Том 336 № 11 (2025)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2025/11/4898
Анализ напряженно-деформированного состояния резервуара при развитии осадок вследствие оттаивания мерзлого грунта
Актуальность. В настоящее время оценка напряженно-деформированного состояния резервуаров, расположенных на многолетнемерзлых грунтах, является важной задачей для предупреждения аварий и разливов нефти и нефтепродуктов, что может повлечь за собой серьезные экологические последствия. В статье подробно рассматривается влияние различных нагрузок, в том числе осадки грунта, возникающей в результате оттаивания многолетнемерзлого грунта. Причиной увеличения зоны оттаивания грунта является повышение средней годовой температуры воздуха, что становится все более актуальной проблемой в условиях глобального изменения климата. Цель. Анализ влияния коэффициентов постели основания под резервуаром и величины просадки на напряженно-деформированное состояние резервуара вертикального стального. Методы. Разработана упрощенная модель резервуара, с помощью которой были получены зависимости напряженно-деформированного состояния от таких важных параметров, как гидростатическое давление продукта, границы непросадочного и просадочного грунта в основании резервуара, а также величины коэффициентов постели грунта на сжатие. Эта модель позволила определить наиболее значимые факторы при расчете, влияющие на напряженно-деформированное состояние резервуара при осадке. В дальнейшем полученные результаты исследования позволят провести уточненные расчеты напряженно-деформированного состояния элементов резервуара, что будет иметь критическое значение при оценке устойчивости конструкции при осадке основания, а также обеспечит эффективность эксплуатации резервуаров. Результаты. Получены зависимости эквивалентных напряжений в стенке и в днище резервуара при различном отношении коэффициента постели оттаявшего и мерзлого грунта, а также от величины зоны оттаивания. Напряжения в стенке резервуара в большей степени зависимы от высоты налива продукта – вес параметра 77 %, однако разница коэффициентов постели грунтов также оказывает значительное влияние – 18 %. На напряжения в днище резервуара изменение коэффициентов постели грунта уже влияет в большей степени (50 %), чем нагрузка от гидростатического давления (38 %).
Ключевые слова:
Осадка основания, многолетнемерзлый грунт, напряженно-деформированное состояние, оттаивание, метод конечных элементов
Библиографические ссылки:
1. Climate change 2021: The Physical Science Basis. URL: https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/figures/technical-summary (дата обращения 05.09.2023).
2. Чепур П.В. Напряженно-деформированное состояние резервуара при развитии неравномерных осадок его основания: дис. … канд. техн. наук. – М., 2015. – 181 с.
3. Султанмагомедов Т.С., Халиков Т.М. Разработка цифровой модели трубопровода в многолетнемерзлых грунтах // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. – 2023. – Вып. 4 (144). – С. 54–70.
4. РД-23.020.00-КТН-296-07. Руководство по оценке технического состояния резервуаров. – М.: ОАО “АК “Транснефть”, 2007. – 135 с.
5. DeBeer E.E. Foundation problems, of petroleum, tanks // Annales de L’Institut Belge du Petrole. – 1969. – № 6. – P. 25–40.
6. Ямамото С., Кавано К. Расследование причины аварии нефтехранилища. – Сан-Диего. Калифорния, 1976.
7. Ямамото С., Кавано К. Напряжения и деформации, образующиеся в цилиндрических резервуарах вследствие неравномерного оседания основания / пер. с японского языка статьи из журнала "Нихои Кикай Гаккайси". – 1977. – Т. 80 – № 703. – С. 534–539.
8. Васильев Г.Г., Сальников А.П. Анализ причин аварий вертикальных стальных резервуаров // Нефтяное хозяйство. – 2015. – № 2. – С. 106–108.
9. Clarke J.S. Recent tank bottom and foundation problems // Proc. of American Petroleum Institute. 36th Midyear Meeting, Division of Refuting, May 1971. – 1 p.
10. Тарасенко А.А., Чепур В., Тарасенко Д.А. Численное моделирование процесса деформации резервуара при развитии неравномерной осадки // Нефтяное хозяйство – 2015. – № 4. – С. 88–91.
11. Сейсмический анализ вертикального стального резервуара РВСПК-50000 линейно-спектральным методом / Г.Г. Васильев, А.А. Тарасенко, В. Чепур, Ю.В. Васильев, А.В. Кузьмин, В.В. Кузьмин, T. Гуань // Нефтяное хозяйство. – 2015. – № 10. – С. 120–123.
12. Тарасенко А.А., Чепур П.В. Особенности совместной работы кольцевого фундамента и грунтового основания при наличии зон неоднородности // Основания, фундаменты и механика грунтов. – 2016. – № 4. – С. 238–243.
