автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Выбор рациональных параметров понтонов из вспененных полимеров для стальных вертикальных резервуаров

А»? * и а - ^ /у-/ £ о - ц

| / * V/ V/ ^ ( I ! и ^ и

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЛУКЬЯНОВА ИРИНА ЭДУАРДОВНА ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОНТОНОВ ИЗ ВСПЕНЕННЫХ ПОЛИМЕРОВ ДЛЯ СТАЛЬНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ

УДК 622.692.23.075.4

Специальность 05.15.13 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Бабин Л.А.

кандидат технических наук, доцент Гаделыиин Р.З.

Уфа 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

С.

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................4

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПЛАВАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ РЕЗЕРВУАРОВ............20

1.1. Металлические понтоны.........................................................21

1.2. Понтоны из синтетических материалов.......................................27

1.3 Методы расчета понтонов из армированных

полимеров........................................................................................................35

1.4. Классификация понтонов, используемых в резервуарах

со стационарными крышами........................................................44

Выводы по разделу 1..................................................................48

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОНТОНОВ.............................49

2.1. Применение численных методов для расчета понтонов на прочность.........................................................................................................49

2.2. Влияние конструктивных параметров опоры понтона на его прочность...............................................................................61

2.3. Плавучесть, остойчивость и непотопляемость плавающих покрытий в форме сплошного диска....................................................................78

2.4. Расчет прочности понтонов из синтетических и армированных материалов на опоре в форме многолучевой звезды............................84

Выводы по разделу 2.................................................................96

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОНТОНОВ ИЗ ППУ.................................................................................98

3.1. Оценка правильности математической модели

армированного понтона из вспененных полимеров..........................98

3.2. Определение коэффициентов поперечных деформаций ППУ-308.....102

с.

3.2.1. Методика проведения эксперимента..................................................103

3.2.2. Обработка результатов эксперимента и их обсуждение..................106

3.3. Исследования напряженно-деформированного состояния

пенополиуретанового понтона под нагрузкой..............................112

Выводы по разделу 3..............................................................119

4. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОНТОНОВ........................................................................121

4.1. Расчет прочности внутреннего плавающего покрытия из полимерных вспененных материалов при воздействии на него нагрузок от уплотняющего затвора............................................121

4.2. Выбор оптимальной конструкции плавающего покрытия из

полимерных композитных материалов.......................................124

Выводы по разделу 4..............................................................143

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ...........................................................145

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................147

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................155

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В нашей стране, как и во всем мире, существует необходимость хранения нефти и продуктов нефтепереработки, что обусловлено неравномерностью их потребления, сезонностью водного транспорта для большинства районов страны, неравномерностью работы других видов транспорта, возможными срывами работы смежных предприятий и прочими причинами. Чем большее количество нефтепродуктов нужно хранить, тем больше потери их от испарения [82].

Борьба с потерями нефти и нефтепродуктов при их хранении обязательна и предусматривается требованиями ГОСТ 1510-84 и закона "Об охране атмосферного воздуха". Одним из эффективных методов борьбы с потерями от испарения является использование конструкций резервуаров с плавающими крышами, с понтонами, с плавающими экранами, при хранении в контакте с рассолом в подземных соляных куполах. Стальные резервуары в общем объеме хранилищ составляют более 80% [8], а доля потерь от испарения достигает 75% [35]. Анализ показывает, что наиболее эффективный способ устранения потерь от испарения в стальных вертикальных резервуарах - использование понтонов и плавающих крыш [98].

Первые исследования по созданию резервуаров с внутренними плавающими покрытиями были начаты в 50-х годах под руководством H.H. Константинова. Большой вклад в развитие использования плавающих покрытий внесли отечественные ученые и специалисты Ф.Ф. Абузова, И.С. Бронштейн, В.А. Бунчук, С.И. Веревкин, В.Ф. Евтихин, С.Г. Едигаров, М.Г. Каравайченко, Н.М. Фатхиев и другие, а также зарубежные ученые: И. Виггинс, А. Нельсон и др.

Повышением доли резервуаров с плавающими крышами или понтонами в отечественном резервуарном парке до уровня ведущих зарубежных стран потери углеводородов от испарения можно снизить на 90-95% [81].

Эффективность понтонов как средства сокращения потерь достигает 90%. При одинаковой степени герметичности затвора и при одинаковом температурном режиме и испаряемости нефтепродукта, в резервуаре с понтоном потери от испарения меньше, чем в резервуаре с плавающей крышей [85].

Надежность резервуаров с понтонами зависит от многих факторов. Важное значение имеет совершенствование конструкции понтона. Из приводимых в литературе технических показателей резервуаров типа РВС с металлическим понтонами [68] видно, что расход металла в указанных конструкциях заметно возрастает. Так, для резервуара вместимостью 5000м3 расход металла увеличивается на 22%. Поэтому рекомендуется использовать облегченные конструкции понтонов путем применения неметаллических материалов.

