авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Теоретические основы совершенствования методов расчета стальных вертикальных резервуаров с понтонами

-- [ Страница 3 ] --

– крупномасштабный и медленно развивающийся процесс – формирование течения в самом резервуаре. Этот процесс имеет пространственный масштаб, определяемый габаритными размерами емкости (диаметр резервуара), т.е. порядка десятков метров. Скорости течения при этом измеряются от единиц метров в секунду (вблизи устройства смешения) до долей метра в секунду (на периферии от него). Как следствие, характерные размеры расчетных ячеек составляют несколько дециметров, а время всего процесса – время перемешивания слоя осадка с нефтью – от нескольких минут и более, в зависимости от плотности слоя донных осадков.

Проведен анализ физических аспектов постановки задачи о течении в резервуаре в процессе перемешивания нефти с донным осадком применительно к моделированию в программном комплексе FlowVision. Выполнен анализ различных вариантов расчетных моделей для решения задачи при моделировании в программном комплексе FlowVision.

Найдены пути упрощения полнообъемной расчетной модели: выделение в отдельную задачу определения характеристик потока за устройством перемешивания, использование возможностей программного пакета FlowVision по моделированию требуемых условий истечения, что позволило ввести в расчетную модель готовое решение по формированию течения за устройством перемешивания и тем самым значительно сократить время расчетов.

показано, что струя теряет индивидуальные особенности на расстоянии менее 10% характерной длины пути в резервуаре (рисунок 4). Таким образом, на основной части траектории струи ее характеристиками будут импульс и расход в сочетании со структурой течения, близкой к структуре затопленной струи.

В качестве упрощенной модели винта взяли диск того же диаметра и имеющий тот же расход жидкости, что и винт. Характеристики производительности перемешивающего устройства получили из расчета течения за винтом. Так, скорость движения жидкости на выходе из диска определяли по полученной при помощи численных экспериментов формуле:

 (7) оказаны поделенные на максимальные значения эпюры скоростей для-12 (7)

На рисунке 5 показаны поделенные на максимальные значения эпюры скоростей для сечения, отстоящего от плоскостей диска/винта на три с половиной диаметра (2,45м). Видно, что даже такая замена реального перемешивающего устройства позволяет, начиная с определенного расстояния, получить практически совпадающий по форме распределения осевой скорости поток жидкости. При этом расход жидкости, проходящий через диск, был задан в граничных условиях равным расходу через устройство перемешивания.

Проведенные систематические расчеты показали возможность получения с помощью программного пакета FlowVision необходимой информации по картине течения в виде полей скорости, процессу перемешивания в виде распределения концентрации осадка и дополнительных нагрузок, действующих на конструкции резервуара, в виде распределения давления.

Для обоснованных выводов о возможности безопасной эксплуатации устройств для перемешивания осадка была поставлена задача исследования поведения конструкции резервуара при возникающих в процессе размыва динамических нагрузках, обусловленных струйными течениями. Используя только аналитические методы либо композицию известных решений, решить подобную задачу не представляется возможным. Это обусловлено как сложностью описания работы устройства перемешивания, так и тем, что возникающее в резервуаре течение является двухфазным, физические свойства которого (плотность и вязкость) меняются не только во времени, но и в пространстве.

Решение поставленной задачи получено в рамках совместного использования программы ANSYS и известного программного комплекса гидродинамических расчетов – FlowVision. в случае частично заполненного резервуара этот комплекс позволяет смоделировать процесс волнообразования на границе раздела сред нефть–воздух, который с необходимостью порождается самим устройством и, чем меньше высота заполнения, тем более интенсивным является волнообразование. FlowVision имеет возможность учета существенно отличающихся физических свойств (плотность и вязкость) нефти и осадка, позволяет получить процесс размыва, а, следовательно, и распределение нагрузок на стенки резервуара на различных его временных стадиях – от начала работы устройства до выхода на установившийся во времени процесс движения жидкости в резервуаре. Есть возможность проанализировать решение и определить значения максимальных динамических нагрузок, действующих на конструкцию резервуара, и моменты времени, в которые они возникают.

