Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ работы резервуаров, эксплуатируемых на Севере 8
1.1. Описание объекта исследования 8
1.2. Исследование вопросов надежности резервуаров 12
1.3. Особенности эксплуатации резервуаров на Севере 21
1.4. Обзор исследований по несущей способности резервуаров 28
1.5. Цель и задачи исследования 32
2. Методика определения крена резервуара и неравномерных осадок контура днища 35
2.1. Геодезические измерения днищ резервуаров 35
2.2. Оценка точности геодезических измерений 38
2.3. Оценка точности условных отметок 41
2.4. Определение неравномерных осадок точек контура днища 44
2.5. Определение параметров неравномерных перемещений контура днища аппроксимацией рядом Фурье 47
2.6. Определение крена резервуара и неравномерных перемещений контура днища последовательными аппроксимациями 50
2.7. Точность определения крена и неравномерных осадок резервуара 57
3. Анализ технического состояния резервуаров в условиях Крайнего Севера 60
3.1. Анализ аварий резервуаров 60
3.2. Дефекты и повреждения резервуаров 67
3.3. Неравномерные осадки оснований резервуаров 76
3.4. Температурные воздействия 79
4. Оценка несущей способности резервуара 85
4.1. Расчет резервуара на действие температурной нагрузки 85
4.2. Расчет резервуара на действие осесимметричной нагрузки 91
4.3. Расчет резервуара на неравномерную осадку основания 103
4.4. Оценка несущей способности резервуара при наличии трещиноподобных дефектов уторного соединения 110
Основные выводы 118
Список использованной литературы 120
Приложение 1 132
- Обзор исследований по несущей способности резервуаров
- Определение параметров неравномерных перемещений контура днища аппроксимацией рядом Фурье
- Неравномерные осадки оснований резервуаров
- Оценка несущей способности резервуара при наличии трещиноподобных дефектов уторного соединения
Введение к работе
Система обеспечения нефтепродуктами является основой для развития ключевых отраслей экономики - промышленности, транспорта, сельского хозяйства. Завоз нефтепродуктов в районы Крайнего Севера осуществляется по водным путям в течение короткого периода навигации. Для хранения годового запаса нефтепродуктов в Республике Саха (Якутия) используются стальные вертикальные цилиндрические резервуары емкостью до 10000 м3. Общая вместимость резервуарного парка республики составляет около 1,7 млн. м3.
Нефтебазы, расположенные на берегах рек недалеко от населенных пунктов, представляют собой экологически опасные объекты. При авариях резервуаров разлившиеся нефтепродукты загрязняют прилегающие территории и водные бассейны. Экономический ущерб от аварий с утечкой нефтепродуктов включает не только прямые потери, но и затраты на экологические мероприятия по восстановлению окружающей среды, а также затраты на восполнение запаса нефтепродуктов, крайне необходимых для жизнеобеспечения населения в суровых условиях Севера. Расходы на экстренную доставку нефтепродуктов значительны ввиду использования авиации или автотранспорта по временным зимним дорогам.
Более половины общего числа нефтяных резервуаров в Якутии сдано в эксплуатацию до 1966 г., то есть у большинства емкостей выработаны нормативные сроки службы. Обследования технического состояния выявили у многих резервуаров дефекты и повреждения, параметры которых превышают предельно допустимые значения. Неудовлетворительное техническое состояние резервуаров увеличивает вероятность их отказов. В последние годы на нефтебазах республики участились аварии резервуаров с разливом нефтепродуктов. Тем не менее, по экономическим причинам резервуары, не отвечающие нормативным требованиям, продолжают находиться в эксплуатации. Необходимо срочное решение вопросов продления ресурса,
5 вывода в ремонт или прекращения эксплуатации емкостей, имеющих монтажную и эксплуатационную дефектность и выработанный нормативный срок службы. Принятие таких решений для каждого конкретного резервуара должно проводиться с учетом остаточного ресурса, определяемого на основе оценки технического состояния конструкций. Оценка технического состояния резервуаров при высоком уровне накопления дефектов и повреждений в условиях Крайнего Севера представляет собой комплексную задачу, решение которой включает определение несущей способности крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций с учетом влияния низких температур эксплуатации, фактических нагрузок и воздействий.
Целью работы является оценка несущей способности стальных вертикальных цилиндрических резервуаров с дефектами сварных швов и неравномерными осадками оснований при низких климатических температурах.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
Разработать методику обработки данных нивелирования для определения параметров неравномерных осадок основания резервуара.
