Naprężenia w płaszczu zbiornika stalowego z lokalnymi deformacjami

Mgr inż. DARIUSZ KOWALSKI Politechnika Gdańska

Naprężenia w płaszczu zbiornika stalowego z lokalnymi deformacjami

Badano stalowy zbiornik naziemny walcowy o pojemności 12000 m3, z dachem pływającym typu pontonowo-membrano- wego. Zasadnicze wymiary tego zbiornika podano na rys. 1, a widok zbiornika - na rys. 2. Styki blach w płaszczu, zarówno pionowe, jak i poziome, były wykonane jako doczołowe. Na ostatnim pierścieniu płaszcza zbiornika znajduje się usztywnia- jący, poziomy pierścień wiatrowy szerokości 850 mm, wykona- ny z blachy stalowej grubości 6 mm i zakończony po stronie ze- wnętrznej ceownikiem 80. Zbiornik był posadowiony w całości na fundamencie piaskowym, otoczonym żelbetowym pierście- niem fundamentowym.

Badany zbiornik został wybudowany w latach 1961-1963 i do 1999 roku był nieprzerwanie eksploatowany. Powstałe w tym czasie ubytki korozyjne zestawiono w tablicy.

/

II' UJ

II J L

^{17 mm I}

I I I 7 mm I ^{E E}

I I I 9 mm I I ^"

....

^<D"

II I ¹¹¹ mm I I

I ! !

^{_rł---h ~ ..cx} II

I ¹¹⁴ mmml I / ^{I I I I I} '" :r

I ¹¹⁶ mm I I /

"I ^"')

II ¹¹⁸mm I I lL

~36.60 m ^I I

Rys. 1. Przekrój pionowy badanego zbiornika

Rys. 2. Widok ogólny zbiornika

Ocena deformacji powierzchni płaszcza zbiornika Powierzchnia płaszcza zbiornika była silnie pofalowana. De- formacje kształtu pochodzą zarówno z okresu budowy obiektu, jak i późniejszej prawie czterdziestoletniej eksploatacji. Defor- macje z okresu budowy to przede wszystkim załamania kątowe na spawanych stykach pionowych, jak i poziomych. Kolejnym powodem powstawania deformacji w czasie wykonania jest nie- dokładność wytyczenia obwodu pierwszego pierścienia płasz- cza na obrzeżu dna zbiornika. Odchyłki od centrycznego usta-

INŻYNIERIA I BUDOWNICTWO NR 6/2001

Płaszcz zbiornika - ubytki korozyjne

Projektowana Pomierzona Procentowy uby- Nr pierścienia grubość blach grubość blach tek grubości blach

[mm] [mm] [%]

1 18 16,9 6,11

2 16 15,0 6,25

3 14 13,3 5,00

4 11 10,1 8,18

5 9 7,9 12,22

6 7 6,0 14,29

7 7 6,0 14,29

8 7 6,2 11,43

wienia pierwszego pierścienia płaszcza wynoszą od -57 do 56mm, co daje różnicę długości promienia 113mm już na po- ziomie dna zbiornika. Konsekwencją niecylindryczności pierw- szego pierścienia płaszcza jest ustawianie jego kolejnych pier- ścieni na nieprawidłowej bazie. Sumowanie się niedokładności trasowania i ustawienia każdego kolejnego pierścienia powodu- je zwiększenie deformacji powłoki walcowej.

Kolejną przyczyną nowych deformacji lub powiększenia się istniejących jest proces nierównomiernego osiadania obiektu na fundamencie piaskowym. Jest to związane ze stopniem zagęsz- czenia fundamentowej poduszki piaskowej oraz z obciążeniem skupionym od ciężaru własnego płaszcza zbiornika. Zmiennego stopnia zagęszczenia poduszki piaskowej na powierzchni fun- damentu należy także upatrywać we wpływie oddziaływań at- mosferycznych (zmian temperatury), szczególnie zamarzania i odmarzania części gruntu znajdującego się w bezpośrednim sąsiedztwie żelbetowego pierścienia otaczającego fundament.

Osiadanie obwodu płaszcza zbiornika wynosi od-18 do 31mm (różnica 49mm na obwodzie zbiornika). Nieznana jest całkowi- ta wartość osiadania zbiornika w trakcie całego okresu eksplo- atacji z powodu braku pomiarów powykonawczych.

Łączne deformacje płaszcza zbiornika od niedokładności wy- konania oraz nierównomierności osiadania osiągają od -169 mm (deformacja do wnętrza zbiornika) do 149mm (defor- macja na zewnątrz).

Istniejący stan deformacji płaszcza został odtworzony na podstawie pomiarów geodezyjnych, które wykonano na 40pio- nach pomiarowych rozłożonych równomiernie na obwodzie zbiornika. Na każdym pierścieniu pomiary wykonano na trzech poziomach (na krawędzi dolnej, w środku wysokości, na krawę- dzi górnej). Dodatkowo wykonano pomiar na wysokości 300 mm nad dnem zbiornika. Łącznie wykonano pomiary w 680 punk- tach, przy pustym zbiorniku. Charakter deformacji płaszcza zbiornika przedstawiono na przykładowych przekrojach piono- wych (rys. 3).