Изучено влияние на динамику напряжений, возникающих в стенке и оболочке люк-лаза, величин сил и моментов от действия устройств «Диоген». Оказалось, что наибольшее влияние на величины возникающих напряжений оказывает вес изделий, устанавливаемых на крышке люк-лаза. Автором были проведены расчеты для конкретных резервуаров, показавшие, что для РВС-20000 высотой 12 м толщина рекомендуемого усиления стенки РВС в окрестности люк-лаза обеспечивает достаточную прочность, а для РВС -10000 высотой 18м необходимо увеличить толщину стенки обечайки овального люк-лаза до 19 мм.

Изменение величины возникающих эквивалентных напряжений по высоте стенки резервуаров приведено на рисунке 6. Принципиально графики совпадают с зависимостями, полученными А.А. Тарасенко по экспериментальным данным.

Для изучения влияния работы устройства «Диоген» на плавающие понтоны перемешивающее устройство «Диоген-700» заменено диском с параметрами, соответствующими винтовому устройству, диаметром 0,7 м, который расположен вблизи дна резервуара, частично в слое донного осадка. При своей работе он создает сканирующую по дну резервуара струю. Период сканирования два часа, угол сканирования – 60 градусов. Заполнение резервуара нефтью варьировалось в диапазоне от 4 до 14 м. Высота донного осадка принята равной 1 м.

Рисунок 6 – Результаты расчёта эквивалентных напряжений, возникающих в резервуаре вместимостью 20000 м3 под действием веса продукта, силы 4000 Н и момента 1920 Н*м

Как показали расчеты, при работе перемешивающего устройства «Диоген-700» для размыва донных осадков в резервуарах типа РВС скорости течения нефти даже в том случае, когда плотности нефти и осадка составляют 900 и 1000 кг/м3, на высоте 4м от днища РВС достигают 1,2 м/с. Были проведены расчеты для оценки влияния устройства «Диоген» на понтоны, плавающие в РВС-5000, РВС-10000, РВС-20000 и РВС-30000

Из рисунка 7 видно, что в процессе перемешивания движение жидкости в резервуаре меняет свое направление. Возле стенки резервуара течение направлено вверх, что при наличии в РВС понтона приводит к его вибрациям. Недопустимо использовать работающие устройства «Диоген» в РВС с понтонами при уровне налива продукта в резервуаре меньшем, чем 4 м.

Рисунок 7 – Движение нефти, хранящейся в РВС-30000, при работе устройства «Диоген-700»

Исследована возможность применения программного комплекса для гидродинамических расчетов FlowVision для моделирования воздействия землетрясений на резервуары типа РВС. Расчетные сейсмические нагрузки принимались действующими горизонтально в направлении продольной и поперечной осей. Действие сейсмических нагрузок в указанных направлениях учитывалось раздельно.

Для изучения поведения стального вертикального цилиндрического резервуара РВС-5000 с нефтепродуктом, подвергшегося сейсмическому воздействию, была разработана математическая модель. В модели ускорение задавалось в горизонтальном направлении величиной 200, 400 и 500 см/с2 с длительностью воздействия 0,5 с.

В результате моделирования получены поля скоростей в объеме резервуара и давления на стенки РВС в зависимости от времени, показавшие резкое повышение давления на стенку РВС в момент прекращения воздействия и цикличность его усиления.

В пятой главе предложена новая конструкция металлических понтонов с успокоителями (рис. 8, 9).

  Общий вид плавающего покрытия (вид снизу): 1 –понтон, 2 – днище понтона, 3-16

  Общий вид плавающего покрытия (вид снизу): 1 –понтон, 2 – днище понтона, 3 –-17

Рисунок 8 – Общий вид плавающего покрытия (вид снизу):

1 –понтон, 2 – днище понтона, 3 – устройства, повышающие остойчивость понтона

  Разрез А - А (вид сбоку) При установке приспособления для обеспечения-18

Рисунок 9 – Разрез А - А (вид сбоку)

При установке приспособления для обеспечения остойчивости площадь плавающего покрытия увеличивается, при увеличении его площади увеличивается и сила поверхностного натяжения, препятствующая возникновению колебательных движений плавающего покрытия и уменьшающая кренящий момент. описанная конструкция удобна для проведения технологических операций при подготовке резервуара к ремонту.