Провести анализ данных по дефектам и повреждениям резервуаров, эксплуатируемых на Севере.
Оценить влияние температурных воздействий окружающей среды на напряженно-деформированное состояние резервуара.
Разработать методику инженерного расчета напряженно-деформированного состояния уторного соединения стенки и днища резервуара при неравномерных осадках основания.
Определить несущую способность резервуара с установленными неравномерными осадками основания при наличии дефектов сварных швов уторного соединения стенки и днища в условиях низких температур эксплуатации.
Научная новизна заключается в оценке несущей способности конструкций резервуаров с монтажными и эксплуатационными дефектами в экстремальных климатических условиях Крайнего Севера. В работе получены следующие результаты:
разработана методика геодезических измерений контура днища резервуара и обработки данных нивелирования;
выполнена оценка напряжений в уторном соединении стенки с днищем от температурных климатических воздействий;
определены зависимости для расчета краевого эффекта в сопряжении стенки и днища резервуара на упругом винклеровском основании, позволяющие упростить вычисление усилий при действии осесимметричных нагрузок и установить допустимый уровень налива нефтепродукта по величине изгибающего момента в опорном сечении стенки;
предложена методика расчета напряжений в соединении стенки с днищем от неравномерных осадок основания;
предложена методика оценки несущей способности резервуара с непроваром в уторном соединении при неравномерных осадках основания в условиях низких температур.
Достоверность результатов работы обеспечивается использованием научно обоснованных методов расчета, применением современных программных комплексов, а также сопоставлением полученных результатов с теоретическими и экспериментальными данными других авторов.
Практическая значимость заключается в том, что разработанная методика нивелирования днищ цилиндрических резервуаров и обработки полученных данных, а также методика определения допустимого уровня заполнения могут быть использованы при решении практических вопросов надежной эксплуатации резервуаров. Результаты диссертационной работы внедрены в производственную деятельность ШИ1 «СибЭРА» (Красноярск) в виде методик, применяемых при оценке технического состояния резервуаров. В приложении 1 приведена копия акта внедрения.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов (Якутск, 1994); на международной конференции «Металлостроительство-96» (Донецк, 1996); на I Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2002); на республиканской научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительного и жилищно-коммунального комплексов Республики Саха (Якутия)» (Якутск, 2004). Результаты исследований и методические разработки диссертационной работы апробированы в НПП «СибЭРА» (Красноярск).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы, содержащей 111 наименований, и изложена на 134 страницах машинописного текста.
Обзор исследований по несущей способности резервуаров
Длительный срок службы и физический износ резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов являются основными факторами, обостряющими проблему экологической безопасности нефтебаз. Эта проблема кардинально может быть решена путем обновления резервуарного парка республики. Необходимость строительства резервуаров обусловлена также развитием нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности Якутии. При проектировании современных резервуаров нужны новые технические требования к материалам, конструкциям, технологиям изготовления и возведения с учетом особенностей работы конструкций на вечномерзлых грунтах при низких климатических температурах. Для создания оптимальной конструкции должны быть исследованы факторы, влияющие на надежность резервуара в конкретных условиях эксплуатации.
Исследование отказов стальных резервуаров, выполненное в 1995 году в ЦНИИПСК им. Мельникова по материалам отечественных и зарубежных публикаций и архивным данным института, показало следующее распределение причин аварий: 21,5% аварий связано с недоработками проекта; 58,5% - с недостатками строительства и 20% - с нарушениями правил эксплуатации и внешними воздействиями [11].
