Оценка несущей способности резервуаров при неравномерных осадках основания в условиях Севера

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 4
1. Анализ работы резервуаров, эксплуатируемых на Севере 8
1.1. Описание объекта исследования 8
1.2. Исследование вопросов надежности резервуаров 12
1.3. Особенности эксплуатации резервуаров на Севере 21
1.4. Обзор исследований по несущей способности резервуаров 28
1.5. Цель и задачи исследования 32
2. Методика определения крена резервуара и неравномерных осадок контура днища 35
2.1. Геодезические измерения днищ резервуаров 35
2.2. Оценка точности геодезических измерений 38
2.3. Оценка точности условных отметок 41
2.4. Определение неравномерных осадок точек контура днища 44
2.5. Определение параметров неравномерных перемещений
контура днища аппроксимацией рядом Фурье 47
2.6. Определение крена резервуара и неравномерных перемещений
контура днища последовательными аппроксимациями 50
2.7. Точность определения крена и неравномерных осадок
резервуара 57
3. Анализ технического состояния резервуаров в условиях Крайнего Севера 60
3.1. Анализ аварий резервуаров 60
3.2. Дефекты и повреждения резервуаров 67
3.3. Неравномерные осадки оснований резервуаров 76
3.4. Температурные воздействия 79
4. Оценка несущей способности резервуара 85
4.1. Расчет резервуара на действие температурной нагрузки 85
91
103
ПО
118
120
132
133
«
*
4.2. Расчет резервуара на действие осесимметричной нагрузки
4.3. Расчет резервуара на неравномерную осадку основания
4.4. Оценка несущей способности резервуара при
наличии трещиноподобных дефектов уторного соединения Основные выводы Список использованной литературы Приложение 1 Приложение 2
ВВЕДЕНИЕ
Система обеспечения нефтепродуктами является основой для развития ключевых отраслей экономики - промышленности, транспорта, сельского хозяйства. Завоз нефтепродуктов в районы Крайнего Севера осуществляется по водным путям в течение короткого периода навигации. Для хранения годового запаса нефтепродуктов в Республике Саха (Якутия) используются стальные вертикальные цилиндрические резервуары емкостью до 10000 м\ Общая вместимость резервуарного парка республики составляет около 1,7 млн. м3.
Нефтебазы, расположенные на берегах рек недалеко от населенных пунктов, представляют собой экологически опасные объекты. При авариях резервуаров разлившиеся нефтепродукты зафязняют прилегающие территории и водные бассейны. Экономический ущерб от аварий с утечкой нефтепродуктов включает не только прямые потери, но и затраты на экологические мероприятия по восстановлению окружающей среды, а также затраты на восполнение запаса нефтепродуктов, крайне необходимых для жизнеобеспечения населения в суровых условиях Севера. Расходы на экстренную доставку нефтепродуктов значительны ввиду использования авиации или автотранспорта по временным зимним дорогам.
Более половины общего числа нефтяных резервуаров в Якутии сдано в эксплуатацию до 1966 г., то есть у большинства емкостей выработаны нормативные сроки службы. Обследования технического состояния выявили у многих резервуаров дефекты и повреждения, параметры которых превышают предельно допустимые значения. Неудовлетворительное техническое состояние резервуаров увеличивает вероятность их отказов. В последние годы на нефтебазах республики участились аварии резервуаров с разливом нефтепродуктов. Тем не менее, по экономическим причинам резервуары, не отвечающие нормативным требованиям, продолжают находиться в эксплуатации. Необходимо срочное решение вопросов продления ресурса,
вывода в ремонт или прекращения эксплуатации емкостей, имеющих монтажную и эксплуатационную дефектность и выработанный нормативный срок службы. Принятие таких решений для каждого конкретного резервуара должно проводиться с учетом остаточного ресурса, определяемого на основе оценки технического состояния конструкций. Оценка технического состояния резервуаров при высоком уровне накопления дефектов и повреждений в условиях Крайнего Севера представляет собой комплексную задачу, решение которой включает определение несущей способности крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций с учетом влияния низких температур эксплуатации, фактических нагрузок и воздействий.
Целыо работы является оценка несущей способности стальных вертикальных цилиндрических резервуаров с дефектами сварных швов и неравномерными осадками оснований при низких климатических температурах.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
1. Разработать методику обработки данных нивелирования для определения параметров неравномерных осадок основания резервуара.
2. Провести анализ данных по дефектам и повреждениям резервуаров, эксплуатируемых на Севере.
3. Оценить влияние температурных воздействий окружающей среды на напряженно-деформированное состояние резервуара.
4. Разработать методику инженерного расчета напряженно-деформированного состояния уторного соединения стенки и днища резервуара при неравномерных осадках основания.
