополнительной неравномерной осадке днища резервуара и (при определённых вариантах расположения области неоднородности) затрагивает работу уторного узла резервуара, что влияет и на радиальное перемещение стенки. Рассмотрение влияния области неоднородности на прогиб днища и изгиб стенки с соответствующим механизмом формирования их НДС является сложной и актуальной задачей.

Научная новизна состоит в том, что на основе предложенной аналитической зависимости распределения коэффициента постели в области неоднородности разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать перемещения конструктивных частей резервуара и уровень их НДС с учётом существования области неоднородности в естественном основании резервуара.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением методов механики грунтов, строительной механики, сопротивления материалов, математического анализа, современного компьютерного программного обеспечения, а также сравнением полученных результатов с теоретическими и экспериментальными данными других авторов.

Практическая значимость заключается в том, что результаты выполненных исследований позволяют прогнозировать неравномерное перемещение конструктивных частей резервуара по данным инженерно-геологических изысканий. Разработанная модель также позволяет выявить особенности НДС резервуара с учётом залегания в его естественном основании области неоднородности.

Апробация работы. Основные результаты и научные положения диссертационной работы были доложены на:

5-ой региональной научно-практической конференции «Новые технологии — нефтегазовому региону», г. Тюмень, 2006 г.;

6-я региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Новые технологии — нефтегазовому региону», г. Тюмень, 2006 г.; всероссийской научно-практической конференции «Нефть и газ в Западной Сибири», г. Тюмень, 2006 г.; научно-технической конференции «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли», г. Тюмень, 2007 г.; региональной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации систем транспорта», г. Тюмень, 2007 г.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Дегтярёв, Пётр Алексеевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основе сочетания моделей Винклера и упругого полупространства предложен и обоснован способ определения коэффициентов постели для днища резервуара и фундаментного кольца.

2. С помощью разработанного итерационного алгоритма рассчитаны осадка днища резервуара с фундаментным кольцом и радиальное перемещение его стенки.

3. Предложено аналитическое выражение для распределения коэффициентов постели в области неоднородности естественного грунтового основания резервуара.

4. Для предложенной зависимости коэффициента постели рассчитан дополнительный прогиб днища в области неоднородности и получен соответствующий критерий, позволяющий оценить с хорошей точностью прогиб днища и уровень его НДС в области неоднородности.

5. На основе разработанной математической модели найдены неравномерные перемещения стенки и днища резервуара с учётом области неоднородности и выявлено её влияние на особенности формирования НДС конструктивных частей резервуара.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Дегтярёв, Пётр Алексеевич, Уфа

1. Айзен A.M., Прицкер В.Ш., Белобрагина J1.G. Статический расчет надежности стальных вертикальных цилиндрических резервуаров // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. — 1971. — № 1. —1. С. 9-12.

2. Александров A.B. Сопротивление материалов. Основы теории упругости и пластичности. — М.: Высшая школа, 2002. — 400 с.

3. Ашкинази М.И., Егоров Е.А. К расчету вертикальных цилиндрических резервуаров большой емкости // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. РНТС ВНИИОЭНГ. 1976. - № 4. - С.17-18.

4. Ашкинази М.И., Ланда М.Ш. К расчету местных напряжений в стальных резервуарах // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. РНТС ВНИИОЭНГ. 1975. - № 4. - С.21-23.

5. Бабков В.Ф., Безрук В.М. Основы грунтоведения и механики грунтов. — М.: Высшая школа, 1986. — 239 с.

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

7. Березин B.JL, Гумеров А.Г., Ращепкин К.Е., Ясин Э.М. Об эксплуатационной надежности нефтезаводских резервуаров / Труды НТС НИИ Транснефть, вып.4 «Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов», 1965. — С.204-207.

8. Березин В.Л., Гумеров А.Г., Ясин Э.М. К расчету долговечности ре-зервуарных конструкций / НТС Уфимского нефтяного института, вып.З

9. Проектирование, строительство и эксплуатация магистральных газонефтепроводов и нефтебаз», 1969. С.290-297.