Przygotowanie badań

Na podstawie informacji o charakterze deformacji powłoki walcowej przystąpiono do analizy deformacji płaszcza zbiorni-

351

1110 1110

1036

-1-

-i -

+

^{-I- -} 1036

962 _I_

J _

^L

L_

₉₆₂

BBB

__ J_LL_

_BBB

B14 B14

740 740

666 666

592 E'592

~

""

51B 1l 518

"'"'^o

444 ~444

370 370

I

296

-1---

²⁹⁶

222 222

14B 14B

74 74

~ o

~dChylenie [m;"j "'7

Pion pomiarowy nr 1

-1--1--1--1-

-L-L-L-I-

_L_L_L_l l _

I I

--- --- i

I ii

-K

~

~

_o -1-1-

I

-f-+++++-

o ~ ~ ~ ~

e ~

odchylenie [mm]

o o o

~ <O CD

Rys. 3. Pomierzone deformacje na wybranych przekrojach pionowych płaszcza zbiornika

pierScien 8

pierscien 7

pierScier"l 6

pierścień 4

pierscień 3

pierścien 2

pierścien 1

1/40 obwodu 1/40 obwodu

ion

kowych elementów skończonych umożli- wiła oszacowanie rozkładu sił wewnętrz- nych oraz naprężeń w zdeformowanej powłoce. Na podstawie otrzymanych roz- kładów zaplanowano wykonanie trzech tensometrycznych pionów pomiarowych i określono wstępnie ich usytuowanie, a także określono warunki wykonania przyszłych prac pomiarowych.

Przewidziano do zainstalowania po trzy tensometry liniowe na każdym pier- ścieniu płaszcza zbiornika. Umieszczono je na krawędzi górnej i dolnej każdego pierścienia, w odległości około 20 mm od spoin poziomych i co najmniej 150 mm od spoin pionowych, a także w połowie wy- sokości każdego pierścienia płaszcza.

W trakcie montażu tensometrów zdecy- dowano o zwiększeniu liczby punktów po- miarowych. Dodatkowe tensometry po- ziome umieszczono na pierścieniu 5 i 6 w obrębie pionu pomiarowego nr 1;

usytuowano je po obu stronach pionu po- miarowego, w odległości 3 m. Dodatkowo zainstalowano pojedyncze tensometry pionowe na każdym z pionów pomiaro- wych, w miejscach największych załamań kątowych pomiędzy blachami przy spo- inach poziomych (rys. 4).

Przebieg badań

Pomiary zmian odkształceń płaszcza stalowego zbiornika wykonano z zastoso- waniem elektrooporowych przetworników tensometrycznych typu LY 11 6/120 pro- dukcji firmy Hottinger Baldwin Messtech- nik, które klejono do konstrukcji klejami firmy Measurements Group. Przebieg ba- dań rejestrowano przy użyciu kompute- rów PC współpracujących z wielopunkto- wymi systemami pomiarowymi typu UPM 60 i ONIX 64. Badania wykonano apara- turą Katedry Mostów Politechniki Gdań- skiej, przy udziale pracowników tej Kate- dry.

Przewidziano wykonanie dwóch peł- nych cykli pomiarowych (tj. dwóch cykli napełnienia i opróżnienia zbiornika), jed- nak zaistniałe warunki pogodowe (spa- dek temperatury o około 20°C), jak i przy- czyny techniczne ograniczyły prace do jednego pełnego cyklu i początku napeł- nienia w cyklu drugim. Rejestrację naprę- żeń w płaszczu zbiornika prowadzono au- tomatycznie co 15 min (rys. 5).

Badania terenowe a wyniki obliczeń

Badany zbiornik należy do silnie zde- formowanych obiektów z tej grupy kon- strukcji stalowych. Przy zastosowaniu standaryzowania wartości deformacji !1i rzeczywistą grubością blach płaszcza zbiornika fina danym poziomie uzyskujemy zmienność w zakre- sie Mfi

=

3,3.;-28,3. Takie imperfekcje powodują występowanie znacznych mimośrodów pomiędzy poszczególnymi fragmenta- mi pierścieni płaszcza zbiornika, co prowadzi do generowania Rys. 4. Rozmieszczenie tensornetrów i punktów pomiarowych na płaszczu zbiornika

ka. Dane z pomiarów geodezyjnych posłużyły do opracowania komputerowego modelu zbiornika. Do tego celu wykorzystano program Robot V6 oraz własne programy do opracowań staty- stycznych. Analiza modelu zbiornika z zastosowaniem powło-

