На правах рукописи
бабичев дмитрий андреевич
Оценка напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов сооружений переменного объема для хранения нефти и нефтепродуктов
Специальность 05.02.13. – Машины, агрегаты и процессы
нефтегазовой отрасли
Автореферат
диссертации на соискание степени
кандидата технических наук
Тюмень 2008
Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,
Кандидат технических наук
Ведущая организация: Нефтегазпроект»
Защита диссертации состоится ________________ 2008 года в _____часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.08 при Тюменском государственном нефтегазовом университете г. Тюмень,
.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного нефтегазового университета 2.
Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, с подписью составителя и заверенный печатью организации просим направлять в адрес диссертационного совета.
Автореферат разослан _________________2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.273.08
кандидат технических наук, доцент
Актуальность проблемы
Согласно «Энергетической стратегии России» предприятиям нефтяной и газовой промышленности предписывается внедрять в производственный процесс машины и агрегаты, позволяющие рационально использовать природные ресурсы, а также минимизировать отрицательное воздействие технологических процессов на окружающую среду.
На территории Западной Сибири, являющейся крупнейшим поставщиком нефти в Российской Федерации, общие потери легких фракций углеводородов ежегодно только в Тюменской области достигают 600 тыс. тонн, и в настоящее время наблюдается тенденция роста. Это ведет к снижению качества хранимого продукта, повышению уровня пожаро - и взрывоопасности процессов слива и налива жидких углеводородов, а также загрязнению окружающей среды ценнейшими нефтяными фракциями.
Появление новых композитных материалов позволяет для борьбы с испарениями проектировать и активно внедрять в производство комбинированные конструкции резервуаров, состоящие из жесткостенного бассейна и помещенной внутрь него гибкой синтетической емкости, изменяющей свою форму при осуществлении сливо-наливных процессов. При этом сокращаются вредные выбросы и пожарная опасность технологических процессов, решается проблема стратегического хранения продукта без потери его качества.
Надежная эксплуатация комбинированных резервуарных конструкций невозможна без оценки технического и напряженного состояния стенок и днища несущих элементов сооружения, возникающих от эксплуатационных нагрузок.
Вопросу оценки напряженно-деформированного состояния гибких конструкций посвящено значительное количество работ различных авторов: , , 3., , Ильина анализ публикаций показал, что разработанные методы расчета требуют тонких оценок сходимости, устойчивости и точности решения, а также трудноприменимы при поисковых исследованиях, когда структура конструкции ещё не устоялась и может изменяться. В этом случае требуется решение оптимизационной задачи, которая в общем случае имеет нелинейную целевую функцию и нелинейные ограничения и на каждом шаге оптимизации необходимо проводить анализ напряженного и деформированного состояния оболочки, удовлетворяя при этом и краевые условия. Поэтому разработка методик, позволяющих с точностью, достаточной для инженерных расчетов, определять форму и напряженное состояние резервуаров переменного объема, пригодных для реализации в электронно-вычислительных системах, является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы: Повышение надежности емкостей переменного объема за счет оценки и контроля напряженно-деформированного состояния и формы конструктивных элементов.
Основные задачи исследований
1. Получение аналитических зависимостей формы гибкой несущей оболочки от степени ее заполнения и действующих нагрузок.
2. Разработка расчетной схемы и конечно-элементной модели гибкой цилиндрической емкости, позволяющих определять напряженно-деформированное состояние при хранении и сливо-наливных операциях.
3. Разработка методики определения деформации формы емкости переменного внутреннего объема в зависимости от степени ее заполнения и физико-химических свойств хранимого продукта.
4. Выполнение моделирования резервуарных конструкций переменного объема при различных параметрах для оценки адекватности разработанных математических моделей.
Научная новизна работы
1. Установлена зависимость между радиусом кривизны конечного элемента оболочки и нагрузками, действующими на нее, положенная в основу построения ее конечно-элементной модели.
2. Получены аналитические зависимости напряженно-деформированного состояния напряженной цилиндрической конструкции от нагрузок, позволяющие на стадии проектирования определять ее профиль.
3. Разработаны алгоритмы построения профиля и определения напряженно-деформированного состояния стенки, а также проведения on-line мониторинга гибкой цилиндрической конструкции в процессе осуществления основных технологических операций.
4. Разработана методика расчета профиля гибкой цилиндрической емкости переменного объема для хранения нефти и нефтепродуктов, позволяющая стадии проектирования определять оптимальные геометрические параметры конструкции.