5. Определить несущую способность резервуара с установленными неравномерными осадками основания при наличии дефектов сварных швов уторного соединения стенки и днища в условиях низких температур эксплуатации.
Научная новизна заключается в оценке несущей способности конструкций резервуаров с монтажными и эксплуатационными дефектами в экстремальных климатических условиях Крайнего Севера. В работе получены следующие результаты:
разработана методика геодезических измерений контура днища резервуара и обработки данных нивелирования;
выполнена оценка напряжений в уторном соединении стенки с днищем от температурных климатических воздействий;
- определены зависимости для расчета краевого эффекта в сопряжении стенки и днища резервуара на упругом винклеровском основании, позволяющие упростить вычисление усилий при действии осесимметричных нагрузок и установить допустимый уровень налива нефтепродукта по величине изгибающего момента в опорном сечении стенки;
- предложена методика расчета напряжений в соединении стенки с днищем от неравномерных осадок основания;
предложена методика оценки несущей способности резервуара с непроваром в уторном соединении при неравномерных осадках основания в условиях низких температур.
Достоверность результатов работы обеспечивается использованием научно обоснованных методов расчета, применением современных программных комплексов, а также сопоставлением полученных результатов с теоретическими и экспериментальными данными других авторов.
Практическая значимость заключается в том, что разработанная методика нивелирования днищ цилиндрических резервуаров и обработки полученных данных, а также методика определения допустимого уровня заполнения могут быть использованы при решении практических вопросов надежной эксплуатации резервуаров. Результаты диссертационной работы внедрены в производственную деятельность НПП «СибЭРА» (Красноярск) в виде методик, применяемых при оценке технического состояния резервуаров. В приложении 1 приведена копия акта внедрения.
7
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов (Якутск, 1994); на международной конференции «Металлостроительство-96» (Донецк, 1996); на I Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2002); на республиканской научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительного и жилищно-коммунального комплексов Республики Саха (Якутия)» (Якутск, 2004). Результаты исследований и методические разработки диссертационной работы апробированы в НПГ1 «СибЭРА» (Красноярск).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы, содержащей 111 наименований, и изложена на 134 страницах машинописного текста.
♦
♦
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАБОТЫ РЕЗЕРВУАРОВ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ НА СЕВЕРЕ
1.1. Описание объекта исследования
Вертикальные цилиндрические стальные резервуары со стационарной крышей используются для хранения нефти и нефтепродуктов с низкой упругостью паров. На нефтебазах Якутии эксплуатируются построенные по типовым проектам резервуары вместимостью 400, 700, 1000, 2000, 3000, 5000, 10000 м3.
Резервуары представляют собой крупногабаритные листовые конструкции, имеющие большую протяженность сварных швов. Основными конструктивными элементами резервуара являются днище, стенка и крыша. Стенка - тонкая цилиндрическая оболочка - состоит из поясов, сваренных между собой встык. Пояса собираются из типовых листов расчетной толщины размером 1500 х 6000 мм. При длине окружности цилиндрической стенки, не кратной 6000 мм, используются вставки размером 0,5 или 0,25 длины типового листа. Днище резервуара состоит из полос, которые изготавливаются из прямоугольных листов, свариваемых встык по короткой стороне. Полосы соединяются при толщине листов 4-5 мм внахлестку с перекрытием на 30-60 мм, а при толщине листов 6 мм соединение выполняется встык. Для резервуаров емкостью не менее 5000 м3 окрайки днища изготавливают в виде сегментов. Полотнища днища при монтаже соединяются внахлестку, причем сварной шов выполняется только с наружной стороны, а в местах примыкания стенки для обеспечения гладкой поверхности выполняется соединение встык на подкладке. Тавровое соединение стенки резервуара с днищем выполняют угловыми швами с высотой катета не менее 4 мм и не более толщины окрайки днища. Конические щитовые крыши с центральной стойкой применяются для резервуаров, объем которых не превышает 5000 м3. Резервуары емкостью 10000 м3 монтируются со сферической крышей.
Резервуары вместимостью до 5000 м3 включительно обычно устанавливаются на искусственном основании, состоящем из грунтовой подсыпки, песчаной подушки и гидроизоляционного слоя, который предохраняет днище от коррозии, возникающей под действием грунтовых вод и конденсата. Отвод поверхностных вод от резервуаров обеспечивается планировкой и устройством отводных и нагорных канав. Для резервуаров большого объема, а также при сложных инженерно-геологических условиях устраивают бетонные или железобетонные кольцевые фундаменты под стенкой или фундаментную плиту под весь резервуар.