В качестве примера, иллюстрирующего влияние ошибок проектирования на надежность резервуаров, можно привести аварию, описанную И.М. Розенштейном [12]. Резервуар объемом 5000 м , заполненный маслом, разрушился при температуре воздуха -34 С. По расчетам температура стенки в момент аварии составила примерно -10 С. Резервуар эксплуатировался в течение 8 лет. Стенка и окрайки днища были выполнены из стали ВСтЗсп-5 по ГОСТ 380-71. Трещина началась от технологического дефекта сварного шва корпуса люка-лаза, перешла на основной металл стенки и воротника жесткости. При распространении трещины по образующей на всю высоту стенки потоком масла стенка была оторвана от днища и кровли и отброшена на обвалование. Хрупкому разрушению конструкций способствовало снижение температуры окружающего воздуха, вызвавшее появление дополнительных температурных напряжений в жестком узле сопряжения люка-лаза и стенки резервуара. По результатам химического анализа материал люка-лаза был определен как низкоуглеродистая сталь марки СтЗкп, склонная к хрупкому разрушению. Люк-лаз - патрубок диаметром 470 мм и длиной 220 мм - был сварен из стального листа толщиной 8 мм, хотя его можно было выполнить из цельнотянутой трубы. Согласно проекту патрубок был вварен в стенку резервуара так, что его сварной шов оказался в крайнем верхнем положении. Если люк-лаз был бы установлен в стенку с поворотом на 90 относительно своего фактического положения, то его сварной шов оказался бы в точке, где концентрация напряжений от гидростатической нагрузки не создается, и вероятность разрушения была бы меньше. Таким образом, авария показала, что надежность резервуара в отношении хрупкого разрушения определяется слабым звеном конструкции. Хрупкое разрушение люка-лаза привело к разрушению всего резервуара, выполненного из хладостойкого материала и находившегося в исправном состоянии.
Несомненно, что при проектировании резервуаров северного исполнения необходимо учитывать влияние низких климатических температур. При низких температурах пластические свойства конструкционных сталей ухудшаются, что приводит к снижению их способности сопротивляться хрупкому разрушению. Концентрация напряжений при наличии трещиноподобных дефектов и низких температур может привести к образованию трещин, а при их нестабильном распространении - к разрушению резервуара. В местах концентрации напряжений следует создавать плавный силовой поток, конструировать и располагать люки-лазы, патрубки трубопроводов с учетом НДС конструкций резервуара. Выбор материалов должен обеспечивать сопротивляемость элементов конструкции возможным видам разрушения. В конструкциях резервуаров, предназначенных для эксплуатации при низких температурах, целесообразно использовать термически упрочненные низколегированные стали, которые обладают значительной хладостойкостью и высокой прочностью, что позволяет назначать меньшую толщину стенки. При применении в конструкциях более тонких листов уменьшается влияние масштабного эффекта, а также снижается критическая температура увязания хрупкой трещины [13]. Однако следует иметь в виду, что термическое влияние сварки приводит к ухудшению механических свойств хладостойких сталей в зоне сварного шва [3]. Образование закалочных микроструктур и трещин в околошовной зоне зависит от скорости охлаждения сварного шва, на которую влияют конструктивные особенности соединения (форма, толщина). Хладостойкость всех участков сварного соединения можно обеспечить правильным выбором сварочных материалов, режимов и условий сварки. На основе исследований свариваемости и сварочных процессов при низких температурах в институте физико-технических проблем Севера разработаны технологии создания сварных конструкций северного исполнения и определены технические требования к сварочным материалам [14].
При проектировании резервуаров желательно предусматривать конструкции менее подверженные влиянию типичных и наиболее опасных дефектов и повреждений. В работе [15] на основе анализа технического состояния 8662 резервуаров объемом до 5000 м установлено, что причиной отказов резервуаров в 60-70% случаев является коррозионный износ. После 20-30 лет эксплуатации резервуары из-за коррозии перестают удовлетворять предъявляемым к ним требованиям. Наиболее вероятной формой наступления предельного состояния при коррозии является потеря общей устойчивости корпуса и нарушение герметичности. Для увеличения надежности и долговечности резервуаров рекомендуется предусматривать эффективную антикоррозионную защиту конструкций, применять сталь с повышенной коррозионной стойкостью. Новые конструктивные решения позволяют избежать некоторых недостатков, присущих резервуарам традиционной конструкции. Высокий уровень напряжений в уторном соединении стенки с днищем считается одной из причин аварий резервуаров [16]. Уменьшить напряжения в 1,5-1,8 раза можно при применении подвижных опорных узлов. Для герметизации соединения стенки с днищем в подвижных узлах используются гибкие оболочки.
Определение параметров неравномерных перемещений контура днища аппроксимацией рядом Фурье
Несущая способность резервуаров была предметом исследования в работах М.К. Сафаряна [44], Е.Н. Лессига, А.Ф. Лилеева, А.Г. Соколова [13], В.Л. Березина, В.Е. Шутова [45] и ряда других авторов. Теория тонких оболочек, используемая при расчете конструкций резервуаров, разработана в трудах СП. Тимошенко [46], В.З. Власова [47], В.В. Новожилова [48], А.Л. Гольденвейзера [49] и др. Практические методы расчета оболочек изложены в книге В.М. Никиреева и В.Л. Шадурского [50]. Усилия краевого эффекта в опорном сечении стенки по теории тонких упругих оболочек определяются решением дифференциального уравнения изгиба цилиндрической оболочки. Решения в случае осесимметричной нагрузки при некоторых идеальных случаях закрепления стенки и днища резервуара (шарнирном и жестком) приведены в работе [51]. Решение дифференциального уравнения изгиба оболочки методом начальных параметров получено Н.К. Снитко [52].