Практическая ценность работы
Полученные аналитические зависимости позволяют проектным организациям на стадии разработки с точностью, достаточной для инженерных расчетов, определить профиль гибкой резервуарной конструкции переменного внутреннего объема и рассчитать нагрузки, действующие на нее. Разработана прикладная программа для расчета профиля гибкой цилиндрической конструкции и определения напряженно-деформированного состояния ее стенки, позволяющая операторам и диспетчерам служб эксплуатации, с использованием современных информационных технологий, в режиме реального времени осуществлять контроль за техническим состоянием резервуарной конструкции при проведении основных технологических операций.
Апробация работы
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях и семинарах различного уровня:
- всероссийского: Конкурсе молодежи «Транснефть» на лучшую научно-техническую разработку «Проблемы трубопроводного транспорта нефти» (Тюмень, 2005г.); учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт-2005» (Уфа, 2005, 2006 г.); Конкурсе молодых ученых и специалистов на лучшую научно-техническую разработку (Москва, 2007 г.);
- международного: научно - технической конференции «Интерстроймех» (Тюмень, 2005 г.); научно-технической конференции «Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта» (Новополоцк, 2006 г.); научно-технической конференции «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли» (Тюмень, 2007 г.).
Публикации
По материалам работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 в издательствах, реферируемых ВАК.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, содержит 144 страницы машинописного текста, 19 таблиц, 38 рисунков, 1 приложения, библиографического списка использованной литературы из 147 наименований.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи диссертации, показана научная новизна и практическая ценность выполненных исследований.
Первый раздел посвящен комплексному анализу существующих методов и средств хранения нефти и нефтепродуктов. Показано, что одной из основных проблем при эксплуатации нефтяных емкостей являются потери хранимого продукта от испарений. Борьбе с потерями посвящены работы многих авторов: , , Тугунова Н. А. и др., результатами исследования которых являются разработанные и применяемые на практике методы сокращения испарений углеводородных фракций из резервуаров. Принятые в эксплуатацию в период интенсификации процессов нефтедобычи, они позволили предотвратить потери больших объемов добытого сырья и продолжают успешно выполнять свои функции в настоящее время. Однако развитие современной науки в областях многофункциональных композитных материалов открывает возможность создания при минимуме капитальных и эксплуатационных затрат альтернативных существующим резервуарных конструкций. Например, переменного объема, позволяющих существенно снизить интенсивность процесса испарений хранимого продукта.
Проведенный в разделе анализ позволил выявить основные проблемы, возникающие в процессе эксплуатации напряженных цилиндрических конструкций, сформулировать цель и основные задачи исследования.
Второй раздел посвящен разработке математической модели гибкой напряженной цилиндрической оболочки, позволяющей определять зависимости формы сооружения переменного объема от действующих нагрузок. Также выявлены особенности методов анализа напряженно-деформированного состояния емкости переменного объема.
При разработке математической модели гибкая оболочка рассматривалась как двумерный геометрический объект, являющийся поверхностью, способный существенно изменять свою форму.
В диссертации разработана методика расчета профиля и определения напряженного состояния емкости переменного объема, в основу которой положены закономерности, известные как теоремы Менье и Родрига, а также формулы Эйлера и Гаусса. Принято, что физически не существует гибкой оболочки, образующей замкнутый объём с возможностью изгиба без образования разрывов и складок. Наиболее перспективными поверхностями для получения замкнутых пространств переменного объёма являются цилиндрические и конические. Кроме того, во избежание деформации растяжения, отношение диаметров цилиндров и конусов к длине их образующих принято в наибольшей пропорции.
В результате анализа работ различных авторов выяснено, что при поиске структуры и основных параметров конструкции гибких резервуарных сооружений целесообразнее использовать более простые и менее трудоёмкие методы. Установлено, что для анализа напряженного состояния гибких оболочек необходимо разработать математические и вычислительные модели, которые относятся к типовому геометрическому элементу, составляющему основу большинства видов замкнутых гибких оболочек, пригодных для хранения жидкости, учитывают существенные изменения в геометрии емкости, позволяя находить форму поверхности при учете переменности внутреннего и внешнего давлений в различных точках несущих элементов, а также являются достаточно простыми и не требующими тонких математических исследований и больших затрат труда и времени на компьютерную реализацию.
При построении математической модели в качестве типового геометрического объекта принята гибкая развертывающаяся оболочка в виде бесконечной трубы, нагруженная двумя симметричными касательными силами ТТ и погруженная во внешнюю среду полностью или частично. Разработанная в диссертации методика базируется на методе конечных элементов. В качестве конечного элемента принят одномерный отрезок сечения цилиндрического резервуара. Радиус кривизны конечного элемента в любой его точке находился исходя из величин внешнего и внутреннего давлений на оболочку. Для нахождения формы сечения, а также усилий в различных точках объекта был использован итерационный вычислительный процесс по решению системы четырёх трансцендентных уравнений с четырьмя неизвестными. При этом учтено, что оболочка находится в равновесии при действии на неё внешних сил, вектор касательной в средней точке горизонтален, x-координата этой точки равна нулю.