Несущие конструкции резервуаров рассчитывают по предельным состояниям согласно строительным нормам и правилам [1]. Расчетный запас прочности, закладываемый при проектировании резервуаров без учета коэффициентов запаса по нагрузкам, достигает 70% [2]. В резервуаро-строении применяются малоуглеродистая сталь ВСтЗ и низколегированные стали 09Г2С, 16Г2АФ [3].
Расчетная схема стенки вертикального цилиндрического резервуара представляет собой тонкостенную оболочку вращения, находящуюся в двухосном напряженном состоянии при действии осесимметричных нагрузок. Конструктивное решение узла соединения цилиндрической стенки с плоским днищем приводит к нарушению безмоментного состояния оболочки вблизи днища и к возникновению напряжений моментного состояния (краевой эффект). В местах примыкания к стенке патрубков и люков возникают локальные краевые эффекты. В зонах краевых эффектов имеет место сложное напряженное состояние и концентрация напряжений. При статических нагрузках и нормальной температуре эксплуатации концентрация напряжений не оказывает существенного влияния на несущую способность [4].
Стенка резервуара рассчитывается на прочность от действия гидростатической нагрузки и избыточного давления паровоздушной смеси по безмоментной теории упругих оболочек. Коэффициент условий работы принимается /=0,8. В зоне краевого эффекта сопряжения стенки с днищем
производится проверка напряжений моментного состояния, при этом с учетом допустимости пластических деформаций принимается коэффициент условий работы у= 1,6. Пояса стенки проверяют на устойчивость от действия веса стенки и крыши с установленным на ней оборудованием; вакуума; снеговой и ветровой нагрузок.
Толщина днища назначается конструктивно в предположении, что в нем от давления хранимой жидкости и реактивного отпора основания возникают незначительные напряжения. В местах примыкания стенки крайние листы днища (окрайки) принимают толще на 2-3 мм для восприятия усилий краевого эффекта. При назначении толщины днища руководствуются удобством выполнения сварных швов, а также учитывают сопротивляемость металла коррозии. Расчет крыши зависит от ее конструктивного решения. Расчет оснований резервуаров в обычных грунтовых условиях проводится но деформациям [5]. Вечномерзлые фунты рекомендуется использовать в качестве основания по I принципу с сохранением их мерзлого состояния.
Нагрузки и воздействия определяются для предусмотренных условий строительства и эксплуатации. Величина гидростатического давления зависит от плотности хранимой в резервуаре жидкости и уровня ее налива. Резервуары со стационарной крышей рассчитываются на избыточное давление 2 кПа и вакуум 0,25 кПа. Избыточное давление в резервуаре создается при заливе нефтепродуктов в результате скопления парогазовой смеси под крышей [6]. Испарение нефтепродуктов происходит при повышении температуры и падении давления окружающей среды. Вакуум образуется в результате быстрого охлаждения паров нефтепродукта и при быстром опорожнении резервуара. Избыточное давление паровоздушной смеси на нефтепродукт добавляется к гидростатическому давлению и приводит к увеличению напряжений в стенке. Избыточное давление на корпус вызывает поперечный изгиб и растяжение крыши, а также усилия краевого эффекта в местах сопряжения крыши со стенкой. Вакуум вызывает в корпусе такие же усилия,
но с обратным знаком. Снеговые и ветровые нагрузки нормируются по СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» [7].
Условия работы резервуаров определяются тем, что они эксплуатируются без утепления при низких температурах (ниже -40°С), работают в нейтральных и агрессивных средах (при хранении сырой нефти), длительное время находятся в нагруженном состоянии.
Указания СНиП И-23-81* «Стальные конструкции» предусматривают проверку прочности конструкций с учетом возможности хрупкого разрушения по формуле, в которой действие факторов хрупкого разрушения эмпирически учитывается одним коэффициентом /?. Он принимается в зависимости от схемы элемента, расположения расчетного сечения, толщины элемента в расчетном сечении и климатического района строительства. Для обеспечения хладостойкости «Правила устройства вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов» ПБ 03-381-00 [8] регламентируют выбор стали по величине ударной вязкости, получаемой при определенной температуре испытаний образцов типа Шарли с острым V-образным надрезом (ГОСТ 9454-78). Температура испытаний устанавливается по номограмме в зависимости от класса прочности применяемой стали, расчетной температуры металла и толщины элемента. По этим правилам в конструкциях резервуаров, предназначенных для эксплуатации при низких температурах, можно использовать сталь 09Г2С, но поставляемую по техническим условиям с более жесткими требованиями, например, при температуре эксплуатации -60°С по ТУ 14-104-159-96 [9]. В изданных ранее нормативно-технических документах выбор марки конструкционной стали проводился по величине ударной вязкости при испытаниях стандартных образцов с Ы-образным надрезом (типа Менаже) [10].