Разработанный М.К. Сафаряном и М.Н. Ручимским расчет сопряжения стенки и днища резервуара с учетом поворота нижней кромки стенки вместе с днищем на упругом основании методом сил приводится во многих работах, содержащих прочностной расчет цилиндрических емкостей [3, 4, 13, 15]. Ю.В.Соболев рассчитывает узел сопряжения стенки с днищем в безразмерных параметрах методом перемещений, но в расчете не учитывается возможность вертикального смещения узла и деформируемость выступа окрайки [53]. Методика определения усилий краевого эффекта с учетом упруго-пластических свойств стали и возможности отрыва днища от основания разработана Е.А. Егоровым [54].
Н.К. Снитко предложен метод расчета краевого эффекта в резервуаре, имеющем кольцевой фундамент под стенкой. Днище рассматривается как круглая пластинка на упругом винклеровском основании при воздействии на нее распределенного по краям момента [55]. В.Б. Галеевым и Л. В. Кротковой разработана методика уточненного расчета краевого эффекта при тех же предпосылках, но без кольцевого фундамента [41]. НДС соединения стенки резервуара с днищем-мембраной рассматривается в [56]. В работе В.Б. Галеева и М.С. Иштирякова [57] приводится инженерная формула, позволяющая определять изгибные напряжения в нижнем опорном узле стальных цилиндрических резервуаров большого объема при следующих предпосылках: днище рассматривается как круглая пластинка на упругом основании, реакция основания пропорциональна действующей нагрузке, соединение стенки с днищем принимается условно как упругое. Решение задачи определения усилий краевого эффекта в уторном соединении стенки и днища в нелинейной постановке выполнено И.Д. Грудевым [58].
В работе [22] оценено влияние неравномерности начальной кривизны стенки на напряженное состояние в уторном соединении. Показано, что увеличение перемещений в зоне начальной вмятины приводит к увеличению изгибающего момента в соединении стенки с днищем.
Методика расчета НДС днища резервуара с учетом осадок основания приводится в работе [40]. Днище рассматривается как конструкция, свободно лежащая на упругом основании. Основание моделируется как упругое полупространство.
Г.П. Кандаков и И.И. Копейкин исследовали влияние крена резервуара на его напряженное состояние [59]. Система уравнений моментной теории оболочек при крене резервуара сводится к приближенному уравнению, которое совпадает с уравнением осесимметричной задачи расчета оболочки, нагруженной постоянным давлением. Приведенные ими оценки показали, что расчет при небольших (до 10 ) углах наклона корпуса может выполняться как расчет нормально установленного резервуара на давление, равное амплитудной величине антисимметричного давления жидкого продукта, возникающего при крене.
В работах [15, 60] приводится решение М.К. Сафаряна задачи определения напряжений в стенке резервуара в случае неравномерной в окружном направлении осадки основания. Вертикальные смещения контура днища аппроксимируются кривой второго порядка, а напряжения вычисляются из условия достижения окружными напряжениями предела текучести.
Расчет резервуаров с плавающей крышей на неравномерные осадки основания проводится в работе [61]. Там же приведена методика определения крена и неравномерных осадок по контуру днища. Расчету НДС корпуса резервуара при неравномерных осадках основания посвящены работы С.Н. Калмыкова [62], В.А. Буренина [63], К.В. Гурьянова [64], И.В. Слепнева [65], В.В. Любушкина [66]. В.Г. Маликин исследовал прочность и устойчивость вертикальных цилиндрических резервуаров методом конечных элементов [67]. Расчетная схема включает весь корпус резервуара с днищем на упругом основании. Проводится расчет на неравномерные осадки локального характера при переменных коэффициентах упругости основания. Определены допускаемые величины неравномерных осадок для резервуара емкостью 50 000 м3 в зависимости от длины зоны осадки по окружности стенки.
