Приложение В (рекомендуемое). Допускаемые нагрузки на патрубки в стенке резервуара
Данное Приложение является частью разработки инженерной методики по определению допускаемых усилий на стенку резервуара, при приложении локальных нагрузок к расположенным вблизи днища врезкам приемо-раздаточных патрубков и люков-лазов. Для оценки прочности стенки резервуара в окрестности врезки необходимо учитывать осевую силу и изгибающие моменты, действующие в вертикальной и горизонтальной плоскости. Область допускаемых усилий должна строиться для трех одновременно приложенных нагрузок в трехмерном пространстве.
1. Локальные нагрузки могут возникать от усилий компенсации трубопроводов, а также со стороны дополнительного технологического оборудования, установленного на крышки люков-лазов. Оценка прочности стенки резервуара при действии локальных нагрузок на усиление врезки патрубка является актуальной именно для тонкостенных оболочек большого диаметра, к которым и относятся корпуса РВС. Для них характерно, что при рабочих давлениях продукта порядка 0,1-0,2 МПа, в стенке развиваются мембранные напряжения близкие к предельным. Для тонкостенной оболочки на фоне этих напряжений даже небольшие сосредоточенные нагрузки приводят к значительным напряжениям локального изгиба вследствие малой изгибной жесткости стенки.
2. Основой инженерной методики определения допускаемых усилий на врезку в резервуар должен быть достаточно точный метод расчета напряженного состояния в корпусе резервуара вблизи врезки. Анализ современных возможностей расчета напряженного состояния при действии локальной нагрузки на усиленное отверстие в тонкостенной цилиндрической оболочке показал, что для выполнения расчета с необходимой точностью нужна специализированная программа, использующая метод конечных элементов. Под специализацией подразумевается совокупность мероприятий, облегчающих подготовку исходных данных и работу с программой при переходе от варианта к варианту. Альтернатива такой специализированной программе построена с использованием универсального конечно-элементного комплекса ANSYS. Для этого применены встроенные в него средства программирования.
Для выполнения расчета конкретной врезки с помощью этой программы пользователь в редакторе WordPad, или аналогичном, составляет файл исходных данных, который содержит необходимые для расчета параметры: диаметр резервуара и врезки, толщину стенки первого пояса и высоту оси врезки над днищем, высоту налива и плотность продукта, прочностные характеристики стали. Задаются величины трех внешних усилий на врезку.
Программа может запускаться в пакетном режиме. Результаты расчета могут быть прочитаны тем же редактором или программой Excel с целью дальнейшей обработки.
Результаты расчета содержат напряжения от налива продукта и трех внешних локальных воздействий. Напряжения выводятся в ряде точек корпуса на границе усиления патрубка. Проверка условий прочности проводится по размаху напряжений. Для выполнения расчета трубопроводов в числе результатов выводятся перемещения стенки в точке пересечения оси патрубка с корпусом от налива продукта, а также жесткости от трех внешних воздействий для пустого резервуара.
3. С помощью разработанной программы проанализирована методика Приложения Р Стандарта API 650 издания 9 и 10, а также две публикации, на которых основана методика и на которые есть ссылки в Приложении Р. Методика Приложения Р определяет область допускаемых внешних нагрузок на врезку. Из анализа первоисточников следует, что методика API 650 не учитывает наличие в оболочке отверстия и усиливающей накладки. Численное решение также вносят заметный вклад в общую погрешность методики. Пример расчета врезки, приводимый в публикациях, занижает допускаемую осевую силу и момент в вертикальной плоскости почти в два раза, а допускаемый момент в кольцевом направлении завышает более чем в два раза. Критически следует отнестись и к учету податливости места врезки при расчете компенсации подходящих трубопроводов. Жесткости определены из линейного расчета, то есть для пустого резервуара. Однако, как показывают дополнительные расчеты с учетом больших перемещений, мембранные напряжения от налива продукта повышают жесткость стенки от всех нагрузок на врезку. Заниженные жесткости стенки не идут в запас при расчете действующих на резервуар усилий со стороны трубопроводов.
4. Программа, описанная в подразделе 2, создавалась для построения области допускаемых усилий на врезку по аналогии с методикой API 650. Однако проблема определения области допускаемых усилий оказалась сложнее, чем предполагалось в начале работы. Сложность напряженного состояния, обилие комбинаций параметров, для которых надо строить в трехмерном пространстве область допускаемых нагрузок, пока не позволили создать приемлемую инженерную методику. Под инженерной методикой здесь подразумевается совокупность графиков, номограмм, таблиц и формул, с помощью которой можно было бы оценить прочность конкретной врезки, не прибегая к сложным расчетам и помощи компьютера. В то же время при расчете на прочность конкретной врезки процедура подготовки исходных данных и работа с программой очень просты, в целом не сложнее, чем использование инженерной методики поставленной на ПК, поэтому эта программа может быть использована как часть методики расчета врезки на прочность. Главным недостатком такой методики является необходимость выполнять для каждого варианта врезки расчет, или обращаться в организацию, обладающую как методикой, так и программой ANSYS.