предложена методика для расчета остойчивости понтона с установленными по периметру успокоителями.

При расчете объемного водоизмещения необходимо учитывать массу понтона с успокоителями, а при расчете статической остойчивости – массу понтона, успокоителя и продукта, находящегося в успокоителях, поэтому при определении объемного водоизмещения используется глубина погружения Т0 1, определяемая по формуле:

, (8)

где mП - масса понтона; mусп - масса успокоителя.

Успокоители увеличивают площадь плавающего покрытия и содержат продукт, который при динамических воздействиях на понтон увеличивает инерционное сопротивление плавающего покрытия, но практически не ухудшает характеристики плавучести.

Рассмотрев идеальную систему «понтон – жидкость» без температурного воздействия и влияния окружающей среды, для определения восстанавливающего момента учли все силы (рисунок 10), действующие на накрененный на малый угол понтон и на успокоители в двух позициях:

  1. наибольшая величина подъема понтона находится на месте успокоителя:

 ; (9) наибольшая величина подъема понтона находится между успокоителями: (10) -20

; (9) наибольшая величина подъема понтона находится между успокоителями: (10) -21; (9)

  1. наибольшая величина подъема понтона находится между успокоителями:

 (10)  Силы, действующие на понтон с успокоителями: векторы сил,-22 (10)

Рисунок 10 – Силы, действующие на понтон с успокоителями:

векторы сил, действующих на успокоители; h – расстояние между понтоном и успокоителем; b – расстояние от оси симметрии понтона до центра успокоителя. Остальные обозначения те же, что на рисунке 1

Разработана математическая модель понтона, плавающего в жидкости, с устройствами для обеспечения остойчивости, учитывающая вязкостное сопротивление , возникающее при наклонении понтона и представленное в виде суммы сопротивления трения RF и сопротивления формы RVP. Коэффициент вязкостного сопротивления определен по формуле:

(11)

где k – коэффициент формы.

Приближенно этот коэффициент находится с помощью эмпирической зависимости Ватанабе:

(12)

где коэффициент общей полноты,

– наружный диаметр трубы успокоителя,

– его длина.

(13)

где объем успокоителя.

Исследованы вопросы статической и динамической остойчивости понтонов с успокоителями. Впервые разработаны научные основы получения и применения диаграмм статической и динамической остойчивости понтонов. Показано, что динамический кренящий момент всегда более опасен, чем статический.

Динамический угол крена д можно определить из условия равенства работ моментов, кренящего и восстанавливающего. Первая представляет собой произведение постоянного момента Мд на угол крена д, вторая – сумму элементарных работ восстанавливающего момента в пределах :

(14)

Мерой статической остойчивости является восстанавливающий момент, а мерой динамической остойчивости служит работа этого момента. Из (14) ясно, что искомая работа – суть площадь диаграммы статической остойчивости в указанных выше пределах. Отсюда практический метод графического определения динамического угла крена – приравнивание площадей, соответствующих работам кренящего и восстанавливающего моментов.

Проведены расчеты, показавшие эффективность применения предлагаемых устройств для увеличения остойчивости понтонов.

при расчетах остойчивости покрытий с устройствами для обеспечения остойчивости для стальных понтонов было выявлено, что эффект повышения остойчивости проявляется в меньшей степени, чем при использовании успокоителей алюминиевых понтонов, что обусловлено большей массой стальных понтонов.

Результаты экспериментов, проведенных на установке с моделью понтона, выполненной в масштабе 1/30 натуральной величины, позволили получить зависимости плеча статической остойчивости модели понтона от угла его крена. Погрешность при сравнении экспериментальных данных понтона с учетом нефтепродукта, находящегося в успокоителях и расчетных данных понтона с успокоителями составляет 15,2%, а при сравнении экспериментальных данных алюминиевого понтона без использования устройств, повышающих остойчивость, и расчетных данных алюминиевого понтона составила 14,7%.