Опыт сооружения резервуаров в сложных природно-климатических условиях Западной Сибири и Крайнего Севера проанализирован в работе [68]. Методы расчета оснований и фундаментов резервуаров, возводимых на вечномерзлых грунтах, приведены в [5]. Проблема безопасности эксплуатации резервуаров в условиях Севера рассмотрена В.А. Прохоровым [24]. Влияние температуры на напряженное состояние резервуаров исследовано в работе [69]. Экспериментально установлено, что в нижних поясах стенки и в уторном соединении возникают значительные напряжения при неравномерном распределении температуры по элементам резервуара.
Вопросы устойчивости тонких цилиндрических оболочек в линейной постановке решены СП. Тимошенко [46], В.З. Власовым [47], А.С. Вольмиром [70]. Тонкостенность оболочек резервуаров и наличие несовершенств геометрической формы приводит к необходимости применения нелинейной теории устойчивости оболочек. Алгоритм оценки устойчивости резервуаров с геометрическими несовершенствами стенки приведен в работе [71].
Неравномерные осадки оснований резервуаров
В [94] были проанализированы причины выхода из строя 262 резервуаров химической и нефтехимической промышленности. Приведенные в работе данные показывают, что основным видом отказов резервуаров является развитие трещины. В 194 случаях трещины возникали в зонах концентрации напряжений - в сварных швах уторного соединения стенки и днища, в местах присоединения к стенке люков-лазов и приемораздаточных патрубков.
В.Б. Галеев на основе анализа аварий 28 резервуаров пришел к выводу, что в 21 случае наряду с другими факторами причиной разрушения была неравномерная осадка основания [40].
В статье [69] рассматриваются произошедшие при резком понижении температуры воздуха аварии резервуаров, выполненных из кипящих сталей. При уровне налива всего 6 м на резервуаре перекачивающей станции магистрального нефтепровода в сварном шве окрайки днища образовалась трещина, которая распространилась по основному металлу внутрь резервуара на 300 мм. В нижней части стенки образовалась вертикальная трещина длиной 1200 мм с шириной раскрытия 6 мм. Аналогичные разрушения двух резервуаров произошли на нефтеперерабатывающем заводе при температуре воздуха-22 С. В резервуаре, где хранилось моторное топливо с температурой 75 С, образовались трещины в диаметрально противоположных местах стенки: одна по вертикальному сварному шву, другая по основному металлу. В другом резервуаре с обессоленной нефтью трещина распространилась по вертикальному сварному шву в пределах первого пояса. По мнению авторов статьи, эти аварии вызваны температурными напряжениями, возникающими в уторном соединении стенки с днищем. В ходе экспериментальных исследований подтверждено возникновение температурных напряжений в уторном соединении при различии температур нефтепродукта и окружающей среды.
Аварии резервуаров происходят в результате действия ряда факторов, среди которых можно выделить неравномерную осадку основания и температурные воздействия. 1. Аварии, связанные с неравномерной осадкой основания
В июле-августе 1991 г. на нефтебазе п. Усть-Куйга при заполнении произошли аварии шести резервуаров. Максимальная температура воздуха в этот период достигала 30 С. Все резервуары имели неравномерные осадки по контуру и значительный крен в юго-западном направлении. Максимальные просадки наблюдались со стороны наибольшего теплоприхода. На трех резервуарах объемом 700 м в уторном соединении стенки с днищем образовались трещины. Над местами наибольшей просадки оснований в стенках трех резервуаров емкостью 2000 м3 по всей высоте возникли деформации волнообразной формы. Причем у этих резервуаров места наибольшей просадки основания находились под монтажными швами стенки, где стенка имеет повышенную жесткость. У одного из резервуаров в соединения стенки с кровлей произошел разрыв длиной 400 мм с раскрытием 50 мм, и на краю кровли образовалась волнообразная складка. Геометрическая форма резервуара заметно изменилась вследствие неравномерной осадки основания. Результаты геодезической съемки, проведенной после аварии, показали, что для этого резервуара максимальная разность отметок точек контура днища составила 294 мм, а наибольшее отклонение образующей от вертикали в месте деформации стенки - 298 мм.