10. Березин B.JL, Гумеров А.Г., Ясин Э.М. Устойчивость верхних поясов стальных вертикальных цилиндрических резервуаров // Нефть и газ. — 1969. — №4.-С. 81-85.

11. Березин B.JL, Шутов В.Е. Прочность и устойчивость резервуаров и трубопроводов. -М.: Недра, 1973. — 197 с.

12. Бородавкин П.П., Маслов JI.C., Шадрин О.Б. Характер осадки резервуаров и ее влияние на эксплуатационную надежность при хранении нефтепродуктов // РНТС ВНИИОЭНГ. 1965. - № 6. - С. 26-29.

13. Бугров А.К., Гребнев К.К. Численное решение физически нелинейных задач для грунтовых оснований // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1974. - №6. - С.22-25.

14. Буренин В.А. Исследование влияния неравномерных осадок на напряженно-деформированное состояние стального вертикального цилиндрического резервуара. — Дис. на соискание уч. степени докт. техн. наук. — Уфа, 1980.-157 с.

15. Буслаева И.И. Оценка несущей способности резервуаров при неравномерных осадках основания в условиях Севера / Дис. на соискание уч. степени. канд. тех. наук Якутск: ЯГУ, 2004. - 134 с.

16. Буслаева И.И., Афонская Г.П., Попова О.П. Анализ отказов резервуаров / Тезисы докл. науч.-практич. конф. молодых ученых. — Якутск, 1994. -С. 26.

17. Буслаева И.И., Прохоров В.А. Исследование причин отказов резервуаров / Сб. тр. междунар. конф. «Металостроительство 96» Т.2. - Донецк -Макеевка: ДГАСА, 1996. - С. 49-50.

18. Васкович A.A., Лебедев Т.К., Ржавские E.JI. Влияние температуры хранимого.продукта на напряженное состояние уторного соединения металлических резервуаров // Серия «Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов». М.: ВНИИОЭНГ. - 1978. -№1. - С. 14-15.

19. Власов B.3i, Леонтьев H.H. Балки, плиты и оболочки на упругом основании. -М.: Госстройиздат, 1960.

20. Востров В.К. Катанов A.A. Расчёт напряжений и перемещений в уторном узле о окрайках днища резервуара // Монтажные и специальные работы в строительстве. — 2005. № 8. С. 22-26.

21. Галеев В.Б. Напряженно-деформированное состояние резервуаров, построенных на слабонесущих переувлажненных грунтах. — Дис. на соискание уч. степени докт. техн. наук. — Тюмень, 1987. — 668с.

22. Галеев В.Б. Проектирование оснований резервуаров на слабых водо-насыщенных грунтах // РНТС ВНИИОЭНГ Серия «Нефтепромысловое строительство». 1976. — № 11. —С. 13-15.

23. Галеев В.Б. Эксплуатация стальных вертикальных резервуаров в сложных условиях. — М.: Недра, 1981. 117с.

24. Галеев В.Б., Буренин В.А. Влияние крена на напряженно-деформированное состояние резервуара / Тез. докл. «Результаты научных исследований в области повышения качества продуктивности и эффективности нефтегазовой промышленности». — Уфа, 1977. С.149-150.

25. Галеев В.Б., Иштиряков М.С. Напряженно-деформированное состояние днища вертикального цилиндрического резервуара // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов, № 2. М.: ВНИИОЭНГ, 1977. - С. 28-29.

26. Галеев В.Б., Любушкин B.B. Методы устранения осадки оснований стальных вертикальных резервуаров / HTG УНИ «Проектирование, строительство и эксплуатация газонефтепроводов и нефтебаз». — Уфа, 1972. — С. 244-250.