В настоящее время имеется тенденция к увеличению использования понтонов из неметаллических материалов в резервуарах типа РВС. В качестве материалов для изготовления понтонов используются резино-тканевые материалы, полиэтилен высокой плотности, полиамидная пленка и пенополиуретан (ППУ). Как показала отечественная и зарубежная практика промышленного производства и эксплуатации понтонов из ППУ, этот материал обладает удачным сочетанием механических, технологических и других свойств [52]. Из эксплуатационных характеристик понтонов из ППУ, по сравнению с понтонами из других неметаллических материалов, можно выделить простоту обслуживания и ремонта, достаточно надежную герметизацию [33]. Однако опыт применения понтонов из неметаллических материалов, в том числе из ППУ, в основном ограничивается резервуарами вместимости не более 5000 м3. Применение понтонов из ППУ для резервуаров большего объема ограничивается отсутствием методов их расчета на прочность, плавучесть и остойчивость. Рассмотрению различных аспектов прочности пластин при их использовании посвящено множество работ, как и

исследованиям армированных полимеров и пластмасс, но не встречен случай тонких упругих пластин из армированных вспененных полимеров с граничными условиями, соответствующими возникающим при эксплуатации пенополиуретановых понтонов.

Целью работы является разработка методов расчета и оптимизации конструктивных параметров понтонов из армированных сеткой ячеистых полимеров для стальных вертикальных цилиндрических резервуаров.

Основные задачи исследований:

1. Классификация понтонов для резервуаров, позволяющая систематизировать многообразие их конструкций с учетом характеристик плавучести, остойчивости, непотопляемости. Исследование влияния конструктивных параметров понтонов на указанные характеристики.

2. Построение и изучение математической модели, позволяющей оценить напряженно-деформированное состояние понтона из армированного вспененного полимера.

3. Изучение влияния физико-механических свойств вспененного полимера, величин толщины, жесткости понтона на его напряженно-деформированное состояние.

4. Разработка комплекса программ, позволяющего проверить работоспособность конструкции понтона из армированного вспененного полимера и оптимизировать конструктивные параметры понтона при проектировании.

В диссертации получены следующие новые результаты:

1. На основании анализа теории и практики применения различных типов понтонов для резервуаров предложена классификация понтонов на основе оценки параметров остойчивости, плавучести, непотопляемости.

2. Построена математическая модель синтетического армированного сеткой понтона при расчете его на прочность.

3. На базе теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния пенополиуретановых понтонов получены формулы для определения напряженно-деформированного состояния понтонов из ячеистых армированных сеткой полимеров как тонких упругих пластин из монотропного материала.

4. Экспериментально установлены значения коэффициентов поперечных деформаций пенополиуретана, используемого в конструкции понтонов.

5. Разработан комплекс программ и рекомендации по выбору конструктивных параметров понтонов из вспененных полимеров.

На защиту выносятся оценка параметров расчетов остойчивости, непотопляемости, плавучести; построение математической модели синтетического понтона при расчете его на прочность; разработка программного обеспечения для расчета конструкций понтонов; исследование напряженно-деформированного состояния понтонов на плаву и опорной конструкции.

Теоретическая и практическая ценность работы. В работе предложены формулы для расчета прогибов, величин изгибающих моментов в радиальном и в тангенциальном направлении, крутящих моментов, возникающих в тонких монотропных пластинках в виде сектора при граничных условиях, соответствующих свободному опиранию, а также сектора, свободно опирающегося на прямолинейных краях и свободного на дуговом краю.

Научные результаты, полученные в работе, нашли применение при разработке конструкций плавающих покрытий, внедренных в АО УНПЗ, ОАО НУНПЗ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:

1) 46 научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 1995);

2) Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы нефтегазового комплекса России" (Уфа, 1995);

3) 47 научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 1996);

4) 48 научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 1997);

5) научный семинар "Проблемы гидродинамики, надежности и прочности в современном трубопроводном транспорте" (Уфа, 1997);

6) 49 научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 1998);

7) Международный Конгресс "Защита-98" (Москва, 1998).

8) Третья Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности"(С.-Петербург, 1998).

9) Международная конференция "Проблемы нефтегазового комплекса России" (Уфа, 1998).

10) Новоселовские чтения (Уфа, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ.

Введение содержит обоснование актуальности избранной темы, общую характеристику диссертационной работы, приведены научная новизна, практическая ценность, апробация работы, основные положения, выносимые на защиту, сформулированы цель и основные задачи проведенных исследований.