В п. Амга 18 декабря 1989 года при температуре воздуха -52 С разрушился резервуар объемом 700 м . Резервуар имел значительный крен и неравномерную осадку по контуру днища. Из-за осадки корпуса технологический трубопровод оперся на грунт на расстоянии 1,8 м от резервуара. Трещины возникли в сварном шве усиливающего воротника трубопровода и перешли на основной металл корпуса. Одна из трещин прошла от нижнего угла воротника жесткости по дуге вправо на 250 мм, а вторая трещина длиной 200 мм распространилась в сторону уторного соединения. Максимальная ширина раскрытия трещин составила три миллиметра. 2. Отказы при низких температурах 2 февраля 1979 г. при температуре -57 С на Усть-Куйгинской нефтебазе произошло разрушение вертикального цилиндрического резервуара объемом 700 м , 1977 года постройки, с разливом 624 тонн летнего дизельного топлива. Трещина распространилась по основному металлу стенки по всей высоте. При аварии стенка была развернута почти до плоскости и отброшена на расстояние около 15 м, кровля упала на днище. При обследовании на стенке корпуса обнаружены коррозионные раковины. Сертификат на использованные в конструкциях стали и данные об осадке резервуара отсутствовали. Результаты определения химического состава металла стенки соответствуют малоуглеродистой стали СтЗ: содержание кремния 0,054%, содержание серы и фосфора предельное. Учитывая высокое значение критической температуры хрупкости, полученной при испытаниях образцов, материал корпуса определен как сталь кипящей плавки. Поверхность трещины, разрушившей резервуар, имела четко выраженный шевронный узор. По его направлению установили, что хрупкая трещина возникла в сварном шве уторного соединения стенки с днищем. В качестве основной причины аварии резервуара было определено применение в конструкциях стали, склонной к хрупкому разрушению (ВСтЗкп). По неполным данным экспертизы можно предположить, что трещина возникла от трещиноподобных дефектов на уторном соединении стенки с днищем при наличии коррозионных повреждений и появлении дополнительных напряжений. В феврале 1984 г. произошла авария резервуара на нефтебазе в г. Олекминске. Резервуар эксплуатировался 20 лет. При резком понижении температуры воздуха от -37 до -52 С в сварном шве крепления приемно-отпускного трубопровода образовалась трещина. 8 января 1986 г. при температуре наружного воздуха -51 С на Нижнеянской нефтебазе произошла авария резервуара объемом 3000 м3 с полным его разрушением и разливом 2000 тонн летнего дизельного топлива. Резервуар, эксплуатировавшийся с 1969 г., был установлен на железобетонной монолитной плите, базирующейся на гравийно-песчаном основании. При аварии стенка была разорвана на всю высоту и оторвана от днища по основному металлу. Во время разрушения резервуара были повреждены трубопроводы и соседние емкости, из которых произошла утечка бензина. Техническая комиссия установила, что разрушение началось в нижнем поясе стенки резервуара в зоне примыкания приемораздаточных трубопроводов. Излом трещины, разрушившей стенку, не имеет очагового дефекта. Трещина, отделившая стенку от днища, на изломе имеет крупнозернистую структуру без следов пластической деформации. Воротники жесткости патрубков имели диаметр 315 мм вместо положенных 440 мм при диаметре отверстия в стенке 255 мм. В актах обследования отмечается, что сертификаты на использованные в резервуаре материалы отсутствуют, а осадка основания не определялась. Данные спектрального и химического анализов металла нижнего пояса стенки соответствуют стали ВСтЗпс.
Оценка несущей способности резервуара при наличии трещиноподобных дефектов уторного соединения
Результаты обследования 12 резервуаров Нюрбинской нефтебазы, проведенного в мае 1989 года, показали, что у семи резервуаров имеются характерные вмятины на краях днищ (рис. 2). Наименьшая длина таких вмятин составляет примерно 1/6 периметра, наибольшая - весь периметр. У резервуаров, имеющих вмятины по контуру днища, отмечаются также вмятины по периметру кровли и в верхних поясах стенки на границе с кровлей. Три резервуара имеют на днище и вмятины, и хлопуны. На днищах пяти резервуаров выявлены хлопуны площадью 10-30 м .
Для исследований деформаций проведены дефектоскопия и нивелирование днища резервуара объемом 2000 м нефтебазы п. Нижний Вестях. Была выполнена геодезическая исполнительная съемка днища (рис. 10). По результатам нивелирования построены профили днища в двух радиальных направлениях перпендикулярных друг другу, из которых видно, что неравномерные осадки днища увеличиваются от середины к краям. На расстоянии примерно 1 м от стенки на днище обнаружена вмятина протяженностью более половины периметра днища. Причиной ее возникновения, видимо, является значительная неравномерная осадка в радиальном направлении. Характер деформаций свидетельствует о возникновении в окрайках растягивающих напряжений. На расстоянии 2 м от уторного соединения на днище примерно в середине вмятины была обнаружена сквозная трещина длиной 25 см, расположенная концентрично. Днище подвержено сплошной коррозии с язвенными ямками. Вблизи стенки расположены несколько хлопунов площадью до 2 м2.