27. Галеев В.Б., Любушкин В.В., Саблин Н.В., Теньков Н.Ф. Методы устранения осадки оснований металлических резервуаров / РНТС ВНИИОЭНГ, № 5 «Транспорт и хранение нефти^и нефтепродуктов», 1972. — С. 23-25:

28. Галеев В.Б., Файзуллин С.М. Способ возведения основания сооружения в слабых переувлажненных грунтах. Авт. свид. №619573, приоритет от 08.10.76./ зарегистр. 21.04.78/.

29. Галеев В.Б., Гарин Д.Ю., Закиров O.A. и др. Аварии резервуаров и способы их предупреждения.- Уфа: ГУЛ "Уфимский полиграфкомбинат", 2004-164с.

30. Галеев В.Б., Тарасенко A.A., Шаламов A.B. Расчёт узла сопряжения корпуса резервуара с днищем-мембраной / Межвузовский сборник научных трудов. / Проблемы освоения нефтегазовых ресурсов Западной Сибири. — Тюмень, 1990.-С. 135-139.

31. Гольдштеин М.Н: Механические свойства грунтов. М.: Стройиздат, 1973, 375с.

32. Горбунов — Посадов М.И., Давыдов С.С. О совместной работе оснований и сооружений / Труды VIII международного конгресса по механике грунтов и фундаментостроению. -М.: Стройиздат, 1975.

33. Горбунов Посадов М.И., Маликов Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании. - М: Стройиздат, 1984. - 679 с.

34. Дегтярёв П.А., Кушнир С.Я., Горелов A.C., Потапов А.Ю., Лебедев В.Д. Прогноз осадок резервуара большого диаметра на основе фильтрационной консолидации слабых водонасыщенных грунтов: Сб. научн. тр. // «Мега-паскаль». Тюмень. - 2006. -№1. - С.49-50.

35. Дегтярёв П.А., Горелов A.C., Потапов А.Ю., Лебедев В.Д. Определение вертикального напряжения в грунтовом основании вертикальных резервуаров: // Известия высших учебных заведений «Нефть и газ». — Тюмень: ТюмГНГУ, № 5, 2006. С. 42-43.

36. Дегтярёв П.А. Определение коэффициента постели грунтового основания вертикального стального резервуара: // Проблемы эксплуатации систем транспорта: Всероссийская научно-практическая конференция. Сборник материалов. Тюмень: ТюмГНГУ, 2007 — С. 57-62.

37. Дуда Р.И. Некоторые вопросы прочности стальных вертикальных резервуаров. Автореферат дис. канд. техн. наук. - М., 1957. - 23 с.

38. Егоров Е.А. Надежность и учет пластической фазы работы стали в сварных резервуарах / Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов, № 9. — М.: ВНИИОЭНГ, 1977. С. 28-30.

39. Егоров К.Е. К расчету деформаций оснований. — М: ФГУП «ВНИИН-ТПИ», 2002. 400 с.

40. Егоров К.Е. Сопоставление фактических осадок болыперазмерных фундаментов с расчетами // Труды НИИОСП. М., Вып.71, 1981.

41. Зарецкий Ю.К. К расчету ленточных фундаментов на нелинейно-деформируемом и неоднородном основании // Основания,' фундаменты и механика грунтов. — 1965.— № 1.

42. Землянский A.A. Принципы конструирования и экспериментально-теоретические исследования крупногабаритных резервуаров. Дис. на соискание уч. степени докт. техн. наук. — Саратов, 2005.

43. Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. Механика грунтов. -М.: Высшая школа, 1991. — 447 с.

44. Инструкция «Методы ремонта элементов конструкций стальных вертикальных цилиндрических резервуаров после длительной эксплуатации». — Тюмень: Изд-во АООТ «Сибнефтепровод», 1997. 258 с.

45. Иштиряков М.С. Исследование прочности и устойчивости стальных вертикальных цилиндрических резервуаров. — Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Уфа, 1982. — 127 с.

46. Клепиков С.Н. Расчет конструкций на упругом основании. — Киев: Будивельншс, 1967.

47. Кондрашова О.Г., Назарова M. Н. Причинно-следственный анализ аварий вертикальных стальных резервуаров // Нефтегазовое дело. 2004. - № 2. - С. 202-209.