В результате решения общего уравнения дифференциального элемента гибкой развертывающейся оболочки получена зависимость между радиусом кривизны в расчетной точке, давлением на неё и удельным усилием растяжения (1), положенная в основу методики расчета гибких резервуарных конструкций:
, (1)
где Rкрив – главный радиус кривизны оболочки, м; Т – удельное усилие растяжения в расчетной точке, МН/м; Рвн – давление внутри гибкой оболочки в расчетной точке, МПа; Рсн – давление снаружи гибкой оболочки в расчетной точке, МПа.
Определение формы цилиндрической резервуарной конструкции предусматривается методом последовательных приближений путем многократного использования базового уравнения (1) для вычисления радиусов кривизны в расчетных точках. Для этого оболочка вдоль своего периметра разбивается на конечные элементы согласно расчетной схеме (рис. 2). Все конечные элементы приняты как дуги окружностей, радиусы которых равны радиусам кривизны оболочки в расчетных точках каждого из конечных элементов. Число конечных элементов принято четным – в этом случае конечная точка AN/2 элемента с номером (N/2-1) располагается в самой верхней точке, находящейся на оси симметрии. В данном случае касательная в этой точке горизонтальна (её угол наклона a=1800), что важно, т. к. по условиям x=0 и a=1800 строится целевая функция для обеспечения замкнутости и гладкости оболочки.
Согласно расчетной схеме, представленной на рис. 2, в диссертации получены расчетные зависимости (2-14) для построения профиля оболочки определения ее формы. При этом углы поворота касательной на длине i-того конечного элемента для правой половины находятся по формуле (2):
(2)
Угол наклона касательной в начале i-того конечного элемента и в его расчетной точке определяется зависимостями (3÷4):
(3)
(4)
Для определения длины конечных элементов по хорде используется зависимость (5):
. (5)
Перепад высот на длине i-того конечного элемента находится решением уравнения (6):
. (6)
При построении модели определяются координаты:
- начальных точек нулевого и первого конечных элементов (7,8):
, (7)
; (8)
- последующих конечных элементов (9,10) и средних точек Bi правой части оболочки (11):
, (9)
; (10)
; (11)
- расчетных точек AS i конечных элементов (12,13):
, (12)
; (13)
- начальных (14) и расчетных (15) точек конечных элементов левой части оболочки:
, (14)
. (16)
Таким образом, в разделе произведен анализ особенностей работы гибких оболочек и методов расчета их напряженно-деформированного состояния. Разработана методика и расчетные уравнения для определения формы напряженной цилиндрической конструкции, а также нагрузок, действующих на нее.
В третьем разделе получено решение общего уравнения равновесия, неразрывности и гладкости оболочки. Для рассматриваемой задачи был выбран релаксационный градиентный метод покоординатного спуска. При этом использовали вспомогательную целевую функцию f (17).
(17)
На рис. 4, 5 представлены алгоритм и методика решения уравнения (20).
|
Решение общего уравнения равновесия, замкнутости и гладкости оболочки основывалось на нахождении сочетания четырех неизвестных параметров (T0, PВ0, TТР, L0 или y0), при которых общее уравнение равно нулю.
С целью подтверждения адекватности полученных математических зависимостей, а также выбора наиболее оптимальной конструкции гибкой емкости, был проведен комплекс экспериментальных исследований, в процессе которого моделировался сливо-наливной процесс на физических моделях цилиндрических конструкций трех типов с торцевыми стенками различной конфигурации. Полученный при лабораторных испытаниях профиль наносился на профиль, полученный с использованием разработанной программы. Сходимость экспериментальных и расчетных данных составила не менее 89 %.
Таким образом, на основании проведенного анализа выявлено несоответствие существующих методик расчета гибких конструкций требованиям проектирования и эксплуатации. Разработана методика расчета напряженных цилиндрических сооружений и прикладная программа на ЭВМ, адаптированные для инженерных расчетов.
В четвертом разделе с использованием разработанной методики произведен расчет профиля гибкой оболочки и напряженного состояния стенки конструкции резервуара переменного внутреннего объема. Определен экономический эффект внедрения рассмотренного резервуарного сооружения в производственный процесс.