Первый раздел диссертации посвящен анализу существующих плавающих покрытий и методам их расчетов. Предложена классификация, которая позволила сгруппировать типы понтонов в удобном виде и дополнить существующие ранее классификации с учетом основных направлений модернизации конструкций плавающих покрытий на основе оценки характеристик остойчивости, плавучести, непотопляемости.

Проведен обзор научно-технической литературы по проблеме использования плавающих покрытий.

Преимуществами резервуаров с понтонами являются: защита продукта и самого плавающего покрытия от атмосферных осадков как в зимнее, так и в летнее время; значительное уменьшение потерь от испарения; снижение ремонтных расходов, поскольку отпадает необходимость в дренаже; легкость применения на действующих резервуарах.

Установлено, что наиболее распространенные конструкции металлических понтонов недостаточно надежны с точки зрения непотопляемости. Возможно их заклинивание, перекосы и затопление. Повышение надежности связано с увеличением расхода металла, других материалов. Недостатками металлических понтонов являются сложность монтажа в действующих резервуарах, усиленная коррозия, а понтоны, в конструкции которых содержится алюминий, подвержены воздействию щелочной среды. В результате перекосов понтонов, переливов нефти (нефтепродуктов), кипения нефти возможно затопление бездефектных технически исправных стальных понтонов. Однако за длительный срок эксплуатации (более пяти лет) резервуаров с синтетическими понтонами, по сведениям, приводимым Тугуновым П.И. и Ткачевым О.А, не отмечено ни одного случая затопления понтонов, выхода из строя затворов или разрушения материалов понтона.

В качестве материалов для изготовления понтонов используются резинотканевые материалы, полиэтилен высокой плотности, полиамидная пленка и

пенополиуретан. Из эксплуатационных характеристик понтонов из ППУ, по сравнению с понтонами из других неметаллических материалов, можно выделить простоту обслуживания и ремонта, достаточно надежную герметизацию.

Учитывая комплекс требований, предъявляемых к плавающим покрытиям, после соответствующего анализа, основное внимание в работе уделено понтонам из вспененных армированных полимеров и методам их расчета.

Рассмотрены использующиеся методы расчетов плавучести, остойчивости, непотопляемости, жесткости, прочности армированных сетками понтонов из вспененных полимеров.

Вспененные полимеры часто нельзя считать изотропными материалами. Волокна из стекла, асбеста, металла, а также из полимеров вместе с полимерным связующим образуют материалы, обладающие резко выраженными анизотропными свойствами.

При эксплуатации резервуаров с понтонами последние испытывают нагрузки от трения уплотняющего затвора о стенку. При установке покрытий на опору, которая может иметь вид многолучевой звезды или окружностей с центром, совпадающим с центром резервуара, на понтоны действует распределенная нагрузка от собственного веса, возможно воздействие распределенной нагрузки от конденсата или продукта, сосредоточенной нагрузки от находящегося на поверхности обслуживающего персонала или оборудования.

Известны аналитические выражения для определения прогибов и изгибающих моментов в произвольной точке изотропной секториальной тонкой пластинки с центральным углом, равным л, при граничных условиях, соответствующих свободному опиранию по всем краям. Галеркиным Б.Г. получено выражение для прогиба изотропной тонкой упругой пластинки в форме сектора, свободно опертого по прямолинейным краям и не опертого по

дуге контура. Но не был встречен случай расчета напряженно-деформированного состояния анизотропных пластин из армированных вспененных полимеров с описанными выше граничными условиями.

Во втором разделе проведены численные исследования влияния параметров понтонов на их характеристики.

Вопрос определения напряженно-деформированного состояния (НДС) внутреннего плавающего покрытия резервуара рассмотрен с использованием теории тонких изгибаемых пластин. Задача формулируется и решается в геометрически линейной постановке. Принимаются физическая модель идеально упругого, дискретно-изотропного тела, а также гипотезы Кирхгоффа-Лява.

Внутреннее плавающее покрытие из синтетического материала рассмотрено как многослойная пластина. Математической моделью для оценки несущей способности пенополиуретанового понтона является круглая упругая пластина, находящаяся под действием равномерно распределенной нагрузки (собственного веса) и сосредоточенных силовых факторов (реакции ребер жесткости и вертикальных стоек). В дискретной модели пластина условно разбивается на кольцевые узловые и оболочечные элементы. Узловыми элементами являются ребра - кольца жесткости и круговые сечения пластины, в которых она опирается на вертикальные стойки. В расчетной схеме введены и дополнительные узловые элементы в тех круговых сечениях, где терпят разрыв внешние составляющие нагрузки, т.е. в тех сечениях, где на поверхности покрытия находится оборудование или обслуживающий персонал.

При помощи метода конечных элементов, реализованного на ЭВМ, исследовано влияние конструктивных параметров пенополиуретанового понтона для РВС-5000 и РВС-20000 диаметром соответственно 22,8 м и 45,6 м на его прочность при различных вариантах граничных услов