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 50 000 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.

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-20 000 составляет 28 лет, РВС-10 000 -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.