В качестве объекта исследования выбрана конструкция, состоящая из заполненной технической жидкостью емкости прямоугольной формы с погруженной внутрь гибкой цилиндрической оболочкой. С использованием полученных в разделах 2 и 3 зависимостей была сконструирована емкость переменного объема. Основным условием адекватности построений являлись положение наивысшей точки профиля N/2 и соблюдение краевых условий, выраженных решением общего уравнения неразрывности, замкнутости и гладкости. Условием работоспособности принято: положение высшей точки на вертикали с нулевой и стремление значения решения общего уравнения к нулю. Варьируя рабочими параметрами гибкой оболочки, с учетом таких факторов, как наличие паровоздушной смеси во внутренней полости рассматриваемой емкости и удерживающих тросов, были определены геометрические размеры резервуарной конструкции, соответствующие условиям эксплуатации. В качестве хранимого продукта принят в первом случае газоконденсат, как легкоиспаряющийся продукт, во втором - нефть. В качестве примера на рис. 6 приведен расчетный профиль резервуарной конструкции объемом 10000 
м3. Выяснено, что условиям эксплуатации удовлетворяет оболочка диаметром 30 м, для которой определены места концентрации напряжения – точки крепления удерживающих тросов к поверхности оболочки. Проведенный в разделе расчет целесообразности внедрения в производство резервуара переменного объема по обобщенным технико-экономическим параметрам доказал высокую эффективность, заключающуюся в снижении эксплуатационных и капитальных затрат в 3,6 и 4,2 раза соответственно.
Таким образом, с использованием полученной в работе методики расчета проведено моделирование профиля гибкой несущей конструкции с учетом эксплуатационных особенностей. Определены оптимальные геометрические размеры оболочки, соответствующие условиям технологических процессов, и доказана экономическая целесообразность внедрения сооружения переменного объема в технологический процесс хранения и распределения нефти и нефтепродуктов.
Основные выводы:
1. Построена конечно-элементная модель гибких резервуарных емкостей переменного объема, учитывающая влияние эксплуатационных особенностей на форму и напряженно-деформированное состояние элементов конструкции.
2. Получены аналитические зависимости профиля напряженного цилиндрического сооружения от действующих нагрузок, позволяющие с достаточной для инженерных расчетов точностью определить напряженное состояние стенки резервуарной конструкции в любой момент времени.
3. Разработана методика решения общего уравнения равновесия, неразрывности и гладкости оболочки, позволяющая оценивать адекватность построения профиля исходя из условий эксплуатации.
4. Адекватность полученных зависимостей доказана результатами экспериментальных исследований формы физической модели емкости переменного объема. В результате виртуального моделирования комбинированной резервуарной конструкции определены оптимальные геометрические размеры оболочки, показана экономическая целесообразность внедрения резервуара в производство.
5. Разработана прикладная программа для ЭВМ, позволяющая операторам и диспетчерам служб эксплуатации в режиме реального времени определять напряженное состояние стенки оболочки в процессе осуществления основных технологических операций.
Основные публикации
1. Бабичев нагрузки резервуаров переменного объема систем трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов// Проблемы трубопроводного транспорта нефти: Конкурс молодежи «Транснефть» на лучшую научно-техническую разработку. Победители I отборочного тура , - Тюмень: Феликс, 2005.
2. Бабичев исследования напряженно-деформированного состояния гибкой цилиндрической оболочки при проведении сливо-наливных операций/// Проблемы эксплуатации систем транспорта: Материалы региональной научно-практической конференции / отв. редактор . – Тюмень: ТюмГНГУ, 2006.
3. Бабичев состояния гибкой цилиндрической оболочки резервуара переменного объема./, // Проблемы эксплуатации систем транспорта: Материалы региональной научно-практической конференции / Отв. редактор . – Тюмень: ТюмГНГУ, 2006.
4. Бабичев профиля гибкой оболочки резервуара для хранения нефти и нефтепродуктов/ // Новые технологии – нефтегазовому региону: Материалы региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых/ Отв. редактор . – Тюмень: ТюмГНГУ, 2006.
5. Бабичев -экономические показатели резервуаров переменного внутреннего объема для хранения нефти и нефтепродуктов/// Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли: Материалы международной научно-технической конференции / Отв. редактор С. Я Кушнир. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2007.
6. Бабичев системного анализа в решении задач управления сложными техническими системами/, //Нефтегазовое дело. – Уфа, 2007.
7. Бабичев эффективности и безопасности резервуарного хранения нефтей и нефтепродуктов путем использования гибких цилиндрических оболочек /, //Нефтегазовое дело. – Уфа, 2007.
8. Бабичев хранение нефтепродуктов в резервуарах под слоем инертного газа/ , , // Известия вузов. Нефть и газ. – Тюмень: изд-во ТюмГНГУ, 2008. – №2.
9. Бабичев методы резервуарного хранения нефти и нефтепродуктов/, //Известия вузов. Нефть и газ. – Тюмень: изд-во ТюмГНГУ, 2008. – №3.