48. Коновалова О.П. Подготовка1 оснований резервуаров с учетом консо-лидационных свойств слабых грунтов. — Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. — Тюмень, 2002. 176 с.

49. Коренев Б.Г., Черниговская Е.И. Расчет плит на упругом основании. — М.: Гос. изд-во литер, по строит., архитектуры и строит, матер., 1962. — 354 с.

50. Листова А.И. Исследование эффективности конструкций стальных резервуаров? для нефтепродуктов методами математического программирования. Автореферат дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. — Днепропетровск, 1975.

51. Лебедев В.Д. Напряженно-деформированное состояние вертикального резервуара с учётом консолидации грунтового основания. — Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. — Тюмень, 2007.

52. Любушкин В.В. Исследование осадки основания и напряженного состояния днища стального вертикального резервуара. Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. - Уфа: УНИ, 1979. - 229 с.

53. Малыгин В.А., Кузьмина В.П. Геология и гидрогеология. — М.: Недра, 1977.-240 с.

54. Малютина И.Ф. Исследование влияния нестационарных температурных полей на напряженно-деформированное состояние цилиндрических емкостных сооружений. Автореферат дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук . — Харьков, 1974. - 22 с.

55. Матвеев В.Е. Задача оптимизации симметрично нагруженной цилиндрической оболочки с плоскими днищами. — Автореферат дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. — Куйбышев, 1975. 16 с.

56. Махутов H.A., Пермяков В.Н. Ресурс безопасной эксплуатации сосудов и трубопроводов. — Новосибирск: Наука, 2005. — 516 с.

57. Механика грунтов, основания и фундаменты / С.Б.Ухов, В.В.Семенов, В.В.Знаменский и др. — М.: Высшая школа, 2004. — 566 с.

58. Новый метод расчета стальных конструкций. В сборнике «Гражданское строительство», №9 /перевод с английского/. — М.: Стройиздат, 1979.

59. Основания и фундаменты резервуаров / Ю.К. Иванов, П.А.Коновалов, Р.А.Мангушев, С.Н.Сотников. -М.: Стройиздат, 1989.-223 с.

60. Основания, фундаменты и подземные сооружения / М.И. Горбунов — Посадов, В.А. Ильичев, В.И. Крутов и др. — М.: Стройиздат, 1985. 480 с.

61. Петров И.П. Экспериментальное исследование работы нижнего узла цилиндрического резервуара // Труды ВНИПСтройнефть. 'Вып. 9. М., 1957. -С. 38-50.

62. Потапов А.Ю. Расчет уторного узла резервуара с учетом растягивающих усилий в его днище // Проблемы эксплуатации систем транспорта: материалы региональной научно-практической конференции. Тюмень: ТюмГН-ГУ, 2006.-С. 238-241.

63. Потапов А.Ю., Кушнир С .Я., Горелов A.C., Лебедев В.Д Анализ нормативных документов, регламентирующих осадки вертикальных стальных резервуаров // «Горные ведомости». — Тюмень. — 2005. — №12. С. 96 - 98.

64. Потапов А. Ю. Влияние деформационных характеристик грунтов основания на работу стенки и днища резервуара. Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. — Тюмень, 2007г.

65. Промысловые трубопроводы и оборудование / Ф.М. Мустафин, Л.И. Быков, А.Г. Гумеров и др. М.: ОАО «Недра», 2004. - 662 с.

66. Репников Л.Н. Расчет балок на упругом основании, объединяющем деформативные свойства основания Винклера и линейно-деформируемой среды // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1967. - № 6.

67. Розенштейн И.М. Аварии и надежность стальных резервуаров. — М: Недра, 1995.-253 с.

68. РД 39-0147103-340-86. Методика расчёта на прочность и устойчивость резервуаров при неравномерных осадках основания. Уфа, 1986 — 30с.