13. Zhang Y., Michalowski R.L. Thermal-hydro-mechanical analysis of frost heave and thaw settlement // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. – 2015. – Vol. 141. – № 7. – P. 1–11.
14. Аммосов Д.А. Многомасштабное моделирование многофизических задач с упругими деформациями: дис. … канд. физ.-мат. наук. – Якутск, 2023. – 140 с.
15. Царапов М.Н. Формирование прочностных характеристик грунтов в процессе оттаивания // Вестник Московского университета. Серия 4. Геология. – 2007. – № 6. – С. 31–34.
16. Котов П.И., Роман Л.Т., Царапов М.Н. Влияние условий оттаивания и уплотнения на деформационные характеристики оттаивающих грунтов // Вестник Московского университета. Серия 4. Геология. – 2017. – № 1. – С. 58–63.
17. Котов П.И., Царапов М.Н. Прогноз деформаций оттаивающих грунтов с использованием параметрических уравнений // Материалы пятой конференции геокриологов России. – М., 2016. – С. 110–115.
18. Genske D.D. Engineering structures in engineering geology // Springer Textbooks in Earth Sciences, Geography and Environment. Springer. – Berlin, Heidelberg, 2024. – P. 335–398. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-68762-8_12
19. Морозное пучение и пучинистость грунтов на трассе проектируемой железной дороги Москва–Казань / У.Б. Фаттоев, А.В. Брушков, А.В. Кошурников, А.Ю. Гунар // Вестник Московского университета. Серия 4. Геология. – 2021. – № 2. – С. 104–109.
20. Роман Л.Т., Царапов М.Н. Оценка устойчивости откосов, сложенных оттаивающими грунтами // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. – 2011. – № 1. – С. 58–62.
21. Кальбергенов Р.Г., Котов П.И., Царапов М.Н. Определение деформационных характеристик оттаивающих грунтов методом трехосного сжатия // Основания, фундаменты и механика грунтов. – 2019. – № 5. – С. 28–32.
22. Калабина М.В., Царапов М.Н. Прочностные свойства оттаивающих грунтов // Современное состояние, проблемы и перспективы развития отраслевой науки: материалы всероссийской конференции. – М., 2017. – С. 542–546.
23. Yang L., Zhang S., Qiu T. Buckling analyses of cylindrical shells with axial variable elastic modulus under external pressure // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2023. – Vol. 46. – № 163. DOI: https://doi.org/10.1007/s40430-024-04742-z
24. Harutyunyan D., Rodrigues A.M. The buckling load of cylindrical shells under axial compression depends on the cross-sectional curvature // Journal of Nonlinear Science. – 2023. – Vol. 33. – № 27. DOI: https://doi.org/10.1007/s00332-022-09880-z
25. Tu S., Shuai J. Numerical study on the buckling of pressurized pipe under eccentric axial compression // Thin-Walled Structures. – 2022. – Vol. 147. DOI: 10.1016/j.tws.2019.106542
26. Wang B., Hao P., Ma X. Knockdown factor of buckling load for axially compressed cylindrical shells: state of the art and new perspectives // Acta Mechanica Sinica. – 2022. – Vol. 38. – P. 421–440. DOI: https://doi.org/10.1007/s10409-021-09035-x
27. Post-buckling behavior of stiffened cylindrical shell and experimental validation under non-uniform external pressure and axial compression / B. Wang, M. Yang, D. Zeng, P. Hao, G. Li, Y. Liu, K. Tian // Thin-Walled Structures. – 2021. – Vol. 161. – 107481. DOI: 10.1016/j.tws.2021.107481
28. Fazlalipour N., Showkati H., Eyvazinejad Firouzsalari S. Buckling behaviour of cylindrical shells with stepwise wall thickness subjected to combined axial compression and external pressure // Thin-Walled Structures. – 2021. – Vol. 167. DOI: 10.1016/j.tws.2021.108195
29. Rathinam N., Prabu B., Anbazhaghan N. Buckling analysis of ring stiffened thin cylindrical shell under external pressure // Journal of Ocean Engineering and Science. – 2021. DOI: 10.1016/j.joes.2021.03.002
30. Gokyer Y., Sonmez F.O. Topology optimization of cylindrical shells with cutouts for maximum buckling strength // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2023. – Vol. 45. – № 13. DOI: https://doi.org/10.1007/s40430-022-03941-w
31. Research of throwing areols of underground pipeline in permafrost / T.S. Sultanmagomedov, R.N. Bakhtizin, S.M. Sultanmagomedov, T.M. Halikov // SOCAR Proceedings. – 2021. – № SI2. – P. 21–30. DOI: 10.5510/ogp2021si200594