352

INŻYNIERIA I BUDOWNICTWO NR 6/2001

Znaczne imperfekcje powłok walcowych mogą powodować istot- ną zmianę lokalnego stanu naprę- żenia w płaszczu zbiornika. Zsu- mowanie się naprężeń związanych z imperfekcjami i naprężeń spawalniczych, a także wady spawalnicze mogą być przyczyną doprowadzenia konstrukcji do stanu awaryjnego, czego przykła- dem są często spotykane w obiektach zbiornikowych pękające styki spawane płaszczy [1, 2, 3J. Należy więc dążyć do ograni- czania imperfekcji powłok przez zaostrzenie nadzoru w okresie budowy oraz zmniejszenie wartości dopuszczalnych odchyłek podawanych w odpowiednich normach, np. w PN-B-3210:1997 Konstrukcje stalowe - Zbiorniki walcowe pionowe na ciecze - Projektowanie i wykonanie.

[1] Ziółko J.: Imperfekcje stalowych zbiorników walcowych - przyczyny ich powstawania, sposoby ograniczania. "Inżynieria i Budownictwo", nr11/1999.

[2] Ziółko J..,Kowalski D.:Remont zbiornika stalowego w trudnych warunkach lokalnych. "lllżynieria i Budownictwo", nr 6/1998.

[3] Kowalski D.:Jakościowa i ilościowa ocena odchyłek wykonania płaszczy zbiorników stalowych. Konferencja naukowo-techniczna "Problemy eks- ploatacyjne baz magazynowych produktów naftowych", Poznań 1999.

ro¹⁰⁰+--+----+-+-~..-.----+.'-I a.

~ ~

'2 75+---+--'----~+_~-I-++-f-~~-1-.--- ..~-'---~~--,~.-'--'?'_.___

~

Co

~ 50+__~-'--·--,-~-+__~-~~P--+-~~~-·~~,-+~-+-~~=+~~~~~4-_+_-'--~~~-'--~-+~

11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 141 151 161 171 181 191 201 211 221 231 241 251

numer pomIaru

Rys. 5. Zarejestrowany przebieg zmienności naprężeń (poziomy pomiarowe wg rys. 4)

a) b) c)

(lk1is

KIX ,

_.~~_~__ l

x103kN/m

-2,0 7111

Rys.6.Zestawienie porównawcze sił obwodowego rozciągania powloki: a), b) z imperfekejami, c) idealnej

12.0

/ /

11.0

._--- ^... --- ^"1---'

~- ^-1--'-

~_I' _ _ _ _

Legenda

naprężenia dla pionu 1

'. ~', i - . _.

^naprężenia dla pionu 2

- -" • -';; I

'" ..\ ....~I-- .- naprężenia dla pionu 3

- .,..'--'-,L~>'\ - 1- je-- napręż~~ obliczeniow~

L_:~ ..

- j- \ ;'~'-- . .:..-'

/1 I

/_ ~I _1__ L

", ^-,;,

.' I :')"

-; I _y,c! - -

~

^{.( -;- '-}-..

1- ~ - 1-/

I "

\

10.0 I -

9.0

E

- 8.0

~

tU

'c

~ 7.0

N tU

~ 6.0

N (fJ

~

.(.) 5.0

.(fJ

~

o_o

(fJ 4.0

~

^{i -}

"_,,

3.0

_-.

^-..--_

;1'-'-

I I

r-._j

:-:.-

2.0

1.0 - 1-_,

o

'" ^oo

'"

o

'"

'"

oo

'"

oo o

'" ^{oo o}

'"

Naprężenie [MPa]

Rys. 7. Porównanie naprężeń pomierzonych z obliczonymi

INŻYNIERIA I BUDOWNICTWO NR 6/2001

w powłoce walcowej płaszcza zbiornika nie tylko sił obwodowego rozciągania, ale także znacznych sił pionowych oraz momentów zgi- nających (rys. 6). Uzyskane w trakcie badań wartości naprężeń porównano (rys. 7) z obliczonymi w wypadku zbiornika wzorcowego (o idealnym kształcie).

Na podstawie porównania po- mierzonych i obliczonych naprężeń stwierdzono, że deformacje kształ- tu płaszcza bardzo istotnie zmie- niają lokalnie wartości naprężeń w stosunku do stanu idealnego.

Przykładem może być pomiar wy- konany w pionie drugim, na pozio- mie piątym, gdzie stwierdzono na- wet ponad dwukrotne przekrocze- nie spodziewanych naprężeń (258%).

Wartości, jakie uzyskano z obli- czeń komputerowych z wykorzy- staniem metody elementów skoń- czonych w przypadku powłok zdeformowanych nie są zadowala- jące. Przyczyną tego może być sła- ba zbieżność procesu obliczenio- wego lub słabe dopasowanie charakterystyki elementów zasto- sowanych do modelowania powło- ki. Podjęto więc dalsze prace ba- dawcze i obliczeniowe.

Uwagi końcowe

PiŚMIENNICTWO

o

353