69. Саргсян А.Е., Демченко А.Т., Дворяншков. Н.В., Джинчвелашвили Г.А. Строительная механика. М.: Высшая школа, 2000. — 416 с.

70. Сафарян М.К. Металлические резервуары и газгольдеры. М.: Недра, 1987.-200 с.

71. Сафарян М.К. Основные положения расчета цилиндрических и сферических оболочек на устойчивость (применительно к резервуаростроению) / «Монтажные работы в строительстве».- — М., вып. 2, 1967. — С. 20-33.

72. Сафарян М.К., Иванцов О.М. Проектирование и сооружение стальных резервуаров. — М.: Гостоптехиздат, 1961. — 328 с.

73. СП 50-101-2004 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. М.: ФГУП ЦПП, 2005. - 130 с.

74. Справочник по специальным функциям / Под. ред. М.Абрамовица и И.Стиган. М.: Наука, 1979. - 832 с.

75. Строительство зданий и сооружений в сложных грунтовых условиях / Абелев М.Ю., Ильичев В.А., Ухов С.Б. и др. — М.: Стройиздат, 1986.

76. Стулов Т.Т. Расчет наземных резервуаров с учетом устойчивости основания // Труды МИНХ и ГП, № 5, 1967. С. 95-105,

77. СНиП 3.03.01-87. Несущие и ограждающие конструкции /Госстрой-СССР. М.: ЦИПТ Госстроя СССР,1988. 192с.

78. Тарасенко А.А., Воробьев В.А., Васильев Г.Г., Иванцова С.Г. Практикум по проектированию, сооружению и ремонту вертикальных стальных цилиндрических резервуаров. — М.: Изд-во РГ им. И.М.Губкина,.2004. — 167 с.

79. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. — М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. 592 с.

80. Филиппов В.В., Прохоров В.А., Аргунов С.В., Буслаева И:И. Техническое состояние резервуаров для хранения нефтепродуктов объединения

81. Якутнефтепродукт» // Известия:вузов. Строительство! 1993. — №7-8. — С. 13-16.

82. Хопёрский Г. Г. Исследование напряжённо-деформированного состояния стенки резервуара при неравномерных. осадках основания. — Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Тюмень, TiomI III У, 1998.

83. Цытович Н.А. Механика грунтов. — Mi: Высшая школа, 1979. — 272 с.

84. Цытович I-LA., Тер-Мартиросян З.Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве. М.: Высшая школа, 1981. — 317 с.

85. Ясин Э.М., Ращепкин К.Е. Устойчивость плоских днищ вертикальных цилиндрических резервуаров для хранения нефтепродуктов // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов, № 8. М : ВНИИОЭНГ, 1966. - С. 13-14.

86. Напряжения и деформации, образующиеся в цилиндрических резервуарах вследствие неравномерного оседания основания // Ямамото С:, Кавано К., ВДП. № А-49231, 18 с. «Нихон Кикай Гаккайси», 1977, т.80, № 703,1. С. 534-539.

87. Определение концентрации- единичных усилий в: цилиндрических резервуарах. Jatan R.V. Bucharesti, 1974, V 36, № 1, p. 71-82.' ' "

88. Clarke J. S. How to handle tank bottom and foundation problems. Oil fnd Gaz Journal, 1971, № 5, pp. 82-84.

89. Greenwood D.A. Differential settlement tolerance of cylindrical steel tanks for buk liquid storage. Proceedings, Conference on Settlement of Structures, British Geotechnical Society, Cambridge, 1974, pp. 361-367/

90. Krupka U. Borceni kruhoveho plaste velkych nadrzi vlivem sedani — Jnzenyrske stavby, 1974, r 22, № 11, s, 538-542.

91. Lambe W.T. and Whitman R.U. Soil mechanics John Wiley and Sons, New York, NY, 1969, p. 201.

92. Piesla W. Tabelarycze wyznaczanie sit w potaczeniu pobocznicy z dnem zbiornikow na produkty naftome. — Zesz nauk PC dan 1974 (1975), № 223,s. 19-29.