Таким образом, для днищ резервуаров, эксплуатируемых на вечномерзлых грунтах, распространенными дефектами являются хлопуны и вмятины. Вмятины, в основном, расположены концентрично по периметру днища на расстоянии около 1 м от стенки. Эти деформации днища связаны с неравномерными смещениями основания под резервуаром и соответствуют профилю осадок. В ряде случаев имеющиеся повреждения могут изменить характер работы конструкций. В днище, толщина которого при проектировании назначалась в предположении работы на сжатие, при наличии вмятин и хлопунов появляются растягивающие мембранные и изгибные напряжения, которые могут привести к образованию трещин и при определенных условиях к разрушению всего резервуара. Примером, иллюстрирующим возможность таких последствий, служит авария резервуара вместимостью 10000 м , которая произошла во время гидравлического испытания в районе г. Одесса при температуре воздуха 4 С [12]. Резервуар был установлен на месте демонтированного резервуара меньшего объема. При строительстве не было выполнено требование проекта о рыхлении старого основания на глубину 2-2,2 м с последующим виброуплотнением. Поэтому средняя часть днища располагалась на основании, уплотненном в процессе эксплуатации предыдущего резервуара, а под периферийной частью днища и стенкой основание не было так уплотнено. В результате такого решения профиль днища в радиальном направлении оказался аналогичным профилю, наблюдаемому у резервуаров, эксплуатируемых на вечномерзлых грунтах. Осадка под стенкой превысила осадку под центром днища на 177 мм. Предположительно разрушение началось с разрыва окраек по околошовной зоне внутреннего шва уторного соединения в зоне монтажного шва стенки. Именно под этой зоной просадки основания были наибольшими.
При комплексном обследовании технического состояния резервуаров объединения «Якутнефтепродукт» проводилась дефектоскопия сварных швов. Сварные швы были проверены радиационными и ультразвуковыми методами. В результате обнаружены следующие виды дефектов точечного и линейного характера: газовые поры, скопления и цепочки газовых пор, непровары, подрезы, трещины, неметаллические и шлаковые включения. Нормативные документы ограничивают концентрацию дефектов сварных соединений и их размеры. Допустимая глубина подреза основного металла при толщине листа свыше 10 мм равна 1 мм. Предельная глубина непровара составляет 15% толщины металла, но не более 3 мм. В растянутых элементах толщиной до 25 мм допускается наличие единичных пор и шлаковых включений диаметром не более 1 мм. Сварные швы не должны содержать никаких трещин. Подрезы образуются при завышенном сварочном токе вдоль границы сплавления. Они уменьшают толщину основного металла и являются концентраторами напряжений. Подрезы на обследованных резервуарах имеют глубину до 4,5 мм и длину до 300 мм. Наиболее часто подрезы встречаются на внутренней стороне стенки в сварных швах 1 и 2-го поясов и на монтажном шве. Кратеры образуются при зажигании дуги и представляют собой дефекты в виде углублений. Незаплавленные кратеры обнаружены большей частью на внутренней поверхности стенок в сварных швах двух нижних поясов. Непровары были выявлены почти у 50% обследованных резервуаров. Максимальная длина обнаруженных непроваров сварных швов уторного соединения стенки с днищем составила 300 мм. На нефтебазе п. Жатай на корпусе резервуара емкостью 5000 м было обнаружено 22 непровара, имеющих длины в пределах от 40 до 300 мм. Глубина некоторых непроваров достигала 15 % толщины основного металла.
В сварных швах обнаружены отдельные газовые поры диаметром до 3 мм, их средний диаметр составил 1 мм. Наибольшее количество газовых пор обнаружено на глубине, равной 20% толщины стенки. Протяженность газовых скоплений достигает 300 мм. Максимальная длина обнаруженных шлаковых включений составляет 8 мм. Дефекты включения (поры, шлаки) при их относительной суммарной площади в сечении шва до 5-10% незначительно влияют на статическую прочность соединений при условии пластичности сталей и малой нагруженности соединения [73].