На рисунке 11 представлена диаграмма восстанавливающего момента для РВС-5000 м3 со стальным понтоном по проекту 704-1-57 с количеством труб в успокоителе n=10. Видно, что применение успокоителей для стальных понтонов приведет к увеличению восстанавливающего момента на 18–20% в зависимости от расположения кренящего момента.

Были проведены расчеты и получены графические зависимости влияния на остойчивость понтонов количества, диаметра и длины труб устройств для обеспечения остойчивости.

Рисунок 12 – Диаграмма восстанавливающего момента для стального понтона

Проведено численное сравнение расчетных величин остойчивости при увеличении массы понтона за счет его дополнительного утяжеления и при использовании предлагаемых успокоителей. Показано, что для улучшения характеристик остойчивости применение успокоителей эффективнее увеличения массы понтона. При той же дополнительной массе восстанавливающий момент алюминиевого понтона с устройством для обеспечения остойчивости увеличивается на 9%, но материалоемкость и глубина погружения понтона увеличиваются незначительно.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

  1. На основании выполненного анализа современного оборудования стальных вертикальных резервуаров определены наиболее актуальные направления исследований для повышения надежности эксплуатации РВС, предложена классификация понтонов с учетом влияния конструктивных параметров понтонов стальных вертикальных резервуаров на характеристики плавучести, остойчивости, непотопляемости.
  2. Впервые, на основе теории корабля, разработана методика расчета понтона в форме диска с дополнительными элементами для расчета плавучести, остойчивости, непотопляемости понтонов с учетом их конструктивных особенностей, что позволяет определить характеристики остойчивости новых конструкций. Разработан комплекс программ для расчетов плавучести, остойчивости, непотопляемости понтонов с дополнительными устройствами, повышающими остойчивость.
  3. На основе разработанной обобщенной математической модели понтона, описывающей напряженно-деформированное состояние понтона при установке на опорную конструкцию в форме многолучевой звезды, теоретически решена проблема определения прочности понтона из изотропного, монотропного и армированного материала, что было подтверждено экспериментально. Выполненное численное моделирование напряженно-деформированного состояния армированного пенополиуретанового понтона позволило обоснованно рекомендовать модификацию конструктивных параметров понтона.
  4. Впервые разработана методика решения задачи о течении в резервуаре в процессе перемешивания нефти с донным осадком с использованием винтового оборудования. разработаны методы исследования напряженно-деформированного состояния стальных вертикальных резервуаров при размыве донных отложений. исследование возможностей программных продуктов на основе сеточных методов и численное моделирование напряженно-деформированного состояния стальных вертикальных резервуаров показало недостаточную прочность РВС-10000 высотой 18м при размыве уплотненных отложений и позволило обосновать модификацию конструкции РВС. Доказано, что для исключения недопустимых вибраций понтона РВС необходимо запретить работу винтовых перемешивающих устройств в резервуаре с понтоном, находящемся над днищем резервуара на расстоянии меньшем, чем 4 м. Исследована возможность и получены конкретные результаты применения программного комплекса для гидродинамических расчетов FlowVision для моделирования сейсмических воздействий на резервуары.
  5. Результаты представленных теоретических и экспериментальных исследований явились основанием для предложенной новой конструкции металлических понтонов с устройствами, повышающими остойчивость. Разработана математическая модель понтона с успокоителями, позволившая исследовать вопросы статической и динамической остойчивости указанных понтонов. Впервые разработаны научные основы получения диаграмм статической и динамической остойчивости понтонов. Проведены расчеты, показавшие эффективность применения предлагаемых устройств для увеличения остойчивости понтонов. Показано, что для улучшения характеристик остойчивости применение успокоителей эффективнее увеличения массы понтона. В зависимости от материала понтона и места приложения кренящего момента остойчивость увеличивается как минимум на 18–20%. Для алюминиевых понтонов при той же дополнительной массе, как в случае дополнительного утяжеления, восстанавливающий момент понтона с устройством для обеспечения остойчивости увеличивается на 9%.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ИЗЛОЖЕНО

В СЛЕДУЮЩИХ ПЕЧАТНЫХ РАБОТАХ АВТОРА:



Pages:     | 1 | 2 || 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.